Luận văn tốt nghiệp: Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:111

Thêm vào BST

Báo xấu

121
lượt xem 27
download

Luận văn tốt nghiệp: Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn tốt nghiệp: Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó là nhằm nghiên cứu về IC định thời 555; một số mạch điện tử ứng dụng của nó; chương trình vẽ, mô phỏng và thiết kế mạch in được coi là mạnh nhất hiện nay - Orcad.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn tốt nghiệp: Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  GVHD: ThS. Phan Thanh Vân SVTH: Phạm Thị Huyền Trang MSSV: K32102078 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2010
LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới thầy Phan Thanh Vân –giảng viên Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, hiệu chính nội dung và hướng dẫn thực hành để em có thể hoàn thành luận văn này. Em xin cảm ơn thầy Cao Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn em làm mạch điện để em có thể hoàn thành tốt phần thực hành của mình. Có lẽ không một ai có thể quên được những mái trường mà mình đã đi qua, những mái trường đã dạy dỗ mình từ thời thơ ấu cho đến lúc trưởng thành. Cứ sau mỗi chặng đường đi qua chúng em lại thấy mình trưởng thành và vững vàng hơn trong kiến thức và năng lực. Chặng đường em vừa đi qua là chặng đường với bốn năm đại học đầy khó khăn và thử thách dưới mái trường Đại học Sư phạm TP. HCM. Nơi đây không chỉ trang bị cho em những kiến thức khoa học mà còn tạo cho em một niềm tin sâu sắc vào nghề giáo và rèn luyện cho em một nghị lực để làm hành trang bước vào đời. Em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến tập thể các thầy cô trường Đại học Sư phạm TP. HCM đặc biệt là các thầy cô khoa VẬT LÝ đã dìu dắt và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em có thể học tập tốt; Bên cạnh đó, gia đình luôn là nguồn động lực to lớn giúp em vững bước trên con đường mình đã chọn. Xin cảm ơn ba, mẹ đã luôn đồng hành cùng với con trong cuộc sống. Sau cùng là lời cảm ơn chân thành đến bạn bè đã động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong suốt thời gian hoàn thành đề tài.
MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài: Ngày nay, với tốc độ phát triển mạnh mẽ của điện tử và công nghệ thông tin, hàng loạt các sản phẩm mới với công nghệ cao đã ra đời, từ những thiết bị phổ biến như máy vi tính, điện thoại, máy nghe nhạc, máy chụp hình kĩ thuật số... cho đến các vật dụng trong gia đình như tivi, tủ lạnh hay máy giặt... những thiết bị này đã góp phần nâng cao đời sống cho con người và chúng có một ý nghĩa lớn trong cuộc cách mạng công nghệ. Tuy nhiên một "thành viên" không thể không nhắc tới đó là Chip, mặc dù với vẻ bề ngoài có vẻ "bé nhỏ" nhưng những con Chip lại có một sức mạnh không hề "nhỏ" chút nào. Nếu coi các cỗ máy hiện đại ngày nay như một thực thể sống thì những con Chip bé nhỏ ấy chính là các tế bào góp phần nuôi dưỡng và duy trì sự sống cho các cỗ máy này. Trong triều đại mạch tích hợp (Intergrated Circuit – IC) hơn nửa thế kỷ qua xuất hiện nhiều con Chip tuyệt vời, nhưng chỉ một số ít thật sự nổi bật bởi tính sáng tạo, đi trước thời đại. Những con Chip này tạo nên xu hướng công nghệ và góp phần làm cho cuộc sống của chúng ta thêm thú vị. Một trong số những con Chip lừng danh đó là Chip 555, nó đã gây chấn động khi ra mắt thị trường vào năm 1971. Vi mạch định thời 555 (Chip 555) và họ của nó được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điện tử dân dụng cũng như điện tử công nghiệp, vì nếu kết hợp với các linh kiện ngoại vi thích hợp thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như định thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích hay điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất như transistor, Triac... Đã có hàng tỉ IC định thời 555 được bán ra, đến nay Chip này vẫn còn được dùng. Xuất phát từ những đặc điểm nổi bật của Chip 555 cùng với sự hứng thú, muốn tìm hiểu em đã chọn đề tài luận văn: “Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó”. Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu về IC định thời 555; một số mạch điện tử ứng dụng của nó; chương trình vẽ, mô phỏng và thiết kế mạch in được coi là mạnh nhất hiện nay: OrCad. Đối tượng nghiên cứu: Vi mạch định thời 555 và phần mềm OrCad Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, thực hành trên máy vi tính và thực hành lắp ráp một số mạch điện tử ứng dụng của IC định thời 555 trên thực tế. Nội dung đề tài: Căn cứ vào mục tiêu như trên nên đề tài tập trung nghiên cứu vào ba nội dung chính đó là: Nghiên cứu IC định thời 555 và các mạch ứng dụng của nó trên cơ sơ lý thuyết.
