OPAMP tutorial For VAGAM by Trietnguyen

(Hãy đọc từ trang 8) Mục đích chính của tutorial này là giúp các bạn có kiến thức cơ bản về OPAMP (còn mục đích phụ là làm PR cho VAGAM ) I > TỔNG QUAN VỀ OPAMP:

Trước khi bạn tìm hiểu thế nào là OPAMP, tôi muốn bạn nhìn xuống hình bên dưới, đó là sơ đồ nguyên lý của OPAMP. Có thấy rối rắm ko nào? Đây là mạch OPAMP hết sức đơn giản. Xin nói trước luôn để tránh làm mất thời gian của bạn:

BẠN NÀO CHƯA GIẢI THÍCH ĐƯỢC MẠCH NÀY XIN DỪNG LẠI Ở ĐÂY!!!

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mạch OPAMP

Do tính ngắn gọn của tutorial, tôi sẽ không giải thích mạch này! Và xin nhắc lại, nếu bạn nào chưa giải thích nổi mạch này, XIN DỪNG LẠI Ở ĐÂY!!!

XIN NHẮC LẠI:

BẠN NÀO CHƯA GIẢI THÍCH ĐƯỢC MẠCH NÀY XIN DỪNG LẠI Ở ĐÂY!!! Tôi phải nhắc trước để tránh làm mất thời gian của bạn. Đọc tut ko hiểu lại đổ thừa tôi thì nguy.

XIN NHẮC LẠI LẦN CUỐI:

HÃY CHẮC RẰNG BẠN NẮM RÕ MẠCH NÀY MỚI ĐỌC TIẾP. CÒN KHÔNG, XIN DỪNG LẠI Ở ĐÂY!!!

VẪN CÒN NGOAN CỐ À, XIN NHẮC LẠI LẦN SAU CHÓT: BẠN NÀO CHƯA GIẢI THÍCH ĐƯỢC MẠCH XIN DỪNG LẠI Ở ĐÂY!!!

Hù !!!

He he he. Thật ra cái hình nguyên lý quỉ đó có thánh (hoặc khìn ) mới giải thích! Chắc chắn bạn giải thích ko được. Tôi cũng bó tay! mà chẳng cần giải thích làm quái gì! Mới mở bài phải hù phát! Cho bác nào có “bịnh nhác” out hết, còn lại mấy người gan dạ đi tiếp. Trên con đường chinh phục điện tử ko có dấu chân của người nhác gan. Phần sau bạn sẽ thấy Opamp hoạt động rất đơn giản.

1> Op-amps: An Overview Opamp là linh kiện khuếch đại thuật toán. Chúng ta bắt đầu từ đây: Một mạch khuếch đại thì được hình dung như sau:

Công thức cơ bản của bộ khuếch đại là :

Tín hiệu ra = (tín hiệu vào) x (Độ lợi G) Bạn hãy xem file mô phỏng sau để thấy rõ hiện tượng khuếch đại: Download video 1

Ở Opamp, độ lợi G rất lớn (lớn hơn 10.000 lần). Ví dụ như con 741 có độ khuếch đại lên đến 200.000 lần (giá trị điển hình). Do đó nếu đưa tín hiệu vào là 1mV thì tín hiệu ra là 1x200.000=200V (kinh quá!!!).

Tuy có cấu tạo phức tạp, nhưng kí hiệu của OPAMP rất đơn giản như sau:

Vì chân ngõ ra còn lại được nối GND bên trong chíp (ko cần vẽ làm gì) nên người

ta ko kí hiệu hình chữ nhật mà chuyển qua hình tam giác. Chân V+ gọi là “chân ngõ vào không đảo”, chân V+ gọi là “chân ngõ vào đảo”. Hiệu điện thế trên 2 chân này được khuếch đại và xuất ra chân ngõ ra VO (áp chân VO so với GND). Đường đặc tính ngõ vào-ngõ ra có 3 miền như hình vẽ.

