(Trang 101)
Sau khi học xong bài này, em sẽ:
Trình bày được kí hiệu, nguyên lí làm việc và ứng dụng cơ bản của khuếch đại thuật toán.
Hình 19.1
Quan sát Hình 19.1 và cho biết trong mạch có các linh kiện điện tử nào?
I. GIỚI THIỆU CHUNG
1. Khái niệm
Khuếch đại thuật toán là mạch tích hợp có hai lối vào, một lối ra và hệ số khuếch đại lớn.
Khuếch đại thuật toán có kí hiệu như Hình 19.2a. Trong mạch nguyên lí thường sử dụng kí hiệu khuếch đại thuật toán rút gọn như Hình 19.2b.
a) Kí hiệu đầy đủ (1 - Lối vào đảo, 2 - Lối vào không đảo, 3 - Lối ra, 4 - Nguồn dương, 5 - Nguồn âm);
b) Kí hiệu rút gọn
Hình 19.2. Kí hiệu khuếch đại thuật toán
(Trang 102)
Một IC khuếch đại thuật toán có thể có một hoặc nhiều khuếch đại thuật toán. Hình 19.3 là ví dụ sơ đồ chân của IC khuếch đại thuật toán LM 741 và LM 324.
a) LM 741 (Offset, Lối vào đảo, Lối vào không đảo, Nguồn âm, Bỏ không, Nguồn dương, Lối ra, Offset);
b) LM 324
Hình 19.3. Sơ đồ chân của IC khuếch đại thuật toán
2. Nguyên lí làm việc
Khuếch đại thuật toán được thực hiện khuếch đại sự chênh lệch giữa điện áp lối vào và không đảo sau đó ra kết quả đưa tới lối ra.
Hệ số khuếch đại A của khuếch đại thuật toán lớn, có thể tới 106.
Khuếch đại thuật toán như Hình 19.4 có hai điện áp lối vào đảo U1 và không đảo U2. Khi đó, điện áp lối ra U3 = A(U2 – U1).
Hình 19.4. Nguyên lí làm việc của khuếch đại thuật toán
II. ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
Khuếch đại thuật toán được kết nối với các linh kiện điện tử khác để tạo nên nhiều mạch ứng dụng. Một số mạch ứng dụng cơ bản sau đây sử dụng khuếch đại thuật toán với hệ số khuếch đại A bằng vô cùng.
1. Khuếch đại đảo
Hình 19.5 là mạch khuếch đại đảo thực hiện khuếch đại biên độ tín hiệu lối vào đảo Uvào như công thức (19.1). Hệ số khuếch đại của mạch phụ thuộc vào các điện trở R1 và R2. Mạch khuếch đại đảo có tín hiệu lối ra ngược pha so với tín hiệu lối vào như biểu diễn trên Hình 19.6.
(19.1)
(19.2)
Trong đó G là hệ số khuếch đại của mạch được xác định như công thức (19.2). Dấu trừ thể hiện sự ngược pha của tín hiệu lối ra so với tín hiệu lối vào.
(Trang 103)
Hình 19.5. Sơ đồ mạch khuếch đại đảo
Hình 19.6. Dạng tín hiệu lối vào và lối ra của mạch khuếch đại đảo
2. Khuếch đại không đảo
Ngược lại với khuếch đại đảo, mạch khuếch đại không đảo ở Hình 19.7 có tín hiệu lối vào Uvào đưa tới chân không đảo và được khuếch đại như công thức (19.3). Mạch khuếch đại đảo có tín hiệu lối ra cùng pha với tín hiệu lối vào, như biểu diễn trên Hình 19.8.
(19.3)
Trong đó G là hệ số khuếch đại của mạch được xác định như công thức (19.4).
(19.4)
Hình 19.7. Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo
Hình 19.8. Dạng tín hiệu lối vào và lối ra của mạch khuếch đại không đảo
(Trang 104)
3. Cộng đảo
Hình 19.9 là sơ đồ mạch cộng đảo hai tín hiệu Uvào1 và Uvào2 tại lối vào đảo với các trọng số khác nhau như công thức (19.5). Trong đó, trọng số của mỗi tín hiệu được xác định bởi tỉ số giữa điện trở Rf với điện trở tương ứng R1 và R2.
