Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 4: OPAMP và ứng dụng - Nguyễn Duy Nhật Viễn

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 4: OPAMP và ứng dụng - Nguyễn Duy Nhật Viễn

1. Kỹ thuật điện tử Nguyễn Duy Nhật Viễn
2. Chương 4 OPAMP và ứng dụng
3. Nội dung n Khái niệm OPAMP n Ứng dụng ¨ Mạch khuếch đại không đảo ¨ Mạch khuếch đại đảo ¨ Mạch khuếch đại đệm ¨ Mạch cộng đảo ¨ Mạch trừ ¨ Mạch tích phân ¨ Mạch vi phân
4. Khái niệm OPAMP
5. OPAMP (Operational Amplifier) n Khuếch đại: Biến đổi tín hiệu ngõ vào thành tín hiệu ngõ ra cùng dạng nhưng có biên độ lớn hơn. n Khuếch đại thuật toán: bộ khuếch đại được sử dụng với mục đích thực hiện phép tính toán học. n OPAMP là một mạch tích hợp IC (Integrated Circuit) tuyến tính (cho tín hiệu tương tự). n IC tích hợp nhiều linh kiện thành một mạch thực hiện một chức năng nhất định.
6. +V OPAMP +VS _ i(-)(-) N Inverting RO v vidid A Output Rii vO = Advidid Noninverting P i(+)(+) + -VS • i(+), i(-) : dòng vào OP-AMP ở ngõ vào không đảo và đảo. • vid : điện áp vào giữa hai ngõ vào không đảo và đảo của OPAMP. • +VS , -VS : nguồn DC cung cấp, thường là +15V và –15V • Ri : điện trở vào • A : độ lợi của OPAMP. Với OPAMP lý tưởng, độ lợi bằg vô cùng. • RO: điện trở ra của OPAMP, lý tưởng bằng 0. • vO: điện áp ra; vO = AOLvid trong đó, AOL độ lợi điện áp vòng hở
7. OPAMP n Đặc trưng của OPAMP lý tưởng: ¨Ri = ¨Ro = 0 ¨AOL = ¨Băng thông phẳng và rộng vô cùng. ¨Ổn định nhiệt. ¨Cân bằng lý tưởng
8. Ứng dụng
9. Mạch khuếch đại không đảo i(+) P + i i O L n Giả sử OPAMP là lý tưởng: v id _ + ¨ iF AOL= . vid = vo/AOL nên vidid=0 + + vO v i N - ¨ Rin= . i(+) = i(-) = vid/Rin= 0 in (-) vF RF _ _ n Áp dụng KVL: ¨ vin=vid+v1=v1. + R n Áp dụng KCL cho nút N: v1 1 _ ¨ iF=i1+i(-)=i1. i1 n (vo-v1)/RF=v1/R1. n vin: điện áp vào. n v0= vin + vinRF n v : điện áp ra. o n R1 n R : điện trở hồi tiếp. F n Điện áp ra: n R1: điện trở lấy tín hiệu. n vo= vin RF + 1 o in ` F Độ lợi điện áp n R 1 vòng kín AV
10. Mạch khuếch đại đảo R iF F n Giả sử OPAMP là lý tưởng: i R1 1 _ ¨ A = . v = v /A v =0 N OL id o OL idid ¨ R = . i = i = v /R + + in (+) (-) id in v + v i = i = 0 vinin P vO i(+)(+) = i(-)(-) = 0 _ - n Áp dụng KCL cho nút N: ¨ I1=iF +i(-)=iF. n v /R =(v -v )/R . n vin: điện áp vào. in 1 id o F n Điện áp ra: n vo: điện áp ra. n v = - v R n RF: điện trở hồi tiếp. o inin 1 n R n R1: điện trở lấy tín hiệu. F n Độ lợi vòng kín: Av = RF/R1
11. Mạch khuếch đại đệm i(+)(+) P + iO iL + _ vinin = vo vidid + vinin _ _ + + vO + v i - vO vinin i(-)(-)N - - _ - n RF=0. n RF=0. n R1= . n R1=0. n vo=vin. n vo=vin. Độ lợi điện áp vòng kín: Av = Ai = 1 •Thường sử dụng để phối hợp trở kháng. •Trở kháng vào rất lớn. •Trở kháng ra rất bé. •Không suy giảm tín hiệu, đặc biệt với tín hiệu nhỏ.
