Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng OP AMP

Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng Op – amp

Giới thiệu chung

Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng Op – amp:

• Hiểu ược nguyên lý hoạt ộng, cấu trúc và chức năng của từng mạch Op – amp khác nhau

Để lắp đặt mạch trên module và mô phỏng mạch hiệu quả, bạn cần sử dụng phần mềm LT Spice để kiểm chứng các mạch Việc phân biệt giữa cực dương và cực âm là rất quan trọng để tránh nhầm lẫn Hơn nữa, cần đảm bảo rằng mạch được cấp nguồn DC ổn định.

Để sử dụng máy phát sóng hiệu quả, bạn cần biết cách tạo ra các loại sóng phù hợp như sóng sin, sóng vuông và sóng tam giác thông qua dao động ký Điều chỉnh biên độ ngõ vào để đảm bảo ngõ ra không bị méo dạng là rất quan trọng Bạn nên quan sát tín hiệu trên dao động ký và điều chỉnh các thông số như vol/div và time/div để dễ dàng theo dõi và vẽ lại dạng sóng một cách chính xác.

Bài viết này so sánh kết quả mô phỏng và lý thuyết của các mạch điện như mạch khuếch đại ảo, mạch khuếch đại không ảo, mạch khuếch đại cộng điện áp, mạch khuếch đại trừ điện áp, mạch so sánh, mạch Schmitt Trigger, cùng với các mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác Qua đó, bài viết đưa ra những nhận xét và kết luận về hiệu suất cũng như độ chính xác của các mạch này trong thực tế so với lý thuyết.

Phần mềm thí nghiệm: Ltspice

Các thí nghiệm cần kiểm chứng

Hình 2.1: Mạch khuếch ại ảo

• Phân tích lý thuyết và công thức tính toán

Chức năng: Khuếch ại ảo iện áp ngõ vào ( tức ngõ ra ngược pha với ngõ vào)

Mạch có cấu tạo bao gồm tín hiệu vào qua điện trở Ri kết nối với cổng ảo (V -), trong khi tín hiệu hồi tiếp được truyền qua điện trở RF về cổng ảo Cổng không ảo (V +) được nối đất.

Mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại áp ngõ ra phụ thuộc chủ yếu vào các giá trị Ri và RF Do đó, việc lựa chọn linh kiện phù hợp trong quá trình lắp mạch là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

- Điện áp ngõ ra ngược pha với iện áp ngõ vào

- Nếu Ri = RF , mạch tạo tầng ảo lặp lại iện áp

- Áp dụng KCL tại nút : = AV

• Đồ thị từ lý thuyết phân tích

Sơ ồ mạch thí nghiệm trên LTspice (ứng với Rf = 12kΩ)

Sơ ồ mạch thí nghiệm trên LTspice (ứng với Rf = 22kΩ)

Hình 2.2: Mạch khuếch ại không ảo

- Chức năng: khuếch ại iện áp ngõ vào

- Cấu tạo: Tín hiệu vào kết nối với cổng không ảo Cổng ảo nối với ầu ra qua iện trở RF và tiếp ất qua iện trở RG

Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ ra phụ thuộc vào các giá trị của RG và RF Do tính chất khuếch đại, việc lựa chọn linh kiện với RF và RG phù hợp là rất quan trọng Ngoài ra, điện áp ngõ ra cần phải cùng pha với điện áp ngõ vào để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

- Nếu RF = 0 => AV = 1 , mạch dùng làm bộ ệm, áp giữ nguyên giá trị ngõ vào, tổng trở vào lớn, tổng trở ngõ ra nhỏ

- Áp dụng KCL tại nút: 𝑅 𝑉 𝐺𝑖= 𝑉 𝑜 𝑅 − 𝐹 𝑉 𝑖 ⇒ 𝐴𝑉 = 𝑉𝑉 𝑜𝑖 = 1 + 𝑅𝑅 𝐺𝐹

• Đồ thị từ lý thuyết phân tích

Sơ ồ mạch thí nghiệm trên LTspice (ứng với R F = 12kΩ)

Sơ ồ mạch thí nghiệm trên LTspice (ứng với R F = 22kΩ)

2.3 Mạch khuếch ại cộng iện áp

Hình 2.3: Mạch khuếch ại cộng iện áp

- Chức năng khuếch ại thuật toán cộng

- Mạch khuếch ại ảo với cửa ảo Vs- nối với nhiều iện áp ngõ vào thông qua các iện trở Ri

Mạch khuếch ại tín hiệu ngõ ra bằng tổng các tín hiệu ngõ vào nhưng ngược pha

- V- ( ảo) nối với một hai nhiều iện áp ngõ vào - Áp dụng KCL cho nút tại cổng ảo :

𝑖1 𝑖2 𝑖 0 𝑅 𝑖 1 2 Đồ thị phân tích lý thuyết của mạch khuếch ại cộng iện áp Op-amp:

Sơ ồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với R F = 12kΩ, V 2 = 3V, V ip =1.5V)

Sơ ồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với R F = 22kΩ, V 2 = 3V, V ip =1.5V)

• Mạch khuếch ại trừ iện áp

Hình 2.4: Mạch khuếch ại trừ iện áp - Chức năng: mạch khuếch ại theo thuật toán trừ.

Mạch khuếch đại Op-amp bao gồm cửa ảo được kết nối với điện trở hồi tiếp RF, trong khi tín hiệu ngõ vào V2 đi qua điện trở Ri2 Cửa không ảo được mắc với điện trở RF song song với tín hiệu ngõ vào V1 qua điện trở Ri1.

- Mạch khuếch ại có tín hiệu ngõ ra bẳng hiệu các tín hiệu ngõ vào mà V

Ta có R Đồ thị phân tích lý thuyết của mạch khuếch ại trừ iện áp Op-amp:

Sơ ồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với R F = 12kΩ, V 2 = 3V, V ip =4V)

Sơ ồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với R F = 22kΩ, V 2 = 1V, V ip =2V)

2.2 Với các mạch so sánh và tạo sóng

Mạch Op-amp có cực ảo kết nối với điện thế so sánh Vref và cực thuận nối với điện thế chuẩn Vi Với hệ số khuếch đại lớn, mạch khuếch đại Op-amp cho tín hiệu ra V0 ở các mức giá trị khác nhau.

+ Khi Vi < Vref thì 𝑉0 = +𝑉𝑆𝑎𝑡 = 10.47V (nhờ mô phỏng mà nhóm o ược)

+ Khi Vi > Vref thì 𝑉0 = −𝑉𝑆𝑎𝑡 = −10.47𝑉(nhờ mô phỏng mà nhóm o ược)

- Mạch tạo sóng vuông ở ngõ ra (có ộ dốc nhỏ)

- Khi v2 > v1, v0 dần về vH (+vsat)

- Khi v2 < v1, v0 dần về vL (-vsat)

Sơ ồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với V 2 = 5V, V ip =3V)

Sơ ồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với V 2 = 5V, V ip =8V)

- Mạch so sánh có hai biên so sánh và vùng ệm giữ VTH và VTL

Mạch khuếch đại Op-amp sử dụng cực ảo để kết nối với tín hiệu ngõ vào Vi, trong khi cực không ảo được nối với tín hiệu ngõ ra Điện trở hồi tiếp RF được kết nối song song với điện trở RG, tạo ra một mạch khuếch đại hiệu quả.

- Chức năng : Giống mạch so sánh nhưng có tính năng là lọc nhiễu

- Lý thuyết : 𝑉 + không là hằng số mà dao ộng trong khoảng (VTL, VTH) :

Sơ ồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với R F = 12kΩ, V ip =8V)

Sơ ồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với R F = 22kΩ,V ip =8V)

• Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác

Hinh2.7: Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác

Mạch Schmitt Trigger trong mạch 1 hoạt động với điện áp VS- = 0 ở cực ảo, nơi điện áp đầu vào trở thành điện áp ra Vo1 của mạch 2 Mạch 2 thực hiện chức năng tích phân, với cực không ảo nối đất và cực ảo nhận tín hiệu từ Vo1 qua điện trở R và tụ hồi tiếp Kết quả là điện áp ra phản ánh hàm tích phân của điện áp đầu vào, tỉ lệ nghịch với hằng số thời gian của mạch.

Vo2 là hằng số thời gian

𝑅 𝐼 𝑅.𝐶.(𝑉 𝑠𝑎𝑡− −𝑉 𝑠𝑎𝑡+) Đồ thị lý thuyết của mạch tạo sóng vuông-tam giác:

Sơ ồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với R F = 22kΩ, R=5.6kΩ,C=0.22 𝝁 F)

Sơ ồ mạch thí nghiệm trên LTspice ( ứng với R F = 68kΩ, RkΩ,C=0.047 𝝁 F)

3 Lựa chọn dữ kiện ầu vào và phương pháp o ạc các ại lượng

3.1 Với các mạch khuếch ại

- Lắp mạch theo các sơ ồ mạch iện trên module

- Cấp nguồn DC cho các Op- amp : +12V và -12V

- Các 𝑅𝑖 chọn 12kΩ, 𝑅𝐹 chọn o 2 lần trong 3 giá trị 12kΩ, 22kΩ

- Chọn Vi ể Vo không bị méo dạng ( dựa vào iện áp ngưỡng ngõ ra): V sat+ = 10,47V

Đọc giá trị biên của tín hiệu ngõ vào và ngõ ra trên dao động ký, sau đó ghi kết quả vào bảng số liệu Các thông số cài đặt cần được xác định rõ ràng để đảm bảo tính chính xác trong quá trình thu thập dữ liệu.

