Mạch so sánh hay Comparator, còn gọi là Op-Amp Comparator trong kỹ thuật điện tử là phần tử thực hiện so sánh hai giá trị điện áp hoặc dòng điện đưa tới ngõ vào thuận và đảo, và cho ra kết quả nhị phân biểu hiện giá trị thuận có lớn hơn không. Phần lớn mạch được chế phục vụ so điện áp
Bộ so sánh điện áp là một mạch so sánh hai điện áp, chuyển đầu ra sang trạng thái cao hay thấp tùy thuộc vào điện áp nào cao hơn. Mạch so sánh điện áp hoạt động dựa trên opamp. Hình 1 hiển thị mạch so sánh điện áp ở chế độ đảo và Hình 2 hiển thị mạch so sánh điện áp ở chế độ không đảo.
Mạch so sánh không đảo
Trong mạch so sánh không đảo, điện áp tham chiếu được đặt vào đầu vào đảo ngược và điện áp so sánh đặt vào đầu vào không đảo. Bất cứ khi nào điện áp so sánh [Vin] vượt quá điện áp tham chiếu, đầu ra của opamp sẽ chuyển sang bão hòa dương [V+] và ngược lại. Trên thực tế những gì xảy ra là sự khác biệt giữa Vin và Vref, [Vin – Vref] sẽ là một giá trị dương và được khuếch đại đến vô cùng bởi opamp. Do không có điện trở phản hồi Rf, opamp ở chế độ vòng hở do đó độ lợi điện áp [Av] sẽ gần với vô cực. Vì vậy, điện áp đầu ra dao động đến giá trị tối đa tức là V+. Phương trình Av = 1 + [Rf / R1]. Khi Vin xuống dưới Vref, điều ngược lại xảy ra.
Phần lớn mạch được chế phục vụ so điện áp.
Thuật ngữ Comparator thường được dùng với ý nghĩa này. Khi cần phân biệt thì dùng Op-Amp Comparator, ví dụ phân biệt với các mạch so sánh số là “Digital comparator”. Đôi khi mạch còn được gọi là ADC 1 bit
Nguyên lý hoạt động
Mạch gồm hai phầnː mạch ngõ vào là một khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch lớn, và mạch ngõ ra thông dụng của các mạch logic.
Theo biểu diễn trong ký hiệu mạch so sánh, với V1 ở ngõ vào thuận, thì
Nếu V1 > V2, Vout là logic 1 [high] Nếu V1 < V2, Vout là logic 0 [low] Sự bất định xảy ra khi V1 ≈ V2, nhưng thường được khử bằng các phản hồi dương để tạo trễ.[2]
Đặc trưng trễ giống như đối với Trigger Schmitt.
Mạch so sánh đảo ngược
Bộ khuếch đại đảo ngược sử dụng opamp là một bộ khuếch đại sử dụng opamp trong đó dạng sóng đầu ra sẽ ngược pha với dạng sóng đầu vào. Dạng sóng đầu vào sẽ được khuếch đại theo hệ số Av [độ lợi điện áp của bộ khuếch đại] theo độ lớn và pha của nó sẽ bị đảo ngược. Trong mạch khuếch đại đảo ngược, tín hiệu được khuếch đại được nối với đầu vào đảo ngược của opamp thông qua điện trở đầu vào R1. Rf là điện trở hồi tiếp. Rf và Rin cùng xác định độ lợi của bộ khuếch đại. Điện áp khuếch đại đảo ngược được biểu thị bằng phương trình Av = – Rf / R1. Sơ đồ mạch của bộ khuếch đại đảo ngược cơ bản sử dụng opamp được hiển thị bên dưới.
Trong trường hợp bộ so sánh đảo ngược, điện áp tham chiếu được đặt vào đầu vào không đảo và điện áp so sánh đặt vào đầu vào đảo ngược. Bất cứ khi nào điện áp đầu vào [Vin] vượt quá Vref, đầu ra của opamp sẽ chuyển sang bão hòa âm. Ở đây, sự khác biệt giữa hai điện áp [Vin-Vref] được đảo ngược và khuếch đại đến vô cùng bởi opamp. Phương trình Av = -Rf / R1. Phương trình tăng điện áp ở chế độ đảo ngược là Av = -Rf / R1. Vì không có điện trở phản hồi, độ lợi sẽ gần với vô cực và điện áp đầu ra sẽ càng âm hay V-.
Mạch so sánh điện áp thực tế sử dụng uA741
Dưới đây là mạch so sánh không đảo ngược thực tế dựa trên opamp uA741. Ở đây, điện áp tham chiếu được đặt bằng cách sử dụng mạng phân chia điện áp bao gồm R1 và R2. Phương trình là Vref = [V + / [R1 + R2]] x R2. Việc thay thế các giá trị được đưa ra trong sơ đồ mạch vào phương trình này sẽ cho Vref = 6V. Bất cứ khi nào Vin vượt quá 6V, đầu ra sẽ dao động lên -/+12 DC và ngược lại. Mạch được cấp nguồn từ nguồn cung cấp kép +/- 12V DC.
- Trình bày được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch schmitt – Triger 4.1. Mạch Schmitt-trigger dùng tranzitor
4.1.1. Sơ đồ mạch điện cơ bản
Trên sơ đồ [hình 24-02-15] hai tranzito Q1 và Q2 dược mắc trực tiếp có chung cực E. Cực B2 được phân cực nhờ Rb2 lấy từ VC1 để có điện áp vào là xung vng thì hai
trasistor Q1 và Q2 phải làm việc luân phiên ở chế độ bão hòa và ngưng dẫn. khi Q1
ngưng dẫn thì Q2 bão hồ và ngược lại khi Q1 bão hịa thì Q2 ngưng dẫn
Vo Vi Q2 Q1 RE RB2 RB1 RC2 RC1 Q R S 0 1 1 0 Q Q 1
Hình 24-02-17: Sơ đồ mạch Schmitt triggơ cơ bản 4.1.2. Nguyên lí hoạt động :
- Khi chưa có tín hiệu ngõ vào :
Tranzito Q1 ngưng dẫn do phân cực Vbe 0 [ RB1 nối mass]
Tranzito Q2 dẫn bão hòa do VC1 tăng cao qua RB2 phân cực VBE2 0,7v. Khi chưa có tín hiệu thời gian dẫn bão hịa lâu, có thể làm Q2 thủng nên dịng phân cực qua RC2 nhỏ
Tín hiệu phải có biên độ đủ lớn để kích Q1 dẫn bão hịa do đó tín hiệu trước khi được đưa đến mạch schmitt-trigger dược đưa qua các mạch khuếch đại
Tín hiệu ngõ vào thường được ghép qua tụ để phân cách thềm điện áp phân cực giảm sự ảnh hưởng do ghép tầng
- Khi có tín hiệu ngõ vào:
Tranzito Q1 chuyển từ trạng thái ngưng dẫn sang trạng thái dẫn làm điện áp VC1 0 giảm qua RB2 làm cho VB2 giảm kéo theo sự giảm điện áp VE2 cũng chính là VE1 do được mắc chung làm cho VBE1 nhanh chóng tăng cao hơn 0,7v Q1 dẫn bão
hòa VCE1 0,2v qua RB2 VCE2 0,2vm, Q2 ngưng dẫn ở ngõ ra VC2ta được tín hiệu
có dạng xung phụ thuộc vào dạng xung ngõ vào ở Hình 5.2
Vo Vi Q2 Q1 RE RB2 RB1 RC2 RC1
Hình 24-02-18: Dạng tín hiệu ngõ vào và ngõ ra mach Schimitt trigger Như vậy ngõ ra của mạch schimitt trigger ta có được các xung vng có biên độ bằng nhau nhưng độ rộng xung phụ thuộc độ rộng tín hiệu tương tự ngõ vào 4.1.3. Lắp ráp và khảo sát mạch
Bước 1: Chuẩn bị linh kiện gồm:
- Điện trở: RB1=6K8, RC1=10KΩ, RC2=10KΩ, RB2=6K8, RE=1KΩ - Tụ điện=10uf/35v
- Máy hiện sóng tương tự
- Nguồn DC điều chỉnh được từ 0v-30v - Bo mạch đa năng
- Mỏ hàn xung: - Thiếc+ nhựa thơng
Bước 2: Lắp ráp theo sơ đồ Hình 24-02-18 Bước 3: Đo dạng ra của mạch
4.2. Mạch Schmitt trigger dùng cổng logic 4.2.1 Mạch dùng cổng NAND 1 Q 2 Q R1 D
Hình 24-02-19: Sơ đồ mạch schmitt trigger dùng cổng NAND
Khi điện áp Vi ngõ vào mức thấp thì 2 ngõ vào của cổng [2] ở mức thấp nên
cổng [&] có ngõ ra ở mức cao Q=1 và ra cổng [1] có chức năng của cổng NOT nên
ngõ ra Q ở mức thấp Q=0.
Khi điện áp Vi ngõ vào mức tăng thì ngõ ra xuống mức thấp Q=0 và ra cổng
[2] đảo lại ngõ ra lên mức cao Q=1 làm cho Diode lúc này bị phân cực thuận duy trì trạng thái này mặc dù Vi có thể giảm thấp hơn điện áp ngưỡng Vn
Có thể giải thích tương tự với cổng NOT
Vi t Dạng tín hiệu biểu diển:
Vo t Hình 24-02-19: Dạng sóng vào và ra của mạch
4.2.2. Mạch kết hợp OP_AMP và cổng logic
Để có độ chuyển mạch chính xác người ta ghép OP-AMP và cổng NAND theo sơ Hình 24-02-20.
