1 / 141

Chương 5: Op-amp ứng dụng

Chương 5: Op-amp ứng dụng. Nhóm Thực Hiện: Nhóm Noname. Nội dung chính. 5-1. Lời mở đầu 5-2. Điện thế offfset ngõ vào 5-3. Dòng phân cực ngõ vào 5-4. Dòng offset ngõ vào 5-5. Điện thế offset ngõ vào tổng cộng 5-6. Độ lệch nhiệt 5-7. Ảnh hường của nguồn tới điện áp offset ngõ vào

belle
Télécharger la présentation

Chương 5: Op-amp ứng dụng

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Chương 5: Op-amp ứngdụng Biên soạn: Nhóm Noname

  2. Nhóm Thực Hiện: Nhóm Noname Biên soạn: Nhóm Noname

  3. Nội dung chính • 5-1. Lời mở đầu • 5-2. Điện thế offfset ngõ vào • 5-3. Dòng phân cực ngõ vào • 5-4. Dòng offset ngõ vào • 5-5. Điện thế offset ngõ vào tổng cộng • 5-6. Độ lệch nhiệt • 5-7. Ảnh hường của nguồn tới điện áp offset ngõ vào • 5-8. Thay đổi điện thế và dòng offset ngõ vào theo thời gian • 5-9. Những thông số nhạy điện thế nguồn và nhiệt độ khác • 5-10. Nhiễu • 5-11. Cấu hình chế độ chung và tỉ số truất thải chế độ chung Biên soạn: Nhóm Noname

  4. 5.1: Lời mở đầu: • Trongchươngtrướcchúng ta tìm hiểu về Op-amps và những tính chất, cũng như ứng dụngcủa nó. • Tuy nhiên, ta mới chỉ nghiên cứu op-amp dưới điều kiện lý tưởng với các thuộc tính mong muốn. Trong thực tế không được như vậy, ta sẽ gặp nhiều vấn đề khiến ngõ ra bị nhiễu. Một trong vấn đề ta gặp phải là điện thế offset ngõ vào. • VD: micro để yên vẫn phát ra tiếng rè  chứng tỏ có điện thế gây ra  điện thế offset. Biên soạn: Nhóm Noname

  5. 5.1: Lời mở đầu: • Vì vậy, trong chươngnàychúng ta sẽbànluậnvềthuộctínhcủa op-amps ứngdụng đã gây ra điện thếngõra offset. • Và để xử lí vấn đề này, Chúng ta sẽ nghiên cứu việc thêm vào op-amp một mạch điệnmộtcáchhiệuquả, đặcbiệtnếunóđượcsửdụngtrongmạchkhếchđại DC. Biên soạn: Nhóm Noname

  6. 5.2: Điện thế ngõ vào offset : • Điện thế ngõ vào offset Violà điện thế ngõ vào vi sai tồn tại giữa 2 ngõ vào của một op-amp khi chưa được cấp nguồn.(Nhìn hình 5.1a). • Điện thế ngõ ra offset là Voo. Nó được gây ra bởi Vio. Khi Vio qua Op-amp thì được khuếch đại lên nhiều lần gây nên Voo. Hình 5.1 b cho thấy điện thế ngõ ra offset trong op-amps không hồi tiếp. Biên soạn: Nhóm Noname

  7. Hình 5.1. Điện thế off set ngõ vào và ra. +Vcc +Vcc + A - + A - + - Vio Voo RL RL -VEE -VEE Biên soạn: Nhóm Noname

  8. 5.2: Điện thế ngõ vào offset : • Điện thế ngõ ra offset Voo là điện thế DC, có thể dương hoặc âm tùy thuộc vào Vio, không thể đoán trước được. Cho nên trên datasheets Vio có giá trị tuyệt đối tối đa. • Ví dụ: ở 741 Vio tối đa là 6mV, trong khi con 740 Vio tối đa là 20mV, ở đây nghĩa là điện thế tối đa khác nhau giữa 2 thiết bị ngõ vào trong op-amps 741 có thể lớn đến 6mV DC. Còn 740 thì tối đa là 20mV Biên soạn: Nhóm Noname

