Bài 7 Bộ khuếch đại thuật toán (1) Mục đích: Khảo sát và đo một số thông số quan trọng của một bộ khuếch đại thuật toán. Sử dụng một vi mạch khuếch đại thuật toán trong một số mạch khuếch đại thông dụng nhất. Phần lý thuyết 1.Khảo sát và đo 1 số thông số của bộ khuếch đại thuật toán 1.1. Khái niệm về thế OFFSET và cách xác định nó: Theo tính toán lý thuyết dựa trên một bộ khuếch đại thuật toán lý tởng thì khi một khuếch đại thuật toán đợc nuôi bằng 2 nguồn và và hai lối vào có cùng mức điện áp thì thế lối ra + V V 2 + + = VV U ra . Nh vậy nếu + = VV thì ta có: V + V - U ra U o + - Hình 7.1 0 2 = + = + VV U ra . Tuy nhiên với một bộ khuếch đại thực thì . Nguyên nhân là do công nghệ chế tạo mà hai lối vào của tầng vi sai không cân xứng hoàn toàn, có sai lệch ở tầng dịch mức điện áp, tầng đệm lối ra. 0= rara UU Sự tồn tại khi cha có tín hiệu vào sẽ gây ra sự lệch khỏi toạ độ gốc (0,0) ở các bộ khuếch đại thế và dòng 1 chiều. Nếu 0 ra U ra U lớn sẽ làm cho bộ khuếch đại trở nên phi tuyến khi dùng để khuếch đại các tín hiệu xoay chiều. Ta có thể làm cho 0 = = rara UU bằng cách thêm vào lối vào (+) hoặc () một lợng thế U vào âm hoặc dơng tuỳ theo độ lệch ra U là âm hoặc dơng Đại lợng bổ xung U vào này đợc gọi là thế OFFSET. Ta có thể dùng các dụng cụ đo chính xác để xác định trực tiếp thế OFFSET này. Tuy nhiên trong thực tế ta xác định nh sau: Ta thấy là nếu coi U vào (thế OFFSET) là tín hiệu vào thì ta có: 140 = ra U0 K o .U vào ở đây K o là hệ số khuếch đại hở mạch (không có trở phản hồi). Hay U OFFSET (vào) = oraOFFSET KU )( ở đây U OFFSET (vào) = U vào ; U OFFSET (ra) = U ra Nh vậy chúng ta chỉ phải đo ra U và sau đó chia cho K o (có trong sách tra cứu). Hình A7-1b (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ dùng để đo thế OFFSET của vi mạch thuật toán 741. 1.2.Đo đặc trng biên độ và đặc trng tần số của bộ khuếch đại thuật toán *) Đặc trng biên độ: là mối quan hệ giữa thế ra và độ lệch thế giữa hai lối vào của bộ khuếch đại thuật toán. U ra 3 1 2 + ra - ra V + V - -U OFFSET +U OFFSET - U vào max + U vào max U vào Hình 7.2 Đặc trng biên độ có dạng sau: (Hình 7. 2) ở đây lối vo (-) đợc nối đất; Thế vào đợc đa vào lối vào (+) 1: Đặc trng thực đã chỉnh OFFSET 2, 3: Đặc trng thực cha đợc chỉnh OFFSET. *) Đặc trng tần số: Khi thay đổi tần số tín hiệu thì hệ số khuếch đại sẽ bị thay đổi, đồng thời dạng tín hiệu ra cũng bị sai lệch do sự khuếch đại không đều các tần số khác nhau. Có thể xem mối quan hệ giữa hệ số khuếch đại và tần số tín hiệu là đặc trng tần số của một bộ khuếch đại. Với một bộ khuếch đại thuật toán dải rộng (không phải là bộ khuếch đại 141 chọn lọc) đặc trng tần số thờng có dạng sau: (Hình 7.3) Dải tần số làm việc sẽ là: , giá trị sẽ tơng ứng với giá trị của hệ số khuếch đại . max 0 ff ữ= max f o KK 9,0= Các sơ đồ ở các hình A7-1c, A7-1d (phần thực nghiệm) đợc sử dụng để đo đặc trng biên độ và tần số của bộ khuếch đại thuật toán 741. Một điều cần lu ý khi đo đặc trng biên độ là: vì ta đo đặc trng biên độ của bộ khuếch đại ở chế độ để hở mạch phản hồi nên đặc trng biên độ sẽ rất dốc, tức là đoạn tuyến tính chỉ ở trong một 0,7Ko f max f K K o Hình 7. 