+ Miền 1 – miền bảo hòa: Điện áp vào Vi quá bé làm cho điện áp ra (nếu có) VO=AV.VI<-VCC. Nhưng Opamp không thể xuất ngõ ra quá trị số -VCC, nên giá trị xuất ra luôn là –VCC. (dù VI giảm liên tục, nhưng VOUT không đổi)

+ Miền 2 – miền khuếch đại: Điện áp VOUT=VIN.AV tạo thành một đường xiên. do Do độ lợi AV rất cao nên miền này rất bé. (điện áp VOUT rất dễ bị bảo hòa)

+ Miền 3: Giống miền 1. Ở phần trên tôi nói cấp cho 741 áp vào 1mV, độ lợi 200.000, thì áp ra 200V là sai. Bởi vì áp ra thật sự không vượt quá điện áp cấp cho IC

(khuếch đại ở đây chẳng qua và điều chỉnh nguồn cấp theo tỷ số ngõ vào ngõ ra nào đó – năng lượng ko tự sinh ra mà, bạn nhỉ!?).

Từ đặc tính, ta thấy là opamp rất dễ bị bảo hòa (có khi chỉ vài chục uV đã bảo

hòa). Điều này làm cho chúng ta ko thể ứng dụng OPAMP như nguyên lý trên mà phải dùng một vòng hồi tiếp. Tên gọi “thuật toán” của OpAmp xuất phát từ đây. (“Thuật toán” – operation tức là cộng, trừ, nhân, chia, …) Chúng ta xét mạch sau: (Download)

Điện trở R1 nối ngõ ra VO với ngõ vào V+ (người ta gọi như vậy là “hồi tiếp”). Chúng ta thử tính coi tại sao ngõ vào 1V mà ngõ ra 2V!? Ta có công thức cơ bản của bộ khuếch đại: VO=VIN.AV (1)

Mà VIN = V+ - V- Xét nhánh mạch VO, R1, R2:

VO = I.(R1+R2) = ( )2R1R2R

V++

=> 21

2RR

RVV O +=+

Thay vào (1):

VO = (V+ - V-).AV = VO A.V2R1R

2RV ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

+ −

<=> ( ) −+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +− V.2R1R

A2R1R2RV

VO /*chổ này hơi pị tắc, các bạn tự tìm hiểu thêm*/

Do AV rất lớn, ta coi như Vô Cùng. Do đó, ta có:

0A

2R1R

V

→+ và ( ) −+= V.2R1R2R.VO

Cuối cùng ta có:

V2k10

k10k10.V12R

2R1RVVO =+

=+

= −

* Từ công thức trên rút ra một số kết luận sau: + Về mặt chế tạo, chế AV càng lớn càng tốt (đó là lý do khiến OPAMP có AV rất lớn),

về mặt sử dụng, ko cần nhớ AV mà chỉ cần tính độ lợi 2R

2R1RG += .

+ Điều chỉnh độ lợi mạch bằng cách thay đổi R1 và R2. + Và sau đây là một số cách mắc hồi tiếp khác:

Mạch đệm:

Mạch cộng:

Mạch chuyển dòng sang áp:

Chuyển dòng sang áp, không thúc tải trực tiếp

Mạch tích phân:

Mạch tích phân De-Boo:

Mạch vi phân:

Vân vân và vân vân, các bạn tìm thêm ứng dụng của OPAMP trong sách nhé. 2> Các đặc tính cho trong datasheet cần quan tâm: Khi xem datasheet của 741, ta có được nhiều thông tin

Đặc tính: • Bảo vệ ngắn mạch • Cực kì ổn định với nhiệt • Triệt nhiểu bên trong chíp • Điện áp ngõ vào cao • Chân điều chỉnh điện áp lệch

Các giá trị chịu đựng tối đa (ở nhiệt độ môi trường 25C)

Đặc tính Kí hiệu LM741 LM741E LM741L Đ.vịĐiện áp cấp Hiệu điện thế giữa 2 chân ngõ vàoĐiện thế chân ngõ vào Thời gian ngắn mạch ngõ ra tối đaCông suất Nhiệt độ hoạt động Nhiệt độ bảo quản

Vcc VI(DIFF)