  9. 5.2: Điện thế ngõ vào offset : • Điện thế offset ngõ ra là điện thế ta không mong muốn. Do đó chúng ta cần áp vào điện thế các ngõ vào vi sai ở biên độ và phân cực một cách chính xác, để giảm điện thế ngõ ra offset về 0. Giá trị đó được xem là điện thế offsetngõ vào. • Để làm được điều đó, chúng ta cần mạch điện ở thiết bị đầu vào của op-amps nó sẽ giúp chúng ta linh hoạt để đạt được Vio đúng biên độ và phân cực. Mạch như thế được gọi là mạch bù điện thế ngõ vào offset ( input offset voltage compensating network). Biên soạn: Nhóm Noname

  10. 5.2: Điện thế ngõ vào offset : • Tới khi chúng ta đưa ngõ vào chính xác trong op-amps nó sẽ giúp điện thế offset được cân bằng, chúng ta sẽ giảm điện thế ngõ ra offset Voo về 0. Op-amps khi đó được gọi là “nulled” (làm về 0) hoặc “balanced” (làm cân bằng). • Giá trị Vio trong op-amps của các loại giống nhau không thể giống về biên độ và phân cực bởi sự sản xuất hàng loạt nhưng nó sẽ cho giá trị tối đa ít hơn trong datasheets. Biên soạn: Nhóm Noname

  11. 5.2: Điện thế ngõ vào offset : • Trước khi chúng ta bắt đầu thiết kế một mạch bù điện thế, lưu ý đối với những op-amps có chân offset null thì không cần mạch bù như 741, 748, 777 và 201. Đối với loại op-amps 741 biến trở 10k Ω làm cầu phân thế được đặt vào chân 1, 5 và con chạy được nối với nguồn âm ở chân 4, được biểu diễn ở hình 5.2. Điều chỉnh nút vặn để đưa ngõ ra về 0 (nulled output). Biên soạn: Nhóm Noname

  12. Hình 5-2. Mạch dùng chân offset null của IC 741 +Vcc 3 + 741 - Voo=0V 6 2 RL 10kΩ 4 -VEE 1 5 Biên soạn: Nhóm Noname

  13. 5-2 .1 Thiết kế mạch bù điện thế offset • mạch bù điện thế offset của op-amps được biểu diễn ở hình 5.3 gồm biến trở Ra và các điện trở Rb, Rc . • Nếu chúng ta đang có ý định để làm cho việc sử dụng của op-amps như một bộ khếch đại đảo, mạch bù phải kết nối các thiết bị đầu vào không đảo dấu của op-amps. Mạch điện trong hình 5.3 có thể được sử dụng như một bộ khếch đại không đảo dấu khi các mạch bù được kết nối với thiết bị đầu vào đảo dấu của op-amps. Biên soạn: Nhóm Noname

  14. Phân giải mạch bù: • Điện trở tối đa theo định lý thevenin xảy ra khi con chạy ở trung tâm biến trở, thể hiện ở hình 5-4a. Khi đó : • Rmax =(Ra /2) // (Ra /2) = Ra /4 • Điện áp tương đương Vmax theo định lí thevenin tối đa bằng Vcc hoặc –VEEkhi con chạy ở vị trí cao nhất hoặc thấp nhất của biến trở.(Hình 5-4(b) và(c)). • Ta có: |Vcc|= |-VEE| nên đặt |Vcc|=|-VEE|= V=Vmax Biên soạn: Nhóm Noname

  15. 5-2 .1 Thiết kế mạch bù điện thế offset • Tiếp theo chúng ta vẽ lại mạch bù bằng cách sử dụng điện thế và điện trở thevenin tối đa như hình 5-5. Áp dụng quy tắc điện áp trong mạch điện như hình 5-5 chúng ta có được : Rc Rb Rmax T V2 Vmax Hình 5.5 Biên soạn: Nhóm Noname