Trong sơ đồ 2 OP-AMP [1] và [2] là 2 mạch khuyếch đại để so sánh 2 điện áp ngõ vào Vi với 2 điện áp ngưỡng Vn mức cao Vn+ và thấp Vn-
QQ Q R S 4 3 Vo Vi Vn- 2 1 Vn+
Hình 24-02-20: Sơ đồ mạch kết hợp OP- AMP và cổng lôgic
Hai cổng NAND là 2 mạch Flip Flop với 2 ngõ vào R và S được lấy từ 2 ngõ ra của OP-AMP [1] và [2]
Như vậy trong dạng mạch này 2 OP-AMP [1] và [2] là 2 mạch biến đổi dạng sóng và 2 cổng NAND là 2 mạch Flip Flop có 2 ngõ vào R, S.
CÂU HỎI ƠN TẬP
2.1. Trình bày ngun lý làm việc của mạch đa hài phi ổn ? 2.2. Trình bày nguyên lý làm việc của mạch đa hài đơn ổn ? 2.3. Trình bày nguyên lý làm việc của mạch đa hài lưỡng ổn ?
2.4. So sánh sự giống và khác giữa mạch đa hài đơn ổn và mạch đa hài phi ổn ? 2.5. Trình bày mạch schmitt – Triger?
Bài 3: MẠCH HẠN CHẾ BIÊN ĐỘ VÀ GHIM ÁP Mã mô đun: 14-03
Giới thiệu:
Trong kỹ thuật điều khiển để các tầng khuếch đại ổn định ngồi việc tính tốn thiết kế mạch có độ lợi cao, hiệu suất tốt thì hai vấn đề quan trọng đó là biên độ tín hiệu ngõ vào mạch và chế độ phân cực của mạch phải phù hợp và ổn định để giải quyết vấn đề này trong các mạch điện thường người ta thiết kế thêm các mạch hạn chế biên độ và ghim áp để tăng cường độ ổn định làm việc của mạch tăng khả năng chống nhiểu
Mục tiêu:
- Trình bày cấu tạo, đặc điệm, ứng dụng, nguyên lý hoạt động các mạch hạn chế biên độ và ghim áp.
- Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác.
Nội dung chính:
1. Mạch hạn chế biên độ:
Mục tiêu:
- Trình bày cấu tạo, đặc điểm, ứng dụng, nguyên lý hoạt động các mạch hạn chế biên độ.
1.1. Khái niệm
Mạch hạn chế biên độ là một mạng bốn cực mà điện áp đầu ra của nó có dạng giống điện áp đầu vào khi điện áp đầu vào chưa vượt quá một giá trị nào đó, với điện áp đầu ra sẽ giữ nguyên giá trị không đổi khi điện áp đầu vào vượt ra ngoài ngưỡng của mạch hạn chế . Giá trị khơng đổi đó được gọi là mức hạn chế [cịn được gọi là mạch hạn biên]
Tuỳ theo yêu cầu của mạch điện cần điều khiển đối với các tín hiệu xung người ta cần phải giới hạn ở một mức nào đó sao cho tín hiệu điều khiển khơng làm cho mạch điện bị nghẽn hoặc méo dạng
Mạch được giới hạn ở phần đỉnh tín hiệu gọi là mạch hạn biên trên. Mạch giới hạn ở đáy tín hiệu gọi là mạch hạn biên dưới
Mạch giới hạn cả hai mức trên và dưới của tín hiệu gọi là giới hạn trên và dưới . Về thực chất mạch hạn chế đóng vai trị như một cái khố . Nếu khố mắc nối tiếp với tải thì tín hiệu sẽ đi qua được khi khố đóng và bị ngăn lại khi khố mở, tức là nó đóng vai trị một phần tử khơng đường thẳng. Để làm nhiệm vụ đó,người ta có thể sử dụng các phần tử khơng tuyến tính như Điơt ,tranzito trong các mạch hạn chế. Khi đó ngồi nhiệm vụ hạn chế mạch cịn làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu nên cịn gọi là mạch hạn chế khuếch đại.
Những yêu cầu cơ bản đối với một mạch hạn chế là độ sắc khi cắt , độ ổn định của ngưỡng và mức hạn chế. Những yêu cầu này lại phụ thuộc chủ yếu vào các linh kiện khơng tuyến tính được sử dụng.