Nghiên cứu và thực hành phần mềm mô phỏng mạch điện tử “OrCad”. Thực hành lắp ráp một số mạch định thời sử dụng IC định thời 555 trên thực tế. Là một sinh viên khoa Vật lý thuộc ngành sư phạm, ít được làm quen với kỹ thuật điện tử vì vậy việc nghiên cứu đề tài về lĩnh vực điện tử đối với em gần như bước vào một thế giới kiến thức mới, rất đa dạng và phong phú. Em hy vọng qua đề tài này có thể giúp các bạn sinh viên không chuyên về điện tử có thể hiểu được phần nào về kỹ thuật điện tử vô cùng hấp dẫn và những ứng dụng rất rộng rãi của nó, qua đó hình thành lòng say mê và hứng thú tìm hiểu về kỹ thuật điện tử. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong việc thực hiện đề tài, nhưng do đây là lần đầu nghiên cứu về kỹ thuật điện tử và thời gian có hạn nên chắc chắn đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Kính mong được sự thông cảm, giúp đỡ của các thầy cô, bạn bè và hội đồng bảo vệ. Em xin chân thành cảm ơn! I. Một số loại linh kiện điện tử có liên quan: Bất cứ một mạch điện điện tử nào đều dùng nhiều linh kiện điện tử khác nhau để tạo thành và các mạch điện có các công dụng khác nhau. Trong đó một số loại linh kiện được xem là cơ bản, vì nó thường được sử dụng trong các mạch điện. Ví dụ như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, transistor, … Trong phạm vi đề tài đang xét về cấu tạo và các mạch điện tử ứng dụng của IC định thời 555 cũng không thể thiếu các loại linh kiện cơ bản trên. Trong đề tài này, ta sẽ không xét đến những linh kiện cơ bản trên nữa mà chỉ xét đến hai loại mạch đóng vai trò khá quan trọng trong hoạt động của IC định thời 555, đó là Flip – Flop và Op-Amp. I.1. Flip – Flop: I.1.1. Khái niệm Trong kỹ thuật số, sử dụng các tín hiệu nhị phân. Các phần tử Flip-Flop (FF) là các phần tử có khả năng truyền đạt và lưu trữ các tín hiệu nhị phân này (khả năng nhớ). Flip-Flop (viết tắt là FF) là mạch dao động đa hài hai trạng thái bền, được xây dựng trên cơ sở các cổng logic và hoạt động theo một bảng trạng thái cho trước. Flip-Flop có đặc điểm sau: Có hai trạng thái bền: Trạng thái 0 và trạng thái 1. Có thể tiếp nhận, lưu trữ, đưa tín hiệu ra để sử dụng.