• Ngõ vào xoay chiều sóng sine: Vin = Vim.sin(2πft) V với f = 1kHz

• Thời gian mô phỏng: 3ms

3.2 Với các mạch so sánh và tạo sóng

- Lắp mạch theo các sơ ồ mạch iện trên module

- Cấp nguồn DC cho các Op- amp : +12V và -12V

- Các 𝑅𝑖 chọn 12kΩ, 𝑅𝐹 chọn o 2 lần 12kΩ và 22kΩ

- Quan sát các dạng sóng, tính ộ lợi áp và so sánh kết quả thí nghiệm với lý thuyết

+ Mạch so sánh: Chọn giá trị Vref = 5V Chọn biên ộ Vi lần lượt lớn hơn Vref và nhỏ hơn Vref ể ược 2 dạng sóng ngõ ra khác nhau

Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác: chọn (𝑅𝐹, 𝑅, 𝐶) = (22𝑘𝛺,

4 Các kết quả thí nghiệm

Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R F = 12kΩ

4.2 Mạch khuếch ại không ảo

Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R G = 12kΩ

Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R G = 22KΩ

4.4 Mạch khuếch ại trừ iện áp

7.998V 5V Xung vuông (Chuyển mức tại VREF =5V)

Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp V ip = 3V

Dạng sóng ngõ vào/ra khi R F = 12kΩ

4.7 Mạch tạo sóng vuông và sóng tam giác

Dạng sóng ngõ vào/ra khi R F = 22kΩ ,R=5.6kΩ,C=0.22 μF

Dạng sóng ngõ vào/ra khi R F hkΩ ,RkΩ,C=0.047 μF

5 Phân tích so sánh và kết luận

Kết quả dạng sóng 𝑉𝑖 và 𝑉𝑜 thu được từ khảo sát tương đồng với lý thuyết, cho thấy sai số nằm trong mức chấp nhận được Điều này được giải thích bởi sự sai lệch trên các linh kiện của bộ thí nghiệm và việc truy bắt điểm chưa hoàn toàn chính xác.

→ Vậy kết quả dạng sóng 𝑉𝑖, 𝑉𝑜 khảo sát giống với lý thuyết, tuy nhiên vẫn còn sai số do sai số của các linh kiện trong kit thí nghiệm

→ 𝑉𝑜 có biên ộ 𝑉𝑜m = 1.5𝑉,Av= -1 dao ộng tại vị trí cân bằng -3V, ngược pha 𝑉𝑖1

→ Kết quả khảo sát giống với lý thuyết và sai lệch rất nhỏ

→𝑉𝑜 có biên ộ 𝑉𝑜m = 2.75𝑉, Av=-1.833 dao ộng tại vị trí cân bằng -5.5V, ngược pha với 𝑉𝑖1

→Kết quả khảo sát dạng ồ thị gần giống với lý thuyết, nhưng sai lệch rất lớn do sai số linh kiện trên kit thí nghiệm

→𝑉𝑜 có biên ộ 𝑉𝑜m = 4𝑉, dao ộng tại vị trí cân bằng -3V, cùng pha 𝑉𝑖1

→ Kết quả khảo sát giống với lý thuyết và sai số rất nhỏ do kit thí nghiệm

→ 𝑉𝑜 có biên ộ 𝑉𝑜m = 3.667 𝑉, dao ộng tại vị trí cân bằng -1.833V, cùng pha 𝑉𝑖1

→ Kết quả khảo sát gần giống với lý thuyết, sai lệch do sai số trên kit thí nghiệm

Theo lý thuyết: khi 𝑉𝑖 > 𝑉𝑟𝑒𝑓 thì 𝑉𝑜 = 𝑉sat-, khi khi 𝑉𝑖 < 𝑉𝑟𝑒𝑓 thì 𝑉𝑜 = 𝑉sat+

Vim = 3: Biên ộ Vi < 5V nên tín hiệu ngõ ra là ường thẳng 𝑉𝑜=Vsat+.47

Vim=8: Tín hiệu ngõ ra là sóng vuông Khi 𝑉𝑖 > 5V 𝑉𝑜 = 𝑉sat-=-10.47V ;

→ Kết quả khảo sát giống với lý thuyết , sai số rất nhỏ

Mạch sẽ chuyển sang trạng thái bão hòa dương khi ạt tới giá trị VH

Mạch sẽ chuyển sang trạng thái bão hòa dương khi ạt tới giá trị VL

→ Kết quả khảo sát giống với lý thuyết và sai số rất nhỏ

→ Kết quả o có sai lệch so với lý thuyết, nguyên nhân do sai số trên kit thí nghiệm, bắt iểm chưa chính xác

Các kết quả thí nghiệm

Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R G = 12kΩ

Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp R G = 22KΩ

7.998V 5V Xung vuông (Chuyển mức tại VREF =5V)

Dạng sóng ngõ vào/ra khi R F = 22kΩ ,R=5.6kΩ,C=0.22 μF

Dạng sóng ngõ vào/ra khi R F hkΩ ,RkΩ,C=0.047 μF

Phân tích so sánh và kết luận

Kết quả dạng sóng 𝑉𝑖 và 𝑉𝑜 được khảo sát tương đồng với lý thuyết, với sai số chấp nhận được do ảnh hưởng từ các linh kiện trong bộ kit thí nghiệm Tuy nhiên, việc đo đạc iểm vẫn chưa đạt độ chính xác cao.