Bài giảng Trang bị điện-điện tử trong máy công nghiệp - Chương: Cơ bản về điện tử - Phần II: Op-amp - Ngô Hà Quang Thịnh

Nội dung text: Bài giảng Trang bị điện-điện tử trong máy công nghiệp - Chương: Cơ bản về điện tử - Phần II: Op-amp - Ngô Hà Quang Thịnh

1. Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Đại Học Bách Khoa Khoa Cơ Khí Bộ Môn Cơ Điện Tử Môn Học: Trang Bị Điện-Điện Tử Trong Máy Công Nghiệp Cơ Bản Về Điện Tử Phần II: Op-amp TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
2. Op-amp
3. Bộ Khuếch Đại Thuật Toán (Op-amp) Đặc tính của một Op-amp lý tưởng Op-amp là một mạch khuếch đại tuyến tính với : - hệ số khuếch đại mạch hở rất lớn: A = 100000+ - trở kháng vào lớn: Rin 1 M - trở kháng ra thấp: Rout = 50-75  vsat = 0.8Vcc TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
4. Bộ Khuếch Đại Thuật Toán (Op-amp) 5 giả thiết về đặc tính làm việc lý tưởng của Op-amp trong vùng làm việc tuyến tính • Hệ số khuếch đại vô cùng lớn, A = ∞ v1 = v2 • Trở kháng vào vô cùng lớn: Rin = ∞ i1 = i2 = 0 • Trở kháng ra vô cùng bé: Rout = 0 Không tiêu hao năng lượng • Băng thông vô cùng lớn Không giới hạn tần số làm việc • Đường đặc tuyến luôn đi qua điểm gốc tọa độ Vout = 0 (khi v1 = v2) Đặc tính làm việc của các mạch Op-amp ứng dụng (hệ số khuếch đại, trở kháng, và đáp ứng tần số) đều được xác định bởi các linh kiện (điện trở, tụ điện) được nối trong mạch. TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
5. Các Mạch Op-amp Cơ Bản • Mạch so sánh TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
6. Các Mạch Op-amp Cơ Bản TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
7. Các Mạch Op-amp Cơ Bản • Mạch khuếch đại đảo Thí dụ: một phần tử đo sơ cấp có tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến 100 mV khi biến được đo thay đổi trong toàn bộ phạm vi hoạt động. Thiết kế mạch khuếch đại đảo để tạo ra một tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến -5 V. Giải: Hệ số khuếch đại: A = 5 / 0.1 = 50 Chọn Lưu ý: giá trị của Ri thường được chọn sao cho: TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
8. Các Mạch Op-amp Cơ Bản • Mạch tổng Nếu Thí dụ: Theo thước đo về sự thoải mái, hệ thống điều hòa của một tòa nhà sẽ hoạt động khi tổng giá trị trả về từ bộ cảm biến nhiệt độ và bộ cảm biến độ ẩm là 1 V. Điện áp ngưỡng để kích hoạt hệ thống điều hòa là 5 V. Thiết kế mạch giao tiếp để kết nối tín hiệu của hai bộ cảm biến với hệ thống điều hòa. TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
9. Các Mạch Op-amp Cơ Bản • Mạch khuếch đại vi sai Nếu và TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
10. Các Mạch Op-amp Cơ Bản TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
11. Các Mạch Op-amp Cơ Bản Thí dụ: Tín hiệu hằng số 100 mV áp vào một mạch tích phân. Mạch có trở kháng là 10 k và điện dung là 1 F. • Xác định biểu thức của tín hiệu ngõ ra ở thời điểm t2. • Nếu t1 = 5 s và vout(t1) = +10 V, xác định thời điểm t2 khi Op-amp đạt đến trạng thái bảo hòa (ở giá trị -16 V). Giải: TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
12. Các Mạch Op-amp Cơ Bản • Mạch tạo hàm Là mạch mà tín hiệu ra là một hàm phi tuyến đối với tín hiệu vào. Mạch này được tạo nên bằng cách thay đổi một trong hai điện trở của mạch khuếch đại đảo bằng một phần tử mà có đặc tính volt-ampere phi tuyến. Mạch tạo hàm căn bậc hai TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
13. Xử Lý Tín Hiệu Tương Tự • Khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu - Khuếch đại đảo / không đảo / vi sai - chuyển đổi dòng điện sang điện áp / điện áp sang dòng điện TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
14. Xử Lý Tín Hiệu Tương Tự • Mạch cầu Wheatstone - Một số cảm biến sơ cấp chuyển đổi giá trị của tín hiệu được đo thành giá trị điện trở. - Mạch cầu Wheatstone là phương pháp phổ biến để xác định sự thay đổi nhỏ về điện trở của một phần tử. TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
15. Xử Lý Tín Hiệu Tương Tự Xác định giá trị Rs (từ phần tử cảm biến) bằng mạch cầu tự cân bằng Giá trị điện trở từ phần tử cảm biến sơ cấp Rs được thể hiện qua giá trị dòng điện ở ngõ ra của bộ điều khiển cân bằng (null controller) – có chức năng duy trì mạch cầu luôn ở trạng thái cân bằng. TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
16. Xử Lý Tín Hiệu Tương Tự Xác định giá trị Rs (từ phần tử cảm biến) bằng mạch cầu bất đối xứng Giá trị điện trở từ phần tử cảm biến sơ cấp Rs được thể hiện qua giá trị điện áp của mạch khuếch đại thiết bị - giá trị điện áp này tỉ lệ với sự chênh lệch giữa gíá trị Rs và giá trị Rbal (là giá trị của Rs khi mạch cầu ở trạng thái cân bằng). TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
17. Xử Lý Tín Hiệu Tương Tự Ứng dụng mạch cầu Wheastone trong Loadcell - Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của thân loadcell. -Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
18. Xử Lý Tín Hiệu Tương Tự Bộ lọc thông thấp Mạch lọc thụ động Mạch lọc tích cực TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
19. Xử Lý Tín Hiệu Tương Tự Thí dụ: Xét mạch lọc tích cực 2 tầng với hằng số thời gian  = 0.01. Xác định độ suy giảm tín hiệu ở tần số 60 Hz. Giải: Thế s = j = 377j vào trong hàm truyền TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
20. Xử Lý Tín Hiệu Tương Tự Xét  = 1, mạch lọc 1 tầng Xét  = 1, mạch lọc 2 tầng TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
21. Xử Lý Tín Hiệu Tương Tự Bộ lọc thông cao / thông dãy / chắn dãy Mạch lọc thông cao Mạch lọc chắn dãy Mạch lọc thông dãy TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
22. Xử Lý Tín Hiệu Tương Tự Hệ thống decibels rất tiện lợi trong việc tính hệ số khuếch đại của cả hệ thống. Lưu ý: TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
23. Xử Lý Tín Hiệu Tương Tự - Đường cong của bộ tuyến tính đối xứng với đường đặc tính của phần tử phi tuyến qua đường thẳng x = y. - Đường cong của bộ tuyến tính có thể được nội suy xấp xỉ bằng tập hợp những đoạn thẳng. TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
24. Xử Lý Tín Hiệu Số Trong những hệ thống điều khiển số, những công việc sau đây luôn hiện hữu. • Chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (hệ thống thu nhận dữ liệu) • Chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (hệ thống phân phối dữ liệu) và chúng liên quan đến hai vấn đề: lấy mẫu dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu. • Lấy mẫu - Để rút ra những thông tin quan trọng của tín hiệu được đo (tín hiệu tương tự) - Với những thông tin đã có, bộ điều khiển số có thể xử lý và tái tạo lại tín hiệu gốc ban đầu . TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
25. Xử Lý Tín Hiệu Số Mạch lấy mẫu và giữ - Để lấy mẫu, công tắc được đóng lại trong một khoảng thời gian đủ để tụ nạp đến giá trị Vin. Khi công tắc được nhả ra, giá trị điện thế được giữ nguyên. - Thời gian công tắc đóng lại (t) được xác định như sau (trong khoảng thời gian này, tụ có thể nạp đến 99% giá trị Vin) TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