  16. 5-2 .1 Thiết kế mạch bù điện thế offset • Ở đây V2 được thể hiện như 1 chức năng thevenin tối đa và trở kháng Rmaxnhưng giá trị tối đa của V2 có thể bằng Vio khi |V1-V2|= Vio khi đó phương trình 5-1 trở thành : Vmax (5-2) Biên soạn: Nhóm Noname

  17. 5-2 .1 Thiết kế mạch bù điện thế offset • Có quá nhiều ẩn số trong phương trình 5-2, để đơn giản hóa 5-2 chúng ta hãy giả sử rằng Rb > Rmax >Rc. Ở đây Rmax = Ra /4. Có nghĩa là Rb > Rmax khi Rmax= Ra /4. Do đó giả sử trên là hợp lệ. Bằng cách sử dụng giả thiết này chúng ta có thể nói rằng Rmax + Rc+ Rb xấp xỉ Rb . Vmax (5-2) Biên soạn: Nhóm Noname

  18. 5-2 .1 Thiết kế mạch bù điện thế offset Do đó phương trình 5-2 có thể viết lại: • Vio = Rc . Vmax/Rb (5-3) • Ở đây Vmax =V=|Vcc|=|VEE| Vio=Rc.V/Rb (5-4) • Lưu ý rằng Vio phụ thuộc vào cường độ của nguồn điện áp cung cấp + Vcc và –VEE • Phương trình 5-4 sẽ được dùng để thiết kế mạch bù (compensating) . Biên soạn: Nhóm Noname

  19. Ví dụ 5-1 : Thiết kế mạch bù dùng op-amps LM307. Op-apms sử dụng có điện thế ± 10V. Bài giải : • Giá trị tối đa của Vio trong bảng datasheet của LM307 là 10mV. Giá trị của: V= |Vcc|=|-Vee|=10V. • Áp dụng 5-4 ta có: Biên soạn: Nhóm Noname

  20. Nếu ta chọn Rc= 10Ω , giá trị của Rb sẽ là : • Rb = 1000.Rc = 10000Ω. • Khi Rb > Rmax , ta chọn Rb=10Rmax , ở đây Rmax=Ra /4. • Rb=10Ra / 4. • Ra=Rb / 2.5= 4kΩ. Biên soạn: Nhóm Noname

  21. Nếu biến trở 4kΩ không có sẵn chúng ta có thể sử dụng giá trị thấp hơn, chẳng hạn như 3kΩ. Khi đó giá trị của Ra sẽ lớn hơn Rb bởi hệ số của 10 . Nếu ta chọn biến trở Ra 3kΩ là giá trị Ra . Khi đó : • Ra= 3kΩ • Rb=10k Ω • Rc= 10 Ω • Mạch điện cuối cùng bao gồm các chân kết nối ở LM307 được biểu diễn ở hình 5-6. Biên soạn: Nhóm Noname

  22. Hình 5-6. Mạch bù cho IC LM304 +Vcc +10V +Vcc +10V 7 3 + LM307 - Voo=0V 6 Rb 10kΩ 2 Ra 3kΩ RL >10kΩ 4 -VEE -10V Rc 10Ω -VEE -10V Biên soạn: Nhóm Noname

  23. Sau mạch điện ở hình 5-6 đã được test thử, chúng ta sẽ điều chỉnh biến trở Ra để Voo giảm về 0 . Biên soạn: Nhóm Noname

  24. Tác động của Vio trong mạch khếch đại hồi tiếp • Chúng ta vừa khảo sát mạch bù với op-amp vòng hở (open-loop). Giờ ta sẽ khảo sát về điện thế offset trong Op-amp có hồi tiếp. Bộ khếch đại đảo và không đảo mắc hồi tiếp được biểu diễn như hình 5.7 . • Để xác định tác động của Vio trong mỗi trường hợp chúng ta phải giảm điện áp vào Vin về 0 . Biên soạn: Nhóm Noname