VIN PD TOPR TSTG

±18 30

±15

500 0~+70

-65~+150

±22 30

±15

500 0~+70

-65~+150

±18 30

±15

500 -40~+70 -65~+150

V V V

mWC C

Điểm qua một số đồ thị:

Khi tần số dưới 20KHz, trở kháng ngõ ra cố định khoảng 75Ω Trở kháng và dung kháng ngõ vào: + Ở tần số khoảng 10KHz, trở kháng ngõ vào hơn 5MΩ. + Dung kháng ngõ vào khoảng 1,5pF trong suốt miền tần số

Khi nhiệt độ tăng, tổn hao công suất tăng lên Khi nhiệt độ tăng, trở kháng ngõ vào giảm Dòng phân cực và dòng điện lệch giảm khi nhiệt độ tăng.

Khi nhiệt độ tăng, dòng ngắn mạch ngõ ra giảm nhanh Đáp ứng ngõ vào-ngõ ra tĩnh: TON ~ 0.2uF (Khi thiết kế với vi điều khiển hoặc mạch tốc độ cao cần xét tới đặc tính này) Sự biến thiên của độ lợi cách chung CMRR theo tần số.

Đáp ứng ngõ vào-ngõ ra Đồ thị này cho thấy rằng điện áp ngõ ra nhỏ hơn điện áp cấp một tí. Ví dụ, tại áp cấp V=10V (hiệu điện thế V+ và V- là 20V) thì miền áp ra tối đa chỉ khoảng 17.5V ( Tức là chỉ -8.75 đến +8.75V) Đồ thị vẽ khi tải RL = 2k

Từ những đặc tính trên, ta có thể rút ra rằng, không nên thiết kế 741 hoạt động quá 5KHz. Do không khoái Opamp nên tôi không làm nhiều mạch về Opamp, và do đó không

đưa ra một tính toán thực tế với Opamp làm minh họa. Nếu bạn nào có dùng Opamp trong một ứng dụng cụ thể, chúng ta sẽ cùng trao đổi cụ thể trên diễn đàn VAGAM. Để đầy đủ hơn, các bạn xem thêm trong datasheet nhé!

3> Một số mạch ứng dụng với OPAMP 741: a> Nguyên lý so sánh cửa sổ:

b> Mạch cảm biến ánh sáng:

4> Lời kết:

Nếu nói về opamp, người ta có thể viết được cả cuốn sách. Nhưng chúng ta chỉ cần nằm những khiến thức thật cơ bản trên là đủ để… đọc sách tiếp , có thể giải thích mạch Opamp, cũng như tự thiết kế mạch ứng dụng với Opamp rồi. Tôi xin mạn phép dừng tutorial này ở đây

Không biết viết gì nữa , thôi thì chúc các bạn “thu hoạch” thật nhiều kiến thức tại VAGAM. Có gì “théc méc” hoặc góp ý cho bài viết thì trao đổi trên diễn đàn VAGAM tại địa chỉ :

http://vagam.dieukhien.net/discuss.php Hoặc email cho tôi minhtrietk2003@yahoo.com

Thân, Trietnguyen 6/8/2k7

Phụ lục: Cách đọc mã số IC: Tất cả IC OPAMP đều được kí hiệu bằng 7 kí tự và được chia thành 3 phần. Ví dụ: MC 741C N - Phần tiền tố chỉ nhà sản xuất (bảng 1) - Phần giữa chỉ 2 điều: + 3 số chỉ loại IC + Phần kí tự cuối chỉ khoảng nhiệt chịu đựng (bảng 2) - Phần hậu tố chỉ loại vỏ (bảng 3) Bảng 1: CA RCA LM National

Semiconductor MC Motorola NE/SE Signetics OP Precision

Monolithics RC/RM Raytheon SG Silicon General TL Texas Instruments UA Fairchild

Bảng 2: C Thương

mại 0C-70C

I Công nghiệp

-25C-85C

M Quân sự -55C-125C

Bảng 3: D Kiểu vỏ DIP nhựaJ Kiểu vỏ DIP bằng

Ceramic N, P

Kiểu vỏ DIP nhựa chân dài

Nguồn cấp: