Báo cáo thí nghiệm mạch điện tử đề tài kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng op amp

lOMoARcPSD|10804335

ĐẠI HỌC QUỐC GIA
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH


BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MẠCH ĐIỆN TỬ

Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng Op-amp
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thanh Phương
Sinh viên thực hiện (Nhóm L06 _ Tổ 1):
Lê Văn Hiệu
MSSV: 1910188
Mai Trung Hiếu
MSSV: 1911146
Hoàng Văn Doanh
MSSV: 1912858

Ngày hoàn thành báo cáo: 08/11/2021

Thành phố Hồ Chí Minh – 2021
1
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

Mục lục
Bài 3: Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng Op – amp................................4
1. Giới thiệu chung.......................................................................................4
2. Các thí nghiệm cần kiểm chứng...............................................................4

3. Lựa chọn các dữ kiện đầu vào và phương pháp đo đạc các đại lượng.....7
4. Các kết quả thí nghiệm.............................................................................8
5. Phân tích so sánh và kết luận..................................................................14

2
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

Bài 3: KIỂM CHỨNG CÁC MẠCH ỨNG DỤNG
DÙNG OP-AMP
1. Giới thiệu chung
Mục tiêu thí nghiệm
Kiểm chứng các mạch ứng dụng dùng Op – amp:
 Hiểu được nguyên lý hoạt động, cấu trúc và chức năng của từng mạch Op
– amp khác nhau.
 Biết cách lắp mạch trên module, mô phỏng mạch trên phần mềm LT Spice
XVII để được các mạch cần kiểm chứng, phân biệt cực đảo, cực đảo để
tránh nhầm lẫn. Ngoài ra ta cần đảm bảo mạch được cấp nguồn DC.
 Biết cách sử dụng máy phát sóng, dao động kí để tạo sóng phù hợp đưa
vào Op – amp ( sóng sin, sóng vng, sóng tam giác), điều chỉnh biên độ
ngõ vào để ngõ ra không méo dạng, quan sát trên dao động kí, điều chỉnh
vol/div, time/div để quan sát thuận tiện rồi vẽ lại dạng sóng.
 So sánh kết quả mô phỏng và lý thuyết các mạch ( độ lợi áp, dạng sóng
ngõ ra): mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch đại không đảo, mạch khuếch
đại cộng điện áp, mạch khuếch đại trừ điện áp, mạch so sánh, mạch
Schmitt Trigger, mạch tạo sóng vng và sóng tam giác, rồi đưa ra nhận
xét, kết luận.
Phần mềm thí nghiệm: Ltspice

Module thí nghiệm : OPAMPLABSN001
2. Các thí nghiệm cần kiểm chứng
2.1. Mạch khuếch đại đảo
• Sơ đồ mạch

Hình 2.1: Mạch khuếch đại đảo
• Phân tích lý thuyết và cơng thức tính tốn

3
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

- Chức năng: Khuếch đại đảo điện áp ngõ vào ( tức ngõ ra ngược pha với
ngõ vào).
- Cấu tạo: mạch có tín hiệu vào qua điện trở Ri nối với cổng đảo (V-), tại
cổng ra tín hiệu hồi tiếp thông qua điện trở RF về cổng đảo. Cổng không
đảo (V+) được nối đất.
- Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ ra chỉ phụ thuộc vào các giá trị Ri , RF,
nên ta lưu ý trong quá trình chọn linh kiện lắp mạch, vì tính chất là mạch
khuếch đại nên RF ≥ Ri
- Điện áp ngõ ra ngược pha với điện áp ngõ vào.
- Nếu Ri = RF , mạch tạo tầng đảo lặp lại điện áp.
- Áp dụng KCL tại nút

:

= AV

• Đồ thị từ lý thuyết phân tích

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

4
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

2.2. Mạch khuếch khơng đảo
•Sơ đồ mạch

Hình 2.2: Mạch khuếch đại khơng đảo
• Phân tích lý thuyết và cơng thức tính tốn
- Chức năng: khuếch đại điện áp ngõ vào
- Cấu tạo: Tín hiệu vào kết nối với cổng khơng đảo. Cổng đảo nối với đầu
ra qua điện trở RF và tiếp đất qua điện trở RG.
- Mạch có hệ số khuếch đại áp ngõ ra chỉ phụ thuộc vào các giá trị RG , RF.
Vì tích chất khuếch đại nên ta cần lưu ý chọn linh kiện có RF RG
- Điện áp ngõ ra cùng pha với điện áp ngõ vào.
- Nếu RF = 0 => AV = 1 , mạch dùng làm bộ đệm, áp giữ nguyên giá trị ngõ
vào, tổng trở vào lớn, tổng trở ngõ ra nhỏ.