  25. H5-7. Mạch khuếch đại(a) đảo dấu (b) không đảo +Vcc +Vcc Voo= (1+RF/R1)Vio + A - Voo= (-RF/R1)Vio + A - RL RL R1 R1 + Vin - + Vin - -VEE -VEE Rin ~0Ω ~ RF RF Rin ~0Ω ~ Biên soạn: Nhóm Noname

  26. Tác động của Vio trong mạch khếch đại hồi tiếp • Với mạch hồi tiếp âm, ta tính được công thức liên hệ giữ Vio và Voo là: (quá trình chứng minh : xem sách) Biên soạn: Nhóm Noname

  27. Tác động của Vio trong mạch khếch đại hồi tiếp • Để null Voo (đưa Voo về 0), chúng ta có thể sử dụng mạch bổ sung giống hệt cái đã sử dụng cho vòng lặp mở. Khuếch đại vòng lặp đóng đảo và không đảo với mạch bổ sung được trình bày ở Hình 5-9. Biên soạn: Nhóm Noname

  28. H5-9.a. Mạch khuếch đại hồi tiếp không đảo với mạch bù +Vcc +Vcc + A - Vo=(1+)Vin V1 Rb 2 RL Ra R1 V2 + Vin - -VEE RF Rc Rin ~0Ω ~ -VEE Biên soạn: Nhóm Noname

  29. H5-9.a. Mạch khuếch đại hồi tiếp đảo với mạch bù +Vcc +Vcc Voo= (-RF/R1)Vin + A - + Vin - Rin ~0Ω RL ~ R1 Rb Ra RF Rc -VEE -VEE Biên soạn: Nhóm Noname

  30. Tác động của Vio trong mạch khếch đại hồi tiếp • Mạch bổ sung hình 5-9 được thiết kế sử dụng công thức 5-4. Mạch này được kết nối với đầu không đảo cho việc khuếch đại đảo và ngược lại. • Chú ý rằng là độ lợi thế của khuếch đại không đảo với mạch bổ sung là : AF= 1 +[RF/(R1 +RC)]. • Kết quả này dựa trên việc cho rằng là Rb > Ra > Rc. Trước khi Vin được áp vào, op-amps ở hình 5-9 được null bởi việc điều chỉnh con chạy. Biên soạn: Nhóm Noname

  31. Tác động của Vio trong mạch khếch đại hồi tiếp • Khuếch đại vòng lặp đóng là khá khó để null vì việc sử dụng mach bổ sung có thể thay đổi CMRR. Hình 5-10 cho thấy khuếch đại vi sai với hệ thống bù trừ. Để nâng cao CMRR, ta nên sử dụng R1 =R2 và RF = R3 + RC. • Mạch bù Khuếch đại vi sai (Compentated differential amplifier) ở hình 5-11 sử dụng op-amp với các chân điện thế offset null. Biên soạn: Nhóm Noname

  32. Hình 5-11. IC 741với mạch bù tích hợp +Vcc 2 4 - A + Voo= (RF/R1)(Vin1-Vin2) If R1=R2 And RF=R3 + Vin1 - + Vin2 - RL ~ ~ R2 3 R1 10kΩ -VEE 7 RF R3 5 1 Biên soạn: Nhóm Noname

  33. Ví dụ 5-2: Op-amps trong hình 5-13 với LM307 có Vi0 = 10mV DC(max). Điện áp đầu ra offset tối đa có thể là bao nhiêu ? V00 ? Điện thế ngõ vào gây ra ? Bài giải : • Có thể tìm thấy giá trị có sẳn tối đa của V00 , ta giảm điện thế ngõ vào Vin về 0. Tăng vòng khép kín của bộ khếch đại : • A00 = 1+ = 1 + = 11 Biên soạn: Nhóm Noname