Vì vậy, nó rất thuận lợi trong kỹ thuật số. Tuỳ theo đặc tính làm việc mà người ta chia làm nhiều loại Flip- Flop khác nhau. I.1.2. Phân loại Có hai cách phân loại : Phân loại theo tín hiệu điều khiển. Phân loại theo chức năng. a) Phân loại FF theo tín hiệu điều khiển đồng bộ: Xét về tín hiệu điều khiển có thể chia các FF thành 2 loại là: FF không đồng bộ (không có tín hiệu điều khiển đồng bộ Clock) và FF đồng bộ (có tín hiệu Clock). Thực tế các FF được sử dụng thường là FF đồng bộ. Tín hiệu đồng bộ Clock (Ck) có thể kích khởi theo mức hay theo sườn của tín hiệu. Nếu kích khởi theo sườn tín hiệu ta có: FF được kích khởi theo sườn lên của tín hiệu Ck và FF được kích khởi theo sườn xuống của tín hiệu Ck (gọi tắt là sườn lên và sườn xuống, hoặc sườn trước và sườn sau). Flip - Flop cơ bản (Flip - Flop không đồng bộ): Cấu trúc: Các mạch FF cơ bản (FF không đồng bộ) được cấu trúc từ các mạch NAND và mạch NOR. Cấu trúc của chúng như hình 1.1 và hình 1.2. Hình 1.1: FF cấu trúc từ cổng NAND
Hình 1.2: FF cấu trúc từ cổng NOR Trong đó: R, S hay S , R là các tín hiệu đầu vào, còn Q, Q là các tín hiệu đầu ra. Với FF cấu trúc từ cổng NAND: R Q S 0 0 X 0 1 1 1 0 0 1 1 Q0 Dựa vào bảng chân trị của cổng NAND để giải thích hoạt động của sơ đồ mạch này: S = 0, R = 1  Q = 1. Q = 1 hồi tiếp về cổng NAND B làm cho cổng NAND B có hai ngõ vào bằng 1 nên Q = 0. Vậy Q = 1 và Q = 0. S = 1, R = 0  Q = 1. Q = 1  hồi tiếp về cổng NAND A làm cho cổng NAND A có hai ngõ vào bằng 1 nên Q = 0. Vậy Q = 0 và Q = 1. S = R = 0  Q = Q = 1 đây là trạng thái cấm. S = R = 1 : Giả sử trạng thái trước đó có Q = 1 và Q = 0  hồi tiếp về cổng NAND A nên cổng vào NAND A có một ngõ vào bằng 0 vậy Q = 1. Như vậy FF - RS giữ nguyên trạng thái cũ trước đó.
FF hoạt động với 2 trạng thái là trạng thái 0 và trạng thái 1. *Trạng thái 0: Là trạng thái có Q = 0; Q = 1. Ở trạng thái này, Q = 0 hồi tiếp vào cổng B làm cổng B cấm, do vậy Q = 1 được duy trì. Mặt khác, Q = 1 lại hồi tiếp vào cổng A, cùng với tín hiệu S = 1 làm cho cổng A thông và lối ra Q = 0 được duy trì. Như vậy trạng thái 0 có Q = 0; Q = 1 được duy trì bền vững. *Trạng thái 1: Là trạng thái có Q = 1; Q = 0. Ở trạng thái này, Q = 0 hồi tiếp vào cổng A làm cổng A cấm, do vậy Q = 1 được duy trì. Mặt khác, Q = 1 lại hồi tiếp vào cổng B, cùng với tín hiệu R = 1 làm cho cổng B thông và lối ra Q = 0 được duy trì. Như vậy trạng thái 1 có Q = 1, Q = 0 được duy trì bền vững. Biểu đồ tín hiệu qua FF: S - Gọi là đầu thiết lập: Start – Set R - Gọi là đầu xoá: Clear – Reset Trạng thái cấm:
Khi sử dụng FF có một trạng thái mà FF không hoạt động được đó là khi tín hiệu vào S , R đồng thời bằng 0. Khi đó các lối vào Q và Q đồng thời bằng 1 như vậy FF không ổn định. Trạng thái cấm: S = R = 0. Bảng trạng thái: Sn Rn Qn+1 0 0 Cấm 0 1 1 1 0 0 1 1 Qn Phương trình đặc trưng cho FF-RS là: Qn+1 = S + R Qn và RS = 0. Với FF cấu trúc từ cổng NOR: Cấu trúc: S R Q 0 0 Q0 0 1 0 1 0 1 1 1 X Phương trình: Dựa vào bảng chân trị của cổng NOR để giải thích hoạt động của sơ đồ mạch này: S = 0, R = 1  Q = 0. Q = 0 hồi tiếp về cổng NOR A làm cho cổng NOR A có hai ngõ vào bằng 0 nên Q = 1. Vậy Q = 0 và Q = 1.