Vi Vo  Vi
V
R

 AV  o 1  F
R

RF
Vi
RG
- Áp dụng KCL tại nút: G
• Đồ thị từ lý thuyết phân tích

5
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

• Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice (ứng với RG = 22kΩ)

2.3. Mạch khuếch cộng điện áp
•Sơ đồ mạch

Hình 2.3: Mạch khuếch đại cộng điện áp
• Phân tích lý thuyết và cơng thức tính tốn
6
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

- Chức năng khuếch đại thuật toán cộng.
- Mạch khuếch đại đảo với cửa đảo Vs- nối với nhiều điện áp ngõ vào thông
qua các điện trở Ri
- Mạch khuếch đại tín hiệu ngõ ra bằng tổng các tín hiệu ngõ vào nhưng
ngược pha.

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

Ri1 Ri 2 Ri  V0 

 RF
(V1  V2 )
Ri

Ta có :
• Sơ đồ mạch thí nghiệm trên LTspice (ứng với RF = 12kΩ, V2= 3V)

• Mạch khuếch đại trừ điện áp

7
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

Hình 2.4: Mạch khuếch đại trừ điện áp Chức năng: mạch khuếch đại theo thuật toán trừ.
- Mạch khuếch đại Op-amp với cửa đảo được nối với điện trở hồi tiếp RF,
tín hiệu ngõ vào V2 qua điện trở Ri2. Cửa không đảo được mắc với điện trở
RF song song với tín hiệu ngõ vào V1 qua điện trở Ri1.
- Mạch khuếch đại có tín hiệu ngõ ra bẳng hiệu các tín hiệu ngõ vào.

- Ta có : V+ = V
mà V
Ta có Ri1
2.2. Với các mạch so sánh và tạo sóng

• Mạch so sánh

8
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

Hình 2.5: Mạch so sánh
- Mạch Op-amp có cực đảo nối với điện thế so sánh Vref , cực thuận nối với
điện thế chuẩn Vi . Với giá trị rất lớn của hệ số khuếch đại, mạch khuếch
đại op-amp cho tín hiệu ra V0 ở các mức giá trị :
+ Khi Vi < Vref thì

0

++
=

𝑆𝑆𝑆

= 10 (thực tế nhóm đo được)
0
+ Khi Vi > Vref thì 𝑆0 =
− −𝑆𝑆𝑆 =
0 0(thực tế nhóm đo được)
−1

- Mạch tạo sóng vng ở ngõ ra (có độ dốc
nhỏ).

- Khi v2 > v1, v0 dần về vH (+vsat)
- Khi v2 < v1, v0 dần về vL (-vsat).

• Mạch Schmitt Trigger

Hình 2.6: Mạch Schimitt Trigger
- Mạch so sánh có hai biên so sánh và vùng đệm giữ VTH và VTL.
- Mạch khuếch đại Op-amp, cực đảo nối với tín hiệu ngõ vào so sánh Vi ,
cực khơng đảo nối với tín hiệu ngõ ra với điện trở hồi tiếp RF song song
với điện trở RG.
- Chức năng : Giống mạch so sánh nhưng có tính năng là lọc nhiễu .
- Lý thuyết : 𝑆+ không là hằng số mà dao động trong khoảng (VTL, VTH) :

9
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

• Mạch tạo sóng vng và sóng tam giác

Hinh2.7: Mạch tạo sóng vng và sóng tam giác
+ Mạch 1 : Mạch Schmitt Trigger mức điện áp VS- = 0 ở cực đảo, điện áp
ngõ vào là điện áp ra Vo1 của mạch 2 mắc vào cực thuận có hồi tiếp RF qua
điện trở Ri sao cho ngõ ra Vo1 bị méo dạng thành xung vng. + Mạch 2 :
Mạch tích phân (ngõ ra là hàm tích phân ngõ vào) với cực khơng đảo nối
đất, cực đảo với tín hiệu vào là điện áp ra Vo1 của mạch 1 qua điện trở R

10
Downloaded by Con Ca ()

lOMoARcPSD|10804335

và tụ hồi tiếp. Điện áp ra bằng tích phân điện áp vào, tỉ lệ nghịch với hằng
số thời gian
RC
Vo2
là hằng số thời gian .
3. Lựa chọn dữ kiện đầu vào và phương pháp đo đạc các đại lượng
3.1. Với các mạch khuếch đại
- Lắp mạch theo các sơ đồ mạch điện trên module.
- Cấp nguồn DC cho các Op- amp : +12V và -12V.
- Các 𝑆𝑆 chọn 12kΩ, 𝑆𝑆 chọn đo 2 lần trong 3 giá trị 12kΩ, 22kΩ và 68kΩ
- Chọn Vi để Vo không bị méo dạng ( dựa vào điện áp ngưỡng ngõ ra):
Vsat+ = 10,46V