12. Mạch cộng không đảo R1 i v1 1 v1-vn: các nguồn tín hiệu vào.n Áp dụng KCL cho nút N: v R2 i2 2 ¨ I=i +i =i i(+) P F (-) F. ¨ v/R=v /R =(v-v )/R . Rn i + i i F F o F vn n O L v ¨ v=voR/(R+RF). id _ + iF + vO n Áp dụng KCL cho nút P: i N - (-) vF RF ¨ i1+i2+ +in=i(+)=0. _ ¨ (v1-v)/R1+(v2-v)/R2+ +(vn-v)/Rn=0. ¨ v + v + + v = v 1 + 1 + +1 + i 1 2 n ¨ R R R R R R v_ R 1 2 n 1 2 n ¨ Suy ra: ¨ v + v + + v n Giả sử OPAMP là lý tưởng: 1 2 n ¨ v = (R+R ) R R R ¨ A = . v = v /A v =0 o F 1 2 n OL id o OL idid ¨ R 1 + 1 + +1 vN=vP=v ¨ R1 R2 Rn ¨ Rin= . i(+) = i(-) = vid/Rin i(+)(+) = i(-)(-) = 0
13. Mạch cộng đảo n Giả sử OPAMP là lý tưởng: R1 i v1 1 RF 1 iF F ¨ AOL= . vid = vo/AOL vidid=0 R2 i2 vN=vP=0 v2 2 2 i(-) _ ¨ R = . i = i = v /R in (+) (-) id in N Rn i i(+)(+) = i(-)(-) = 0 vn n i(+) + + v n Áp dụng KCL cho nút N: P vO - ¨ i1+i2+ +in=i(-)+iF=iF. ¨ v1+ v2 + + vn = -vO ¨ R1 R2 Rn RF n v1-vn: các nguồn tín hiệu vào. Suy ra: ¨ vo= -RF v1+ v2 + + vn ¨ R1 R2 Rn
14. Mạch trừ n Áp dụng KCL tại nút N: R1 i R v2 1 iF 2 ¨ i1=iF+i(-)=iF. ¨ (v2-vN)/R1=(vN-vO)/R2. i(-) N _ ¨ vO=vN(R1+R2)/R1-v2R2/R1. R 3 i i(+) n Áp dụng KLC tại nút P: v1 i2 + + ¨ i +i =i P vO 2 (+) 4. - ¨ (v1-vP)/R3=vP/R4. i4 ¨ v =v R /(R +R ). R P 1 4 3 4 4 n Suy ra: n vo=v1 R4 (R1+R2) - v2R2 n Giả sử OPAMP là lý tưởng: n (R3+R4) R1. R1 ¨ AOL= . vid = vo/AOL vidid=0 n Nếu chọn R1=R3, R2=R4 thì vN=vP ¨ Rin= . i(+) = i(-) = vid/Rin i(+)(+) = i(-)(-) = 0
15. Mạch tích phân C iC n Giả sử OPAMP là lý tưởng: i R _ ¨ AOL= . vid = vo/AOL vidid=0 N ¨ Rin= . i(+) = i(-) = vid/Rin + + i = i = 0 v + v i(+)(+) = i(-)(-) = 0 vinin P vO _ - n Áp dụng KCL cho nút N: ¨ I=iC +i(-)=iC. n vin/R=Cd(vid-vo)/dt=Cdvo/dt n vin: điện áp vào. n Điện áp ra: n vo: điện áp ra. n t n RF: điện trở hồi tiếp. n vo= - 1 vinindt +U0 n R1: điện trở lấy tín hiệu. n RC 0 n Với iC=CdUc/dt n Với U0: điện áp ban đầu trên tụ C
16. Mạch vi phân i R C n Giả sử OPAMP là lý tưởng: iC _ ¨ AOL= . vid = vo/AOL vidid=0 N ¨ Rin= . i(+) = i(-) = vid/Rin + + i = i = 0 v + v i(+)(+) = i(-)(-) = 0 vinin P vO _ - n Áp dụng KCL cho nút N: ¨ iC =i+i(-)=i. n Cd(vid)/dt=vo/R n vin: điện áp vào. n Điện áp ra: n vo: điện áp ra. n vo= - RCdvinin n RF: điện trở hồi tiếp. n dt n R1: điện trở lấy tín hiệu. n Với iC=CdUc/dt