S = 1, R = 0  Q = 0. Q = 0 hồi tiếp về cổng NOR B làm cho cổng NOR B có hai ngõ vào bằng 0 nên Q = 1. Vậy Q = 1 và Q = 0. Giả sử ban đầu S = 0, R = 1  Q = 0 và Q = 1. Nếu tín hiệu ngõ vào thay đổi thành S = 0, R = 0 (R chuyển từ 1  0) ta có: + S = 0 và Q = 0  Q = 1. + R = 0 và Q = 1  Q = 0. Như vậy FF - RS giữ nguyên trạng thái cũ trước đó. Giả sử ban đầu S = 1, R = 0  Q = 1 và Q = 0. Nếu tín hiệu ngõ vào thay đổi thành R = 0, S = 0 (S chuyển từ 1  0) ta có: + R = 0 và Q = 0  Q = 1. + S = 0 và Q = 1  Q = 0. Như vậy FF - RS giữ nguyên trạng thái cũ trước đó. Các trạng thái đầu ra của FF là: Trạng thái 0: Q = 0; Q = 1. Trạng thái 1: Q=1; Q = 0. Trạng thái cấm đầu vào là: R = S = 1. Bảng trạng thái của FF:
Sn Rn Qn+1 0 0 Qn 0 1 0 1 0 1 1 1 Cấm Biểu đồ tín hiệu qua FF: Nhận xét chung cho các loại FF cấu trúc từ cổng NAND và NOR: Mạch cấu trúc từ cổng NAND lật trạng thái khi có sườn âm xung đến. Mạch cấu trúc từ cổng NOR lật trạng thái khi có sườn dương xung đến. Nhược điểm của FF-RS là điều khiển trực tiếp do xung đến. Trạng thái Cấm không thuận lợi cho sử dụng.
Như vậy gọi là FF không đồng bộ bởi vì chỉ cần một trong hai ngõ vào S hay R thay đổi thì ngõ ra cũng thay đổi theo. Flip – Flop đồng bộ: Cấu trúc: Gồm một FF - RS thông thường nhưng có thêm mạch đồng bộ do các mạch C & D. Ck là tín hiệu điều khiển đồng bộ hay tín hiệu đồng hồ (clock) Để ký hiệu cho mạch người ta dùng quy ước dấu chữ V để biểu thị mạch làm việc với sườn xung dương. Hoạt động: FF - RS không đồng bộ có khả năng tiếp nhận, xử lý và nhớ các tín hiệu nhị phân, tuy vậy nó có nhược điểm như đã nêu trên. Để khắc phục người ta đưa thêm mạch đồng bộ để FF chỉ phản ứng với tín hiệu vào chỉ khi có tín hiệu đồng bộ đưa đến. Khi Ck = 0: Các cổng C & D khoá không cho dữ liệu vào. Vì cổng vào NAND A, B có ít nhất một ngõ vào Ck = 0  S = R = 1  Q = Q0 : FF – RS giữ nguyên trạng thái trước đó ( FF nhớ trạng thái trước đó). Khi Ck = 1: Các cổng C & D mở, mạch vào thông, FF hoạt động như một FF - RS thông thường như đã biết. Như vậy những nhược điểm do trạng thái cấm vẫn còn tồn tại. Ngõ ra Q sẽ thay đổi tuỳ thuộc vào trạng thái của S và R S R Ck Q X X 1 Q0 0 1 1 Q0
S = 0, R = 0  S = 1, R = 1  Q = Q0 0 1 1 0 S = 0, R = 1  S = 1, R = 0  Q = 0 1 0 1 1 S = 1, R = 0  S = 0, R = 1  Q = 1 1 1 1 X S = 1, R = 1  S = 0, R = 0  Q = X Tuỳ thuộc vào mức tích cực của tìn hiệu đồng bộ Ck, chúng ta có các loại tín hiệu điều khiển: Ck điều khiển theo mức 1. Ck điều khiển theo mức 0. Ck điều khiển theo sườn lên (sườn trước). Ck điều khiển theo sườn xuống (sườn sau). Đối với các FF đồng bộ, các ngõ ra chỉ thay đổi trạng thái theo ngõ vào Data khi xung Ck tồn tại mức 1 (đối với tác động Các loạ mức 1), hoặc xung Ck tồn tại mức 0 (đối với FF tác động mức 0), hoặc xung Ck ở sườn lên (đối với FF tác động sườn lên), hoặc xung Ck ở sườn xuống (đối với FF tác động sườn xuống), còn tất cả các trường hợp khác của Ck thì ngõ ra không thay đổi trạng thái theo ngõ vào mặc dù lúc đó các ngõ vào có thay đổi trạng thái. b) Phân loại FF theo chức năng: Nếu xét về chức năng có thể chia ra làm 4 loại như sau: Flip – Flop RS (Là mạch duy trì trạng thái, chuyển đổi trạng thái, nhớ trạng thái tùy thuộc vào các tín hiệu lối vào RS và xung nhịp Ck). Flip – Flop D (Là mạch điện tử có trạng thái lối ra lặp lại trạng thái lối vào). Flip – Flop T (Là mạch điện có chức năng duy trì và chuyển đổi trạng thái tuỳ thuộc vào tín hiệu đầu vào T với điều kiện có xung nhịp Ck tác dụng). Flip – Flop JK (FF - JK là mạch điện có chức năng thiết lập các trạng thái 0 và 1, duy trì hoặc chuyển đổi trạng thái tuỳ thuộc vào các tín hiệu J, K và xung nhịp Ck). Do đề tài chỉ tìm hiểu về IC định thời 555 nên ta sẽ không đi sâu vào các loại FF mà chỉ xét đến loại FF – RS được dùng trong IC định thời 555.