- Đọc giá trị biên độ đỉnh – đỉnh của tín hiệu ngõ vào và ngõ ra trên dao
động ký và điền kết quả thu được vào bảng số liệu
- Các thơng số cài đặt:
• Ngõ vào xoay chiều sóng sine: Vin = Vm.sin(2πft) V với f = 1kHz

11
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

• Thời gian mơ phỏng: 2ms

3.2. Với các mạch so sánh và tạo sóng
- Lắp mạch theo các sơ đồ mạch điện trên module.

12
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

- Cấp nguồn DC cho các Op- amp : +12V và -12V.
- Các 𝑆𝑆 chọn 12k, 𝑆𝑆 chọn đo 2 lần 12k và 22k
- Cho 𝑆𝑆 vào CH1, 𝑆𝑆 vào CH2 của dao động ký, quan sát các dạng sóng,
tính độ lợi áp và so sánh kết quả thí nghiệm với lý thuyết. - Chọn Vi thích
hợp:
+ Mạch so sánh: Chọn giá trị Vref = 5V. Chọn biên độ Vi lần lượt lớn hơn
Vref và nhỏ hơn Vref để được 2 dạng sóng ngõ ra khác nhau.
+ Mạch Schmitt Trigger: Với 𝑆𝑆 2
= 66
12
∈ (− 6, 6) ; với 𝑆𝑆 =
22 𝑆33
∈ (−4.23; 4,2 3).
+ Mạch tạo sóng vng và sóng tam giác: chọn (𝑆𝑆, , ) =
(22, 5. 6, 0.2 2), (6 8, 1 0, 0.04 7).
262807
4. Các kết quả thí nghiệm
4.1. Mạch khuếch đại đảo
RF

Vi-pp

Vo-pp

Av

12kΩ

1.995V

-1.802V

-0.903

22kΩ

3.816V

-7.335V

-1.922

68kΩ

1.279V

-7.668V

-5.995

Hình 4.1.1: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 12kΩ

13
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

Hình 4.1.2: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 22kΩ

Hình 4.1.3: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 68kΩ
4.2. Mạch khuếch đại không đảo
RF

Vi-pp

Vo-pp

Av

12kΩ

4.989V

9.494V

1.903

22kΩ

1.996V

5.832V

2.922

68kΩ

1.209V

8.455V

6.993

14
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

Hình 4.2.1: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RG = 12kΩ

Hình 4.2.2: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RG = 22KΩ

Hình 4.2.3: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RG = 68KΩ

15
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

4.3. Mạch khuếch đại cộng điện áp

RF

V2

Vomax  Vomin
2

2V

3V

 1.196  (  4.803)
1.804
2
V

0.8V

3V

1.45V

Vi-pp

12kΩ
22kΩ

Hình 4.4: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 12kΩ
4.4. Mạch khuếch đại trừ điện áp
RF

Vi-pp

Vo-pp

12kΩ

6V

6V

22kΩ

0.8V

1.5V

16
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

Hình 4.5: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 12kΩ

Hình 4.6: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp RF = 22kΩ
4.5. Mạch so sánh

Vi-pp

Vref

Vo-pp

19.9V

5V

Xung vuông

8.36V

5V

Đường thẳng

17
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

Hình 4.7: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp Vi lớn hơn Vref

Hình 4.8: Dạng sóng ngõ vào/ra trường hợp Vi bé hơn Vref
4.6. Mạch Schimitt Trigger
RF

vH

vL

vTH

vTL

12kΩ

10V

-10V

5V

-5V

22kΩ

10V

-10V

4.36V

-4.36V

18
Downloaded by Con Ca ()

lOMoARcPSD|10804335

Hình 4.9: Dạng sóng ngõ vào/ra khi RF = 12kΩ

Hình 4.8: Dạng sóng ngõ vào/ra khi RF = 22kΩ
4.7. Mạch tạo sóng vng và sóng tam giác
- Trường hợp: (RF ,R ,C ) = ( 22kΩ, 5.6kΩ, 0.22μF ).

19
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

- Trường hợp: (RF ,R ,C ) = ( 68kΩ ,10kΩ ,0.047μF ).

5. Phân tích so sánh và kết luận
5.1. Mạch khuếch đại đảo
Theo lý thuyết:

20
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

→ Vậy kết quả dạng sóng 𝑆 𝑆,
Op-amp hoạt động tốt.