3 khoảng rất hẹp của các giá trị U vào . Vì vậy chiết áp cho các giá trị U vào đợc chọn bằng 100 ôm. Nhng cũng chính vì thế mà nếu hai nguồn nuôi 12V chỉ cần lệch nhau không nhiều sẽ làm cho các giá trị thế vào rơi vào vùng bão hoà. Tức là thế lối ra sẽ bị lệch hoặc về dơng hoặc về âm nguồn với mọi vị trí chiết áp P1. Và ta sẽ không thu đợc đặc trng biên độ. 1.3. Đo điện trở vào và điện trở ra. Sơ đồ tơng đơng đơn giản của 1 bộ khuếch đại thuật toán đợc thể hiện nh sau: (Hình 7.4). Tức là bộ khuếch đại thuật toán có R vào và R ra . Nếu R vào không đủ lớn sẽ gây ra tiêu hao công suất nguồn tín hiệu vào. Còn nếu R ra không đủ nhỏ sẽ tiêu hao vô ích công suất tín hiệu ra. Để xác định đợc R vào và R ra ta sử dụng sơ đồ trên hình A7-1e và hình A7-1f (Xem phần thực nghiệm). Tuy nhiên vì R vào của khuếch đại thuật toán khá lớn nên để xác định đợc chính xác ta mắc thêm R 6 = 100K. R vào K.U vào U vào U ra R ra R tải Hình 7.4 2. Một số mạch khuếch đại thông dụng sử dụng vi mạch KĐTT 2.1. Bộ lặp lại thế 142 Trong một số trờng hợp nguồn tín hiệu có biên độ điện áp của tín hiệu đủ lớn nhng vẫn không đủ khả năng cung cấp công suất cho tải. Nguyên nhân là do công suất nguồn tín hiệu nhỏ, thể hiện ở chỗ là điện trở nội của nguồn tín hiệu lớn. Lúc này, thờng ta phải sử dụng bộ lặp lại thế để khuếch đại công suất nguồn tín hiệu. Các vi mạch thuật toán đặc biệt thích hợp cho mục đích này vì điện trở lối vào vô cùng lớn, điện trở lối ra rất nhỏ. o o - + o o U vào o R v R f - + o o o + R v R f - U ra o o o U ra U vào U ra U vào (a) Lặp lại thế (b) Khuếch đại đảo (c) Khuếch đại không đảo Hình 7.5 2.2. Khuếch đại đảo: U ra ngợc pha với U vào và . v f ra R R U = U vào 2.3. Khuếch đại không đảo: U ra đồng pha với U vào và . v vf ra R RR U + = U vào . Để tiến hành thực nghiệm ta hãy xem các sơ đồ ở phần thực nghiệm Hình A7- 1g là sơ đồ lặp lại thế dùng khuếch đại thuật toán LM-741. Hình A7- 3a là sơ đồ của bộ khuếch đại không đảo và Hình A7- 3b là sơ đồ của bộ khuếch đại đảo. Sơ đồ có mắc R f với các giá trị khác nhau để thay đổi hệ số khuếch đại. 3. Bộ tạo thế chuẩn ổn định công suất trung bình Mạch thực hiện chức năng: .kU ra = U chuẩn = const khi U nguồn thay đổi và I tải thay đổi trong một giới hạn nào đó. Sơ đồ của mạch thờng có dạng sơ đồ ổn áp loại nối tiếp nh sau. Mạch gồm 3 phần chính: (Xem hình 7.6). 1. Là yếu tố điều chỉnh: Thờng dùng transistor. 2. yếu tố khuếch đại và so sánh: ở đây dùng bộ khuếch đại thuật toán. 3. Bộ tạo thế chuẩn: Thờng dùng diode zener. 143 U vào = = U rara UUU + vào - U U vào có thể thay đổi do bản thân U vào thay đổi hoặc do dòng I tải thay đổi vì nguồn U vào có điện trở nội. Để constU ra = thì cũng thay đổi theo U U vào . Yếu tố điều chỉnh thực hiện chức năng này. Hình 7.6 1 3 o o 2 o o I tải R tải U ra U vào U Hình A7- 3 (phần thực nghiệm) là một bộ tạo thế chuẩn công suất trung bình có dùng vi mạch LM 741 làm yếu tố so sánh và khuếch đại. Với sơ đồ này 1= K , tức là U ra = U chuẩn . Có hai bộ tạo thế chuẩn khác nhau trên hai diode zener và mắc ở chế độ phân cực ngợc. 1 D 2 D Vi mạch LM - 741 sẽ làm nhiệm vụ so sánh U ra với một trong hai U chuẩn để điều khiển sao cho U 1 T ra = U chuẩn khi U vào = U nguồn thay đổi và dòng tải thay đổi. 4. Bộ tổng đại số các tín hiệu tơng tự Hàm số mà mạch điện tử cần thực hiện là: vnnvvra UKUKUKU + + + = 2211 : Là các hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại ứng với các lối vào. n KK 1 Để phân tích mạch, bộ khuếch đại thuật toán thờng đợc xem là lý tởng với các tính chất sau: - Trở kháng vào = r z (dòng 0 = V i ). - Trở kháng ra . 