FLIP - FLOP RS: Là mạch chức năng, thiết lập các trạng thái 0 và 1. Nó duy trì trạng thái, chuyển đổi trạng thái, nhớ trạng thái tùy thuộc vào các tín hiệu lối vào RS và xung nhịp Ck. FF có các ngõ vào và ngõ ra kí hiệu như hình vẽ. Trong đó: S, R là các ngõ vào dữ liệu. Q, Q là các ngõ ra. Ck là tín hiệu xung đồng bộ. Gọi Sn và Rn là các trạng thái ngõ vào Data ở xung Ck thứ n. Qn và Qn+1 là trạng thái của ngõ ra Q ở xung Ck thứ n và thứ n+1. Khi đó ta có phương trình đặc trưng cho FF - RS là: Qn+1 = Sn + Rn Qn SR = 0 Bảng trạng thái mô tả hoạt động của FF - RS: Sn Rn Qn+1 Hoạt động 0 0 Qn Giữ nguyên trạng thái 0 1 0 Xóa 1 0 1 Thiết lập 1 1 X Trạng thái cấm Bảng trạng thái của FF - RS được viết dưới dạng khai triển như sau:
Qn Rn Sn Qn+1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 X Cấm 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 X Cấm Trong bảng này ta thấy tín hiệu ngõ ra ở trạng thái tiếp theo (Qn+1) sẽ phụ thuộc vào tín hiệu các ngõ vào Data (R, S) và tín hiệu ngõ ra ở trạng thái hiện tại (Qn). Từ bảng khai triển ta thấy được khả năng chuyển đổi trạng thái cũng như yêu cầu của tín hiệu lối vào cho mỗi trường hợp chuyển đổi trạng thái. Từ đó ta suy ra điều kiện chuyển đổi được thể hiện như bảng sau: Qn Qn+1 Rn Sn 0 0 X 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 X Để thấy rõ sự chuyển đổi trạng thái ta dùng biểu đồ sau:
Đồ thị dạng tín hiệu của FF - RS: I.2. Khuếch đại thuật toán (Op – Amp): Mạch khuếch đại thuật toán thường được gọi tắt là OP-AMP (Operational-Amplifier), được thiết kế để thực hiện các phép toán như cộng, trừ, nhân, chia, vi phân, tích phân… trong các máy tính tương tự. Trong quá trình phát triển OP – AMP còn có thêm nhiều ứng dụng khác và trở thành linh kiện tích cực quan trọng nhất trong các mạch khuếch đại AC, mạch khuếch đại DC, mạch so sánh, mạch dao động, mạch tạo xung, mạch đo… I.2.1. Sơ đồ chân: Op-Amp là một mạch điện gồm nhiều linh kiện điện tử đã được mắc sẵn trong một con chíp tám chân có khả năng dùng để khuếch đại hiệu hai điện thế nhập.