(19.5)
Hình 19.9. Sơ đồ mạch cộng đảo
4. Cộng không đảo
Hình 19.10 là sơ đồ mạch cộng không đảo hai tín hiệu Uvào1 và Uvào2 tại lối vào không đảo với trọng số được xác định bởi các điện trở của mạch như công thức (19.6). Trọng số của mỗi tín hiệu được xác định bởi các điện trở của mạch.
(19.6)
Hình 19.10. Sơ đồ mạch cộng không đảo
5. Trừ
Hình 19.11 là sơ đồ mạch trừ hai tín hiệu Uvào1 và Uvào2 tại lối vào đảo và không đảo với trọng số. Trường hợp tín hiệu vào không đảo trừ tín hiệu vào đảo được xác định bởi các điện trở của mạch như công thức (19.7).
(19.7)
Hình 19.11. Sơ đồ mạch trừ
6. So sánh
Hình 19.12 là sơ đồ mạch so sánh hai điện áp lối vào. Điện áp lối vào không đảo lớn hơn điện áp lối vào đảo thì điện áp lối ra xấp xỉ bằng nguồn dương và ngược lại điện áp lối ra xấp xỉ nguồn âm.
Hình 19.12a là mạch so sánh đảo với điện áp Uvào tại lối vào đảo được so sánh với điện áp ngưỡng Ungưỡng tại lối vào không đảo theo công thức (19.8).
Uvào > Ungưỡng thì Ura ≈ – Ucc
Uvào < Ungưỡng thì Ura ≈ Ucc (19.8)
Hình 19.12b là mạch so sánh không đảo với Uvào tại lối vào không đảo và Ungưỡng tại lối vào đảo theo công thức (19.9).
Uvào > Ungưỡng thì Ura ≈ Ucc
Uvào < Ungưỡng thì Ura ≈ – Ucc (19.9)
(Trang 105)
a) Đảo; b) Không đảo
Hình 19.12. Mạch so sánh
Luyện tập
1. Mạch khuếch đại đảo ở Hình 19.13 có R1 = 1 kΩ, R2 = 10 kΩ.
a) Xác định hệ số khuếch đại của mạch.
b) Vẽ tín hiệu lối ra nếu tín hiệu lối vào là điện áp hình sin, biên độ 100 mV, tần số 1 Hz.
Hình 19.13. Mạch khuếch đại đảo
2. Mạch trừ ở Hình 19.14 có R1 = R3 = 2 , R2 = R4 =10. Tính điện áp Ura nếu Uvào1 = 1 V, Uvào2 = 5 V.
Hình 19.14. Mạch trừ
3. Mạch cộng không đảo ở Hình 19.15 có R1 = R2 = 1 kΩ, Rf = Rg = 10 kΩ. Tính điện áp Ura nếu Uvào1 = 1 V, Uvào2 = 5 V.
Hình 19.15. Mạch cộng không đảo
(Trang 106)
4. Mạch cộng đảo ở Hình 19.16 có Rf = 3 kΩ, R1 = 1 kΩ, R2 = 1,5 kΩ. Tính điện áp Ura trong Bảng 19.1.
Hình 19.16. Mạch cộng đảo
Bảng 19.1
Uvào1 (V) Uvào2 (V) Ura (V) 1 1 ? 2 1 ? 1,5 2 ? 1 1,5 ? 5. Một mạch so sánh đảo ở Hình 19.17 có Ucc = 12 V, – Ucc = – 12 V. Tính điện áp Ura trong Bảng 19.2.
Hình 19.17. Mạch so sánh đảo
Bảng 19.2
Uvào (V) Ungưỡng (V) Ura (V) 1 0,5 ? 3 -3 ? -5 0 ? 2,5 3 ?
Vận dụng
Sử dụng các nguồn tài liệu để tìm thêm ứng dụng của khuếch đại thuật toán trong thực tế.