0= r z - Hệ số khuếch đại hở mạch lớn = o K . áp dụng qui tắc dòng điện nút cho nút A có tính đến tính chất của bộ khuếch đại thuật toán lý tởng ta có: 0 2 2 1 1 =++++ f ra N Nvv U U R U R U R U 144 Một bộ tổng N lối vào có sơ đồ nh trên hình 7.7 o R 1 - + R N o o U ra U v1 U v2 U vN A o R 2 R f . . . o Hình 7.7 Kết quả là: +++ = VN N f V f V f ra U R R U R R U R R U 2 2 1 1 Hình A7- 4a (phần thực nghiệm) là sơ đồ của bộ tổng dùng vi mạch thuật toán LM-741 với 4 lối vào. Sơ đồ có 3 nguồn tín hiệu điện áp một chiều đợc tạo nên từ 3 mạch phân thế là 3 chiết áp P 1 , P 2 , P 3 . Lối vào IN dùng để đa tín hiệu xung từ máy phát vào bộ tổng. Sơ đồ có khả năng lấy tổng 4 tín hiệu tơng tự lối vào với 4 hệ số khác nhau. 5. Bộ khuếch đại vi sai (mạch trừ) Mạch thực hiện chức năng lấy hiệu hai tín hiệu tơng tự lối vào )( 21 vvra UUKU = K là hệ số khuếch đại. Sơ đồ của một bộ trừ nh sau: (Hình 7.8). - + o U ra U v1 o K R R f = 1 R f o U v2 K R R c = 2 R c Hình 7.8 145 Theo sơ đồ ta có điện áp lối vào cửa thuận: K R R R UU c c c v + = + 2 và điện áp lối vào cửa đảo: rarav f f f UUU K R R R U + + = ).( 1 Vì do đó + = UU )( 12 vvra UUKU = Sơ đồ hình A7- 4b (xem phần thực nghiệm) đợc dùng làm bộ khuếch đại vi sai. Trong sơ đồ này đóng vai trò . 15 8 KR = c R 146 Phần thực nghiệm A. Thiết bị sử dụng: 1. Thiết bị chính cho thực tập tơng tự. 2. Panel thí nghiệm AE - 107N cho bài thực tập về bộ khuếch đại thuật toán (Gắn lên khối đế nguồn). 3. Dao động ký 2 chùm tia. 4. Dây nối cắm 2 đầu. B. Cấp nguồn và nối dây Panel thí nghiệm AE-107N chứa 4 mảng sơ đồ A7-1 A7- 4, với các chốt cắm nguồn riêng. Khi sử dụng mảng nào thì cần nối dây cấp nguồn cho mảng đó. Đất (GND) của các mảng sơ đồ đất đợc nối sẵn với nhau. Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối AE -107N. 1. Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị chính, cung cấp các thế chuẩn , cố định. V5 V12 2. Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị chính, cung cấp các giá trị điện thế một chiều V15 0 + và V15 0 . Khi vặn các biến trở chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện thế cần thiết. Sử dụng đồng hồ đo thế DC trên thiết bị chính để xác định điện thế đặt. ( Chú ý: Cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo). C. Các bài thực tập 1. đặc trng của op.amp. Thí nghiệm về đặc trng của OP.AMP đợc thực hiện trên mảng sơ đồ hình A7- 1a. Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động và các đặc trng cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán. Các bớc thực hiện: 1.1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A7-1. Chú ý cắm đúng phân cực nguồn. 1.2. Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở chế độ: - Phát dạng vuông góc (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình vuông góc), tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 100 và chỉnh bổ sung biến trở 147 chỉnh tinh FREQUENCY). - Biên độ ra 4V (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE). OP.AMP.CHARACTERISTICS: mạch đo đặc trng bộ kđTT 1.3. Đo thế OFFSET của bộ khuếch đại thuật toán: Hình A7- 1b. Nối các chốt và với K và L, để nối cả hai lối đảo và không đảo của bộ khuếch đại thuật toán xuống đất. Bật điện thiết bị chính. Đo giá trị điện thế lối ra U + i i offset (ra). Tính giá trị U offset (vào) = ooffset KraU )( = ? 148 K o : hệ số khuếch đại riêng hay hệ số khuếch đại không có hồi tiếp của khuếch đại thuật toán, K o (IC-741) ~ 2.10 5 . 1.4. Đo đặc trng biên độ của bộ khuếch đại thuật toán: Hình A7- 1c. - Nối chốt với H , để cấp thế từ biến trở P1 vào lối vào không đảo IC1. + i - Nối chốt với K, để nối đất với lối vào đảo. i - Vặn biến trở P1 quanh giá trị 0V. Đo các giá trị điện thế vào và ra. Ghi kết quả giá trị đo vào bảng A7-1. Bảng A7-1 U vào (H) U ra (C) Lập đồ thị sự phụ thuộc thế ra (trục y) và thế vào (trục x). - Xác định giá trị điện thế ra cực đại và cực tiểu của IC. Tính số % giá trị này so với thế nguồn. - Trên cơ sở đồ thị thu đợc, xác định độ nhạy của IC, bằng giá trị chênh lệch thế cực tiểu giữa hai lối vào đảo và không đảo của IC làm thay đổi thế lối ra. - Căn cứ độ dốc đồ thị, xác định hệ số khuếch đại hở của bộ khuếch đại thuật toán. 1.5. Đo đặc trng tần số của bộ khuếch đại thuật toán: Hình A7- 1d - Sử dụng máy phát xung ngoài có dải tần số tới 2MHz. Nối lối ra của máy phát với lối vào IN/A của mạch A7- 1. 149 [...]... bảng A 7- 7, trong đó: 1 57 - E lần lợt nối với H , I , K để thực hiện lấy tổng từ nguồn P1 và P2 theo các hệ số khác nhau - F lần lợt nối với H , I , K để thực hiện lấy tổng từ nguồn P3 và P2 theo các hệ số khác nhau - Đo các giá trị điện thế ra Uo của IC1 (điểm OUT/C) cho từng trờng hợp Ghi các kết quả vào bảng A 7- 9 Bảng A 7- 9 E nối H E nối I E nối K F nối H R5 = 1K R6 = 2K F nối I F nối K R7 =5K... một số trờng hợp 3.5 Khuếch đại đảo: - Nối máy phát xung của thiết bị chính vào lối vào IN/A - Nối J2 (hình A 7- 3b) để đa tín hiệu lối vào - IC1 - Thay đổi biên độ tín hiệu vào (Uvào) theo bảng A 7- 5, quan sát dạng và đo biên độ tín hiệu ra (Ura), ghi các kết quả vào bảng A 7- 5 Tính giá trị K d = U ra U vo cho mỗi trờng hợp biên độ vào Ghi các kết quả vào bảng A 7- 5 - Tính các giá trị : K t1 = R3 R1 =... Khuếch đại không đảo: - Nối máy phát xung của thiết bị chính vào lối vào IN/A - Nối J1, J3 (hình A 7- 3a) để đa tín hiệu lối vào + IC1 và nối đất cho đầu còn lại của điện trở R1 - Thay đổi biên độ tín hiệu vào (Uvào) theo bảng A 7- 4, quan sát dạng và đo biên độ tín hiệu ra (Ura), ghi các kết quả vào bảng A 7- 4 Tính giá trị K d = U ra U vo cho mỗi trờng hợp biên độ vào Ghi các kết quả vào bảng A 7- 4 153 -. .. giá trị thế lối ra vào bảng A 7- 6 Bảng A 7- 6 Thế nuôi + 10V + 11V + 12V Thế lối ra 156 + 13V + 14V 4.4 Nối J2, không nối J1, để sử dụng thế chuẩn từ zener D2 = 8V2 Ghi giá trị điện thế ra Thay đổi thế +V nuôi sơ đồ, ghi lại giá trị thế lối ra vào bảng A 7- 7 Bảng A 7- 7 Thế nuôi + 10V + 11V + 12V + 13V + 14V Thế