Chân Chức năng 1 Chỉnh không. 2 Chân nhập trừ (ngõ vào đảo). 3 Chân nhập cộng (ngõ vào không đảo). 4 Chân điện nguồn -Vcc. 5 Không dùng. 6 Chân xuất (ngõ ra). 7 Chân điện nguồn +Vcc. 8 Không dùng. I.2.2. I.2.3. Ký hiệu: 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 nên người ta không 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 (điện áp chân VO so với GND). I.2.4. Ưu điểm của Op-Amp: Hai đầu vào đảo và không đảo cho phép Op-Amp khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng… thường là nguồn có tính đối xứng). Đầu ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu đầu vào nên Op-Amp có độ chống nhiễu rất cao vì khi tín hiệu nhiễu đến hai đầu vào cùng lúc sẽ không xuất hiện ở đầu ra. Cũng vì lý do này Op- Amp có khả năng khuếch đại tín hiệu có tần số rất thấp, xem như tín hiệu một chiều. Hệ số khuếch đại của Op-Amp rất lớn do đó cho phép Op-Amp khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ khoảng vài chục micro-Volt. Do các mạch khuếch đại vi sai trong Op-Amp được chế tạo trên cùng một phiến bán dẫn, nên độ ổn định nhiệt rất cao. Điện áp phân cực đầu vào và đầu ra bằng 0 khi không có tín hiệu, do đó dễ dàng trong việc chuẩn hoá khi lắp ghép giữa các khối. Tổng trở đầu vào của Op-Amp rất lớn do đó cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé. Tổng trở ra thấp, cho phép Op-Amp cung cấp dòng tốt cho phụ tải. Băng thông rất rộng, cho phép Op-Amp làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau. I.2.5. Op-Amp lý tưởng Để đơn giản trong việc tính toán trên Op-Amp thực tế, ta có thể tính toán trên Op-Amp lý tưởng. Sau đó thực hiện bổ chính các thông số trong mạch. Có thể so sánh một vài thông số giữa Op-Amp lý tưởng và Op-Amp thực tế như bảng sau: Op-Amp lý tưởng Op-Amp thực tế Độ lợi vô cùng lớn. Độ lợi 100.000  200.000. Tổng trở ngõ vào   . Tổng trở ngõ vào 106  1013  . Tổng trở ngõ ra = 0. Tổng trở ngõ ra nhỏ. Băng thông   . Băng thông hữu hạn. Dòng vào tĩnh = 0. Dòng vào tĩnh nhỏ. Dòng vào lệch = 0. Dòng vào lệch 20  30 nA.
I.2.6. Nguyên lý hoạt động Dựa vào kí hiệu của Op-Amp ta có đáp ứng tín hiệu đầu ra V0 theo các cách tín hiệu cổng vào lần lượt là đầu vào đảo nối masse, đầu vào không đảo nối masse và đưa tín hiệu vào đồng thời ở cả hai lối vào. Để việc khảo sát mang tính tổng quan, xét trường hợp tín hiệu vào vi sai so với masse (lúc này chỉ cần cho một trong hai cổng nối masse ta sẽ có hai trường hợp kia). Đường đặc tính ngõ vào - ngõ ra có 3 miền như hình vẽ. + Miền 1: Miền bảo hòa âm: Điện áp vào VIN quá bé làm cho điện áp ra (nếu có) VO=AV.VIN< -Vcc. Nhưng Op-Amp không thể xuất ngõ ra quá trị số -VCC, nên giá trị xuất ra luôn là –VCC. (dù VIN giảm liên tục, nhưng VOUT không đổi). + Miền 2: Miền khuếch đại tuyến tính: Điện áp VOUT = VIN.AV tạo thành một đường xiên. Do độ lợi AV rất cao nên miền này rất bé. (điện áp VOUT rất dễ bị bảo hòa). + Miền 3: Miền bảo hòa dương: Giống miền 1. Giá trị xuất ra luôn là +VCC. Trên thực tế người ta rất ít khi sử dụng Op-Amp làm việc ở trạng thái vòng hở vì tuy hệ số khuếch đại AV rất lớn nhưng phạm vi điện áp đầu vào mà Op-Amp khuếch đại tuyến tính lại là quá bé (khoảng vài chục đến vài trăm micro-Volt). Chỉ cần một tín hiệu nhiễu nhỏ hay bị trôi theo nhiệt độ cũng đủ làm điện áp cổng ra ở VCC . Do