26. Xử Lý Tín Hiệu Số Định lý lấy mẫu (tiêu chuẩn Nyquist) Tất cả thông tin của tín hiệu gốc có thể được phục hồi nếu nó được lấy mẫu với tần số (fs) lớn gấp ít nhất 2 lần tần số cao nhất (fh) trong tín hiệu gốc. Thời gian lấy mẫu: Tần số bí danh (Alias frequency) Khi một tín hiệu được lấy mẫu với tần số (fs) nhỏ hơn hai lần tần số cao nhất (fh) trong tín hiệu gốc, thành phần có tần số cao sẽ được nhận diện ở thành phần có tần số thấp hơn (tần số bí danh). TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
27. Xử Lý Tín Hiệu Số Thí dụ: Một tín hiệu dao động 10 Hz được lấy mẫu ở tần số 12 Hz. Hãy cho biết với tần số lấy mẫu này, thì tín hiệu nguồn nên có tần số cao nhất là bao nhiêu mới có thể nhận diện được đúng? Xác định tần số bí danh (alias frequency) Giải: Tần số Nyquist Đây chính là tần số cao nhất mà có thể được nhận diện đúng ở tần số lấy mẫu 12 Hz. Những tần số cao hơn fN sẽ bị nhận diện ở tần số bí danh fa (0 fa fN). Ta có: Kết quả trên có nghĩa là tín hiệu 10 Hz được lấy mẫu ở tần số 12 Hz sẽ cho kết quả giống như một tín hiệu 2 Hz được lấy mẫu ở tần số 12 Hz. TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
28. Xử Lý Tín Hiệu Số Thí dụ: Cho tín hiệu sau: . Xác định tần số lấy mẫu và chu kỳ lấy mẫu để tránh gây ra sai số. Giải: N N.t = mT m 1 0.05 0.2 2 0.10 0.4 3 0.15 0.6 4 0.20 0.8 5 0.25 1.0 Lấy mẫu 5 lần với tần số lấy mẫu là 20 TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
29. Xử Lý Tín Hiệu Số • Chuyển đổi dữ liệu (số - tương tự) Lưu ý: khi n càng lớn, vomax tiến dần đến vFS TS. NgôTS. HàNgô Quang Hà Quang Thịnh, Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
30. Giới Thiệu - Khuếch đại là quá trình biến đổi một đại lượng (dòng điện hay điện áp) từ biên độ nhỏ thành biên độ lớn mà không làm thay đổi dạng của nó - Khi xét BJT hoạt động dưới điều kiện tín hiệu nhỏ (sự thay đổi của tín hiệu vào đủ nhỏ) thì có thể xem BJT như một bộ khuếch đại AC TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
31. Giới Thiệu - Điện trở ngõ vào của 1 bộ khuếch đại là tổng trở tương đương tại các đầu ngõ vào của nó. - Công suất ngõ vào AC: TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
32. Giới Thiệu - Khuếch đại dòng: + Dòng ngõ vào bộ khuếch đại: + Dòng ngõ ra: → để có độ lợi dòng là Ai thì rs >> rin TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
33. Giới Thiệu - Tương tự, khi xét đến bộ khuếch đại dòng, ta có: + Dòng trên tải: → để có áp rơi tối đa trên tải thì ro >> rL + Độ lợi dòng tổng: + Để truyền công suất cực đại thì cần có sự phối hợp trở kháng: - Từ nguồn tín hiệu đến bộ khuếch đại: rs = rin - Từ bộ khuếch đại đến tải: rout = rL TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
34. Các Chế Độ Làm Việc - Chế độ A (Lớp A) Khi chọn điểm Q nằm khoảng giữa đoạn MN trên đường tải xoay chiều, ta nói phần tử khuếch đại làm việc ở chế độ A: + Khuếch đại trung thực, ít méo phi tuyến + Dòng & áp tĩnh luôn khác không. Biên độ dòng và áp xoay chiều lấy ra tối đa chỉ bằng dòng và áp tĩnh. Do đó hiệu suất thấp (25%) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