𝑆

khảo sát giống với lý thuyết, sai số rất nhỏ do

5.2. Mạch khuếch đại không đảo
Theo lý thuyết

:

→ Vậy kết quả dạng sóng 𝑆𝑆, 𝑆 khảo sát giống với lý thuyết, sai số rất nhỏ do
Op-amp hoạt động tốt.
5.3. Mạch khuếch đại cộng điện áp
Theo lý thuyết: Vo
Với 𝑆 𝑆 = 12k, 𝑆𝑆 2
= 12

𝑆−1−𝑆𝑆 8(ó
= 1.8(ó

sin )

, 𝑆2 =
5 5 :

 𝑆𝑆 có biên độ 𝑆− =
2 2, dao động tại vị trí cân bằng -5V, ngược pha 𝑆𝑆1
 Kết quả khảo sát giống với lý thuyết
Với 𝑆𝑆 = 22kΩ, 𝑆𝑆 2
= 12 𝑆1−𝑆𝑆

8(ó
= 0.8 (ó sin ), 𝑆2 =
5 5:
−
 𝑆𝑆 có biên độ 𝑆− 5
= 1.45, dao động tại vị trí cân bằng -5V, ngược pha
𝑆𝑆1
 Kết quả khảo sát gần giống với lý thuyết, sai lệch do sai số thiết bị đo.

21
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

5.4. Mạch khuếch đại trừ điện áp
Theo lý thuyết: Vo
Với 𝑆𝑆 = 12kΩ, 𝑆𝑆 2
= 12 𝑆1−𝑆𝑆
=
6
(ó 6(ó sin )
−

, 𝑆2 =
5 5:

 𝑆𝑆 có biên độ 𝑆− =
6 6, dao động tại vị trí cân bằng -5V, cùng pha 𝑆𝑆1
 Kết quả khảo sát giống với lý thuyết

Với 𝑆𝑆 = 22kΩ, 𝑆𝑆 2
= 12, 𝑆1−𝑆𝑆
= 0.8 (ó sin ), 𝑆2 =
8(ó
5 5:
−
 𝑆𝑆 có biên độ 𝑆− 5
= 1.5, dao động tại vị trí cân bằng -5V, ngược pha
𝑆𝑆1
 Kết quả khảo sát gần giống với lý thuyết, sai lệch do sai số thiết bị đo.

5.5.

Mạch so sánh

Theo lý thuyết: khi 𝑆𝑆 > 𝑆𝑆𝑆𝑆 thì 𝑆𝑆 = 𝑆 ( mức điện áp thấp) , khi khi 𝑆𝑆 < 𝑆𝑆𝑆𝑆 thì
𝑆𝑆 = 𝑆 ( mức điện áp cao).
Chọn Vre f= 5V
Vi-pp=19.9: Khi 𝑆𝑆 > 5V thì 𝑆𝑆 = 𝑆, 𝑆𝑆 < 5V thì 𝑆𝑆 =

𝑆

→ Kết quả khảo sát giống với lý thuyết
Vi-pp = 8.36: Biên độ Vi < 5V nên 𝑆𝑆=𝑆𝑆
→ Kết quả khảo sát giống với lý thuyết

5.6.

Mạch Schimitt Trigger

Theo lý thuyết:

22
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

Khi Vi > 𝑆𝑆𝑆: Vo= 𝑆𝑆𝑆( bão hòa âm)
Khi Vi < 𝑆𝑆𝑆: Vo= 𝑆𝑆𝑆( bão hòa dương)
Cả 2 lần đo: 𝑆𝑆𝑆 0
= 10,

𝑆𝑆

= −10
0

𝑆𝑆 2
= 12:

Khi Vi>5: Vo=-10V
Khi Vi<-5: Vo= 10V
 Kết quả khảo sát giống với lý thuyết

 Kết quả đo có sai lệch so với lý thuyết, nguyên nhân do sai số dụng cụ đo là,
nhầm lẫn khi đọc các giá trị trên máy phát sóng, cursor của biên độ và của
thời gian không thể hiện thị cùng lúc để đọc chính xác các giá trị
𝑆𝑆𝑆 , 𝑆𝑆 .
5.7. Mạch tạo sóng vng và sóng tam giác

Với 𝑆𝑆=22k, 𝑆𝑆 2
= 12 Theo lý thuyết:

 Vậy kết quả khảo sát sai lệch với lý thuyết so tín hiệu qua các Op-amp bị
delay thời gian và quá trình nạp xả của tụ điện không đồng đều.

23
Downloaded by Con Ca ()


lOMoARcPSD|10804335

24
Downloaded by Con Ca ()