  34. Ví dụ 5-2: • Khi Vi0 = 10mV DC (max). V00 có đô lớn như sau : • V00 = A00 . Vi0 =11.(10mV dc)=110mV dc. • Ở đây nghĩa là thiết bị ngõ ra có thể âm hoăc dương 110mV DC nếu được nối với mặt đất mặc dù Vin = 0 V . Biên soạn: Nhóm Noname

  35. Ví dụ 5-3 : Thiết kế mạng lưới bổ sung điện thế ngõ vào như mạch điện như hình 5-13. Bài giải : • Chúng ta có thể thiết kế mạng lưới bổ sung sử dụng op-amps LM307 trong ví dụ 5-1. • Chúng ta có thể sử dụng cùng mạch điện và kết nối nó trong thiết bị đảo dấu trong hình 5-14. Biên soạn: Nhóm Noname

  36. Ví dụ 5-3 : • Áp dụng định lý thevenin qua Rc, điện thế tương đương RTH=Rc vì Rc <Ra <Rb. Đồng thời, R1>>Rc . Có nghĩa độ lợi mạch đóng của mạch khuếch đại không đổi dấu sẽ không bị ảnh hưởng bởi mạch bù, đó là: Biên soạn: Nhóm Noname

  37. Lưu ý: Chúng ta cần phân biệt độ lợi thế Aoo và AF. • được dùng để tính Voo lớn nhất có thể theo Vio trong cả 2 mạch khuếch đại đảo và không đảo dấu. • Còn AF : • AF=1+RF/R1 với khuếch đại không đảo dấu • AF=-RF/R1 với khuếch đại đảo dấu • AF được dùng để tính điện thế ra Vo theo điện thế vào Vin. Biên soạn: Nhóm Noname

  38. 5.3 - Dòng Điện Phân Cực • Dòng phân cực ngõ vào I­­B là giá trị trung bình của 2 dòng phân cực ngõ vào là IB1 và I­B2­ theo hình 5-15, ta có: I­B ­= (I­B1­ + I­B2 ­)/2 (5-9) • Chú thích: • I­B1 : dòng phân cực DC vào ngõ vào không đảo dấu. • I­B2­ : dòng phân cực DC vào ngõ vào đảo dấu. +Vcc IB1 + A - Voo IB2 RL -VEE H5-15. Dòng điện phân cực Ib1 và Ib2 Biên soạn: Nhóm Noname

  39. 5.3 - Dòng Điện Phân Cực • Thật ra, dòng phân cực I­B1 ­và I­B2 ­là dòng phân cực nền của 2 transitor ở ngõ vào đầu tiên của tần khuếch đại vi sai của Op-amp. Trong phần này, chúng ta chấp nhận rằng dòng I­B1 và I­B2 bằng nhau và bằng Ib­, ta có: • I­B­ = I­B1­ =I­B2 ­(5-10) Biên soạn: Nhóm Noname

  40. 5.3 - Dòng Điện Phân Cực • Giá trị của dòng phân cực I­B ­là rất nhỏ trong khoảng từ một vài cho đến vài trăm nA. • Mặc dù rất nhỏ nhưng dòng phân cực I­B­ có thể gây ra một chênh lệch điện thế ngõ ra VoIBđáng kể trong mạch khi dung điện trở hồi tiếp có giá trị tương đối lớn. • VoIBcó thể không lớn như khi bị gây ra bởi chênh lệch điện thế đầu vào nhưng phải vẫn cần chú ý để hạn chế nó. Biên soạn: Nhóm Noname

  41. 5.3 - Dòng Điện Phân Cực • Trước tiên, ta thiết lập biểu thức của điện thế chênh lệch ngõ vào gây ra bởi dòng phân cực I­B : VoIB. • Sau đó ta sẽ tìm cách loại trừ hoặc hạn chế nó. • Mạch khuếch đại với V­in­=0V được vẽ lại ở hình 5-16. • Ta giả sử: điện thế chênh lệch ngõ vào Vio =0, nên V­oo­ =0. Nên V­o ­bị chênh lệch điện thế là do dòng phân cực I­B­. Biên soạn: Nhóm Noname