1.2. Mạch hạn chế biên độ dùng Diode
Do đặc tính của Diode dẫn điện theo 1 chiều nên khi diode được phân cực thuận thì sẽ dẫn điện cho phần xung làm cho nó phân cực thuận đi qua nên ta có dạng mạch như Hình 24-03-1 hoặc Hình 24-03-2
Hình 24-03-1: Sơ đồ mạch hạn biên trên mức 0
Hình 24-03-2: Sơ đồ mạch hạn biên dưới mức 0
Để giá trị xung nằm trên mức 0 hoặc dưới mức 0 phù hợp với điều kiện làm việc của mạch điện mạch hạn chế biên độ dùng Điơt có thể được mắc nối tiếp với một nguồn điện áp cố định một chiều Vc gọi là điện áp chuẩn . Nếu điện áp chuẩn có giá trị dương thì được gọi là giới hạn trên [Hình 24-03-3]. Nếu điện áp chuẩn có giá trị âm thì được gọi là giới hạn dưới [Hình 24-03-4].
R D Vi Vo R D Vi Vo R D Vi Vo R D Vi Vo R D Vi Vo Vc VO = VC + VD
Hình 24-03-3: Sơ đồ mạch giới hạn trên [giới hạn xung dương] Vc: điện áp chuẩn
Vd: điện áp phân cực thuận của Diode [VD 0,6 - 0,8v] tuỳ theo loại Diode Trong mạch Diode chỉ phân cực thuận để cho xung xuống Mass khi nào biên độ xung ngõ vào Vi lớn hơn giá trị VC + VD và sẽ có dạng mạch ngược lại nên ta muốn giới hạn dưới [giới hạn xung âm] ở Hình 24-03-4
V i V o R D V d +
Hình 24-03-4: Sơ đồ mạch giới hạn dưới [giới hạn xung âm] 1.3. Mạch hạn biên độ dùng trazito:
Mạch hạn chế khuếch đại dùng Tranzito được mắc theo kiểu E-C hình 24-03-5 Khi biên độ tín hiệu ngõ vào Vi đủ lớn, mạch sẽ thực hiện việc han chế. Việc hạn chế được sử dụng hai giới hạn bão hoà và ngưng dẫn của tranzito .
Giới hạn dưới được dùng giới hạn ngưng dẫn của tranzito. Khi biên độ tín hiệu ngõ vào thấp dưới mức phân cực của tran zito mạch ngưng dẫn biên độ tín hiệu được giới hạn ở mức dưới.
Giới hạn trên được dùng giới hạn bão hồ của tắt bỏ biên độ tín hiệu được giới hạn ở mức trên
Điều quan trọng cần ghi nhớ do mạch được mắc theo kiểu E-C [tín hiệu đưa vào ở cực B của tranzito và lấy ra trên cực C] nên tín hiệu ngõ ra đảo pha so với tín hiệu ngõ vào. V i V o Q V c R2 R1
R1: hạn chế dịng tín hiệu ngõ vào
R2: Hạn chế dịng cực C [Điện trở tảI cực C] Q: Tranzito khuếch đại hạn chế
Vi
0 t
Vo t 0
Hình 24-03-6: Dạng tín hiệu ngõ vào và ngõ ra mạch hạn chế khuếch đại dùng Tranzito
2. Mạch ghim áp
Mục tiêu:
- Trình bày cấu tạo, đặc điểm, ứng dụng, nguyên lý hoạt động các mạch ghim áp 2.1. Mạch ghim áp dùng Điốt
2.2.1 Mạch ghim trên ở mức khơng:
D
V o V i
C
R
Hình 24-03-7: Mạch ghim trên mức không
Để cho mạch thoả mãn điều kiện ghim trên ở mức không, giả thiết ngõ và Vi là những xung hẹp . Khi đó trong khoảng thời gian xung Tx tụ C được nạp điện với hằng số thời gian Tn bằng:
Trong thời gian nghỉ tụ C sẽ phóng điện với hằng số thời gian Tp bằng: Tp = C.Rp
Trong đó Rn được xem như điện trở thuận của Điôt D ;Rp được xem như điện trở R
Muốn cho thời gian nghỉ của xung thiên áp động vẫn được duy trì, phải thoả mãn bất đẳng thức Tp >> Ttx – Tx [trong đó Ttx là độ rộng xung của mạch]
Nếu điện trở thuận của Điốt Rn không đủ nhỏ, nghĩa là khi Tn >> Tx thì hiệu ứng ghim sẽ khơng có kết quả và điện áp ra có dạng Hình 24-03-7
Vi t Vo t
Hình 24-03-8: Dạng tín hiệu xung ra khi Tn >> Tx
Nếu điện trở thuận của Điôt Rn đủ nhỏ để thoả mãn điều kiện Tn