35. Các Chế Độ Làm Việc - Định nghĩa hiệu suất η: đo bằng tỷ số giữa công suất của tín hiệu xoay chiều đưa ra trên tải và tổng công suất tầng khuếch đại tiêu thụ của nguồn cung cấp - Chế độ A thường dùng cho các tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ - Chế độ B (Lớp B) - Khi chọn điểm Q nằm trùng với D (hoặc N) thì phần tử khuếch đại làm việc ở chế độ B lý tưởng (hoặc thực tế): - Méo phi tuyến trầm trọng - Hiệu suất cao (Bmax = 78.5%) - Thường dùng trong các tầng khuếch đại công suất (tầng cuối của các thiết bị khuếch đại TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
36. Mạch Khuếch Đại Dùng FET
37. Phân Loại FET JFET MOSFET DE-MOSFET E-MOSFET N P N P N P TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
38. Ưu Nhược Điểm FET So Với BJT - Ưu điểm: + Dòng điện qua transistor chỉ do một loại hạt dẫn đa số tạo nên. Do vậy FET là loại cấu kiện đơn cực (unipolar device) + FET có trở kháng vào rất cao + Tiếng ồn trong FET ít hơn nhiều so với transistor lưỡng cực + Nó không bù điện áp tại dòng ID = 0 và do đó nó là cái ngắt điện tốt + Có độ ổn định về nhiệt cao + Tần số làm việc cao - Nhược điểm: + Nhược điểm chính của FET là hệ số khuếch đại thấp hơn nhiều so với transistor lưỡng cực TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
39. So Sánh FET So Với BJT - Giống nhau: + Sử dụng làm bộ khuếch đại + Làm thiết bị đóng ngắt bán dẫn + Thích ứng với những mạch trở kháng - Khác nhau: + BJT phân cực bằng dòng, còn FET phân cực bằng điện áp + BJT có hệ số khuếch đại cao, FET có trở kháng vào lớn + FET ít nhạy cảm với nhiệt độ, nên thường được sử dụng trong các IC tích hợp + Trạng thái ngắt của FET tốt hơn so với BJT TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
40. Nguyên Lý Hoạt Động - Khi transistor làm việc, thông thường cực nguồn S được nối với đế và nối đất nên US=0. - Các điện áp đặt vào các chân cực cửa G và cực máng D là so với chân cực S - Nguyên tắc cung cấp nguồn điện cho các chân cực sao cho hạt dẫn đa số chạy từ cực nguồn S qua kênh về cực máng D để tạo nên dòng điện ID trong mạch cực máng - Còn điện áp đặt trên cực cửa có chiều sao cho MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn hoặc ở chế độ nghèo hạt dẫn - Nguyên lý làm việc của hai loại transistor kênh P và kênh N giống nhau chỉ có cực tính của nguồn điện cung cấp cho các chân cực là trái dấu nhau - Đặc tính truyền đạt: ID = f(UGS) khi UDS = const TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
41. Cấu Tạo MOSFET Kênh Cảm Ứng - Transistor trường loại MOS kênh cảm ứng còn gọi là MOSFET chế độ giàu (Enhancement-Mode MOSFET viết tắt là E-MOSFET) - Khi chế tạo MOSFET kênh cảm ứng người ta không chế tạo kênh dẫn - Do công nghệ chế tạo đơn giản nên MOSFET kênh cảm ứng được sản xuất và sử dụng nhiều hơn P N P N P N a). JFET b). MOSFET kênh sẵn c). MOSFET kênh cảm ứng TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
42. Tóm Tắt MOSFET MOSFET type Vgs >0 Vgs =0 Vgs <0 N-Channel DE-MOSFET ON ON OFF N-Channel E-MOSFET ON OFF OFF P-Channel DE-MOSFET OFF ON ON P-Channel E-MOSFET OFF OFF ON TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
43. Phân Cực Theo Kiểu Hiếm - Phân cực tự động: ID(mA) +VDD IDSS iD RD Đường phân cực D i 1 G G IVD GS RS Q I S DQ RG iS RS 0 VGS(Off) VGSQ VGS(V) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
44. Phân Cực Theo Kiểu Tăng - Phân cực bằng cầu chia điện thế: ID(mA) +VDD=+18V 10.67 iD 10 R1 RD 1.8k 110M D IDQ 7.6 Q i =6mA iG DSS VGS(Off)=-3V G S R2 iS R 150Ω 10M S 0 V VGS(Off) -1 G VG S 1 VGS(V) -3V Q 1.5 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
45. The End 89