  42. H5-16. VoIB gây ra bởi IB -VEE +Vcc V2 Trong hình, dòng I­B1­ và I­B2­ lần lượt vào ngõ vào không đảo và đảo dấu. Ngõ vào không đảo được nối đất nên điện thế V­1­ =0V. AV­in­ =0 do V­in­ =0. I2 IB2 - + VoIB I1 RL V1 R1 Ri RF Ro IB1 Avid=Avio=0V Biên soạn: Nhóm Noname

  43. Thiết lập công thức VoIb • Do điện trở ngõ ra V­o­ không đáng kể, nên dòng phân cực I­B2­ đi qua 2 điện trở mắc song song là R­1­ và R­F.­ Ta có điện thế ở đầu vào đảo là: • V2 = (R1||RF)IB2 (5-11) • (5-12) Biên soạn: Nhóm Noname

  44. Thiết lập công thức VoIb • Ở nút điện thế V­2­, ta có biểu thức: • I­1­+I­2­=I­B2­ • (5-13) • Trong đó: • V­o­ : điện thế chênh lệch ngõ ra gây ra bởi dòng phân cực ngõ vào. • R­i­ : điện trở ngõ vào của op-amp (nhìn hình 5-16) • Biểu diễn lại biểu thức (5-13), ta có: •  VoIB/RF=V2(1/R1+1/RF+1/Ri) Biên soạn: Nhóm Noname

  45. Thiết lập công thức VoIb • Vì R­i­ vô cùng lớn ( lý tưởng là vô cùng), nên 1/R­i­ gần về 0. Nên: • Thay vào biểu thức 5-14 giái trị của V­2­ từ biểu thức 5-12 ta có: • Từ 5-10, lại có: Biên soạn: Nhóm Noname

  46. Thiết lập công thức VoIb • Ta thiết lập được công thức: • Theo hệ thức 5-16, độ lớn của điện thế chênh lệch ở ngõ ra V­o­­IBphụ thuộc vào điện trở hồi tiếp RF và dòng phân cực I­B­. Nên việc sử dụng điện trở hồi tiếp giá trị nhỏ là được khuyến cáo. Biên soạn: Nhóm Noname

  47. Cách loại bỏ VoIB • Để loại trừ hoặc làm giảm điện thế chênh lệch ngõ ra V­oIB­ tạo bở dòng phân cực, ta nên làm V­1­ cân bằng với V­2 (gây ra bởi dòng I­B1 ­và I­B2­ )­. • Từ 5-12, ta có: • Mà: Biên soạn: Nhóm Noname

  48. Cách loại bỏ VoIB • Biểu thức 5-17 nói ta phải tăng điện thế V­1­ tại ngõ vào không đảo theo I­B1­ và một điện trở R­OM nào đó­. • Ta có thể làm như sau: Dòng phân cực I­B1­ không sinh ra bất kì điện thế nào ở ngõ vào không đảo vì ngõ vào này được nối đất ( hình 5-16). Nếu ta liên hệ R­OM­ với ngõ vào không đảo, V­1 ­­sẽ là: Biên soạn: Nhóm Noname

  49. Cách loại bỏ VoIB • Để cân bằng V­1­ và V­2­ thì: • Giờ thì I­B1­ và I­B2­ bằng nhau nên theo 5-19: • Hoặc • R­OM ­sẽ hạn chế tối đa giá trị của điện thế chênh lệch ở ngõ ra V­oIB­. Nên R­OM­ còn được gọi là “điện trở làm giảm sự chênh lệch”. (H 5-17) Biên soạn: Nhóm Noname

  50. Cách loại bỏ VoIB +Vcc V2 IB2 VoIB0V If IB1=IB2 - A + RL R1 -VEE RF H5-17. ROM giảm điện thế offset VoIB ra gây ra bởi dòng IB ROM= IB1 Biên soạn: Nhóm Noname

More Related