lối ra 4.5 Nối J2 Nối lần lợt J3, J4 để thay đổi tải theo bảng A 7- 8 Ghi giá trị điện thế tại... trí tơng ứng vào bảng A 7- 8 Bảng A 7- 8 Dòng tải V (IC1 3) V (IC1 2 ) V (IC1 6 ) V (OUT C ) Nối J3 Nối J4 4.6 Giải thích tại sao khi tải thay đổi, điện thế ra không đổi hoặc thay đổi nhỏ 5 bộ lấy tổng đại số tín hiệu tơng tự Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện các phép toán đại số tơng tự Các bớc thực hiện: 5.1 Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A 7- 4a (Chú ý cắm đúng... động ký 150 - Nối kênh 1 dao động ký với IN/A Nối kênh 2 vào i + - Đo biên độ tín hiệu Uif tại lối vào IN/A và biên độ Ui tại i + Bỏ qua điện trở nội máy phát, tính điện trở vào của IC1 theo công thức: Ri = (R3.U i ) (U if U i ) = ? 1 .7 Đo điện trở ra Ro của bộ khuếch đại thuật toán: Hình A 7- 1f - Nối máy phát xung với lối vào IN/A của mạch A 7- 1 - Nối i + với F và G với L và i với O - Nối kênh... tín hiệu, ghi kết quả vào bảng A 7- 11 159 Bảng A 7- 11 Vin 2 0,25V 0,5V 0 ,75 V 1V 1,5V 2V Biên độ xung ra Thế nền lối ra Tơng tự mục 2.1, tính toán các giá trị thế và tín hiệu lối ra IC1 và so sánh với giá trị đo tơng ứng 6 bộ khuếch đại vi sai Nhiệm vụ: Tìm hiểu cách dùng bộ khuếch đại thuật toán ở chế độ khuếch đại vi sai Các bớc thực hiện: 6.1 Sử dụng sơ đồ hình A 7- 4: Trong đó cấp các nguồn thế... Uof khi có nối J1 - Giả thiết điện trở vào dao động ký là vô cùng lớn so với trở ra IC1, tính điện trở ra của IC1 theo công thức: 151 Ro = (U o R4 U of ) R4 = ? 2 Bộ lặp lại thế Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để lặp lại thế Các bớc thực hiện: 2.1 Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A 7- 1 2.2 Nối IC1 theo sơ đồ lặp lại thế: Hình A 7- 1g - Nối chốt i với O - Nối i + với E và... bảng A 7- 3 Bảng A 7- 3 Uvào (E) Ura (C) 2.4 Lập đồ thị sự phụ thuộc thế ra (trục y) và thế vào (trục x) 2.5 Xác định độ lệch cực đại của đờng đặc trng thu đợc so với đờng thẳng (tuyến tính), định khoảng làm việc tuyến tính cho sơ đồ 2.6 Nêu u điểm của bộ lặp lại thế trên OP.AMP so với bộ chia thế dùng biến trở 3 khuếch đại đảo và không đảo Nhiệm vụ: 152 Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của bộ khuếch đại. .. dụng OP.AMP Các bớc thực hiện: 4.1 Cấp nguồn 12V và 0: +15V cho mảng sơ đồ A 7- 3 4.2 Mắc các đồng hồ đo: - Đồng hồ đo thế nuôi sơ đồ: Nối chốt + của mạch A 7- 3 với đồng hồ đo thế DIGITAL VOLTMETER của thiết bị chính Khoảng đo đặt ở 20V - Đồng hồ đo thế chuẩn lối ra: Nối chốt OUT/C của mạch A 7- 3 với đồng hồ đo thế DIGITAL METER V-A của thiết bị chính Đặt các công tắc của bộ đo hiện số ở chế độ đo thế . toán LM -7 4 1. Hình A 7- 3a là sơ đồ của bộ khuếch đại không đảo và Hình A 7- 3b là sơ đồ của bộ khuếch đại đảo. Sơ đồ có mắc R f với các giá trị khác nhau để thay đổi hệ số khuếch đại. 3 - Nối J2 (hình A 7- 3b) để đa tín hiệu lối vào - IC1. - Thay đổi biên độ tín hiệu vào (U vào ) theo bảng A 7- 5, quan sát dạng và đo biên độ tín hiệu ra (U ra ), ghi các kết quả vào bảng A 7- . trên hình 7. 7 o R 1 - + R N o o U ra U v1 U v2 U vN A o R 2 R f . . . o Hình 7. 7 Kết quả là: +++ = VN N f V f V f ra U R R U R R U R R U 2 2 1 1 Hình A 7- 4a (phần thực nghiệm)