đó mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ dùng trong các mạch tạo xung dao động. Muốn làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính người ta phải thực hiện việc phản hồi âm nhằm giảm hệ số khuếch đại vòng hở xuống một mức thích hợp. Lúc này miền làm việc tuyến tính của Op-Amp sẽ rộng ra, Op-Amp làm việc trong chế độ này gọi là trạng thái vòng kín (Close loop). Với hồi tiếp âm ta có các dạng mạch khuếch đại căn bản như sau: a. Mạch khuếch đại đảo: (Inverting Amplifier) Dạng mạch căn bản. Zi, Zf có thể có bất kì dạng nào. Tín hiệu đưa vào ngõ vào (-). Vi có thể xoay chiều hoặc một chiều. Do Op-Amp lý tưởng nên: V1 = V2 = 0
Vi V ii = - if   0 Zi Zf Suy ra độ lợi của điện thế của mạch: V0 Z AV   f Vi Zi Nhận xét: - Khi Zf và Zi là điện trở thuần thì V 0 và Vi sẽ lệch pha 1800 (nên được gọi là mạch khuếch đại đảo và ngõ vào ( - ) được gọi là ngõ vào đảo). - Zf đóng vai trò mạch hồi tiếp âm. Zf càng lớn (hồi tiếp âm càng nhỏ), độ khuếch đại của mạch càng lớn. - Khi Zf và Zi là điện trở thuần thì Op-Amp có tính khuếch đại cả điện thế một chiều. b. Mạch khuếch đại không đảo: (Non_inverting Amplifier) Dạng mạch căn bản. Ta có: V1 = V2 = Vi Và if = ii V0  V2 if  Zf V2 V V V ii   0 2 2 Zi Zf Zi Suy ra: V0 Z Av   1 f Vi Zi Nhận xét: - Zf, Zi có thể có bất kỳ dạng nào. - VO và Vi cũng có thể có bất kỳ dạng nào. - Khi Z f, Zi là điện trở thuần thì ngõ ra VO sẽ có cùng pha với ngõ vào Vi (nên mạch được gọi là mạch khuếch đại không đảo và ngõ vào ( + ) được gọi là ngõ vào không đảo). - Zf cũng đóng vai trò hồi tiếp âm. Ðể tăng độ khuếch đại AV, ta có thể tăng Zf hoặc giảm Zi. - Mạch khuếch đại cả tín hiệu một chiều khi Zf và Zi là điện trở thuần. Mạch cũng giữ nguyên tính chất không đảo và có cùng công thức với trường hợp của tín hiệu xoay chiều. c. Op-Amp phân cực bằng nguồn đơn:
Phần trên là các đặc tính và 2 mạch khuếch đại căn bản được khảo sát khi Op-Amp được phân cực bằng nguồn đối xứng. Thực tế, để tiện trong thiết kế mạch và sử dụng, khi không cần thiết thì Op-Amp được phân cực bằng nguồn đơn; Lúc bấy giờ chân nối với nguồn âm -VCC được nối masse. Hai dạng mạch khuếch đại căn bản như sau: Người ta phải phân cực một ngõ vào (thường là ngõ vào +) để điện thế phân cực ở hai ngõ vào lúc này là VCC/2 và điện thế phân cực ở ngõ ra cũng là VCC/2. Hai điện trở R phải được chọn khá lớn để tránh làm giảm tổng trở vào của Op-Amp. Khi đưa tín hiệu vào phải qua tụ liên lạc (C2 trong mạch) để không làm lệch điện thế phân cực. Như vậy, khi phân cực bằng nguồn đơn, Op- Amp mất tính chất khuếch đại tín hiệu một chiều. Trong hình a, mạch khuếch đại đảo, C1 là tụ lọc điện thế phân cực ở ngõ vào (+). Trong hình b, mạch khuếch đại không đảo, C1 dùng để tạo hồi tiếp xoay chiều cho mạch và giữ điện thế phân cực ở ngõ vào (-) là VCC/2. Ðộ khuếch đại của mạch vẫn không đổi. I.2.7. Một số ứng dụng của Op-Amp: Mạch so sánh Op-Amp có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như: - Mạch làm toán: Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ ra là các phương trình toán học đơn giản như mạch cộng, mạch trừ, mạch tích phân, mạch vi phân… - Mạch so sánh: Đây là mạch ứng dụng trong thực tế, làm việc theo nguyên lí so sánh, một nguyên lý rất thông dụng trong các thiết bị công nghiệp. - Mạch lọc.