Mạch dao động đa hài Op Amp là một mạch op-amp không đảo tạo ra tín hiệu đầu vào của riêng nó với sự hỗ trợ của mạng phản hồi RC.
Bộ khuếch đại thuật toán hay còn gọi tắt là Op-amp , là một thiết bị rất linh hoạt có thể được sử dụng trong nhiều loại mạch điện tử và ứng dụng khác nhau, từ bộ khuếch đại điện áp, bộ lọc, đến bộ điều hòa tín hiệu. Nhưng một mạch op-amp rất đơn giản và cực kỳ hữu ích dựa trên bất kỳ bộ khuếch đại thuật toán có mục đích chung nào là Astable Op-amp Multivibrator(Tạo dao động đa hài)
Chúng tôi đã thấy trong các hướng dẫn của mình về Logic tuần tự rằng các mạch đa hài có thể được xây dựng bằng cách sử dụng bóng bán dẫn, cổng logic hoặc từ các chip chuyên dụng như bộ định thời NE555. Chúng tôi cũng thấy rằng mạch đa hài linh hoạt chuyển đổi liên tục giữa hai trạng thái không ổn định của nó mà không cần bất kỳ kích hoạt bên ngoài nào.
Nhưng vấn đề với việc sử dụng các thành phần này để tạo ra một mạch dao động đa hài với các bóng bán dẫn cần nhiều linh kiện và khó khăn hơn, các bộ điều khiển kỹ thuật số nói chung chỉ có thể được sử dụng trong các mạch kỹ thuật số và việc sử dụng bộ định thời 555 có thể không phải lúc nào cũng cung cấp cho chúng ta đầu ra đối xứng mà không có các linh kiện bổ sùng. Mạch dao động đa hài Op Amp có thể cung cấp cho chúng ta một tín hiệu sóng hình chữ nhật tốt với việc sử dụng chỉ có bốn thành phần, ba điện trở và một tụ điện.
Các Op-amp đa hài là một mạch dao động đa hài mà tạo ra một dạng sóng đầu ra hình chữ nhật cách sử dụng một mạch RC kết nối với đầu vào đảo của bộ khuếch đại thuật toán và mạch chia điện áp kết nối với đầu vào không đảo
Không giống như monostable (mạch điện tử logic tuần tự tạo ra một xung đầu ra) hoặc bistable(mạch ổn định kép), Mạch đa hài có hai trạng thái, cả hai đều không ổn định vì nó liên tục chuyển đổi giữa hai trạng thái này với thời gian dành cho mỗi trạng thái được kiểm soát bởi quá trình sạc hoặc xả của tụ điện thông qua một điện trở.
Trong mạch op-amp đa hài, op-amp hoạt động như một bộ so sánh tương tự. Một bộ so sánh op-amp so sánh điện áp trên hai đầu vào của nó và đưa ra đầu ra dương hoặc âm tùy thuộc vào việc đầu vào lớn hơn hay nhỏ hơn một số giá trị tham chiếu, V REF .
Tuy nhiên, bởi vì bộ so sánh op-amp vòng hở rất nhạy với sự thay đổi điện áp trên đầu vào của nó, đầu ra có thể chuyển đổi không kiểm soát giữa đường cung cấp dương, + V (sat) và âm, -V (sat) bất cứ khi nào điện áp đầu vào được đo gần với điện áp tham chiếu, V REF .
Để loại bỏ bất kỳ hoạt động chuyển đổi thất thường hoặc không được kiểm soát nào, op-amp được sử dụng trong mạch multivibrator được định cấu hình là mạch Schmitt Trigger vòng kín. Hãy xem xét mạch dưới đây.
Bộ so sánh Op-amp Schmitt
Mạch so sánh op-amp ở trên được cấu hình như một bộ kích hoạt Schmitt sử dụng phản hồi dương được cung cấp bởi các điện trở R1 và R2 để tạo ra độ trễ. Vì mạng điện trở này được kết nối giữa đầu ra của bộ khuếch đại và đầu vào không đảo (+), khi Vout bão hòa ở đường cung cấp dương, một điện áp dương được áp dụng cho đầu vào không đảo của op-amps. Tương tự như vậy, khi Vout bão hòa với đường cung cấp điện áp âm, một điện áp âm được áp dụng cho đầu vào không nghịch đảo op-amps.
Vì hai điện trở được cấu hình trên đầu ra op-amps như một mạng phân áp, điện áp tham chiếu, do đó , Vref sẽ phụ thuộc vào phần điện áp đầu ra được đưa trở lại đầu vào không đảo. Phần phản hồi này, β được cho là:
Trong đó + V (sat) là điện áp bão hòa op-amp DC dương và -V (sat) là điện áp bão hòa op-amp DC âm.
Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng điện áp tham chiếu dương hoặc trên, + Vref (tức là giá trị dương lớn nhất đối với điện áp tại đầu vào đảo ) được cho là: + Vref = + V (sat) β trong khi điện áp tham chiếu âm hoặc thấp hơn (tức là giá trị âm lớn nhất của điện áp tại đầu vào nghịch đảo) được cho là: -Vref = -V (sat) β .
Vì vậy, nếu Vin vượt quá + Vref , op-amp chuyển trạng thái và điện áp đầu ra giảm xuống điện áp bão hòa DC âm của nó. Tương tự như vậy khi điện áp đầu vào giảm xuống dưới -Vref , op-amp chuyển trạng thái một lần nữa và điện áp đầu ra sẽ chuyển từ điện áp bão hòa âm trở lại điện áp bão hòa DC dương. Lượng độ trễ tích hợp do bộ so sánh Schmitt đưa ra khi nó chuyển đổi giữa hai điện áp bão hòa được xác định bằng sự khác biệt giữa hai điện áp tham chiếu kích hoạt là: V HYSTERESIS = + Vref – (-Vref) .
Chuyển đổi hình sin sang hình chữ nhật
Một trong những cách sử dụng của bộ so sánh kích hoạt Schmitt, không phải là bộ điều khiển đa sóng op-amp, là chúng ta có thể sử dụng nó để chuyển đổi bất kỳ dạng sóng hình sin tuần hoàn nào thành dạng sóng hình chữ nhật với điều kiện giá trị của hình sin lớn hơn điểm tham chiếu điện áp.
Trên thực tế, bộ so sánh Schmitt sẽ luôn tạo ra dạng sóng đầu ra hình chữ nhật độc lập với dạng sóng tín hiệu đầu vào. Nói cách khác, đầu vào điện áp không nhất thiết phải là hình sin, nó có thể là bất kỳ dạng sóng nào hoặc dạng sóng phức tạp. Hãy xem xét mạch dưới đây.
Công cụ chuyển đổi hình sin sang hình chữ nhật
Vì dạng sóng đầu vào sẽ có chu kỳ và có biên độ đủ lớn hơn điện áp tham chiếu của nó, Vref , nên dạng sóng hình chữ nhật đầu ra sẽ luôn có cùng chu kỳ, T và do đó tần số, ƒ như dạng sóng đầu vào.
Bằng cách thay thế điện trở R1 hoặc R2 bằng một chiết áp, chúng ta có thể điều chỉnh phần phản hồi, β và do đó giá trị điện áp tham chiếu tại đầu vào không đảo để làm cho op-amp thay đổi trạng thái ở bất kỳ đâu từ 0 đến 90 o của mỗi nửa chu kỳ. miễn là điện áp tham chiếu, Vref vẫn dưới biên độ tối đa của tín hiệu đầu vào.
Mạch dao động đa hài Op Amp
Chúng ta có thể thực hiện ý tưởng chuyển đổi dạng sóng tuần hoàn thành đầu ra hình chữ nhật thêm một bước nữa bằng cách thay thế đầu vào hình sin bằng một mạch định thời RC được kết nối qua đầu ra op-amps. Lần này, thay vì sử dụng dạng sóng hình sin để kích hoạt op-amp, chúng ta có thể sử dụng điện áp sạc của tụ điện, Vc để thay đổi trạng thái đầu ra của op-amp như hình minh họa.
Mạch đa hài Op-amp
Vì vậy, làm thế nào nó hoạt động. Trước hết, hãy giả sử rằng tụ điện đã được xả hoàn toàn và đầu ra của op-amp được bão hòa tại đường cấp điện áp dương. Tụ điện, C bắt đầu tích điện từ điện áp đầu ra, Vout qua điện trở, R với tốc độ xác định bởi hằng số thời gian RC của chúng .
Chúng tôi biết từ các hướng dẫn của chúng tôi về mạch RC rằng tụ điện muốn sạc đầy đến giá trị Vout (là + V (sat) ) trong năm hằng số thời gian. Tuy nhiên, ngay khi điện áp sạc của tụ điện tại cực nghịch đảo op-amps (-) bằng hoặc lớn hơn điện áp tại cực không nghịch đảo (phần điện áp đầu ra op-amps chia giữa điện trở R1 và R2 ), sản lượng sẽ thay đổi trạng thái và được điều khiển đến đường cung cấp điện âm phí đối diện.
Nhưng tụ điện, đã được sạc vui vẻ về phía đường cung cấp dương ( + V (sat) ), bây giờ thấy một điện áp âm, -V (sat) trên các bản của nó. Sự đảo đột ngột của điện áp đầu ra này làm cho tụ điện phóng điện về giá trị mới của Vout với tốc độ lại được quy định bởi hằng số thời gian RC của chúng .
Điện áp Mạch dao động đa hài Op Amp
Khi đầu đảo op-amps đạt đến điện áp tham chiếu âm mới, -Vref tại đầu không đảo, op-amp một lần nữa thay đổi trạng thái và đầu ra được điều khiển đến điện áp đường cung cấp điện đối diện, + V (sat) . Tụ điện bây giờ nhìn thấy một điện áp dương trên các bản của nó và chu kỳ sạc bắt đầu lại. Do đó, tụ điện liên tục sạc và xả tạo ra đầu ra đa vi mạch op-amp đáng kinh ngạc.
Chu kỳ của dạng sóng đầu ra được xác định bởi hằng số thời gian RC của hai thành phần thời gian và tỷ lệ phản hồi được thiết lập bởi mạng phân áp R1, R2 đặt mức điện áp tham chiếu. Nếu điện áp bão hoà âm và dương của mạch khuếch đại có cùng độ lớn thì t1 = t2 và biểu thức chu kì dao động trở thành:
Trong đó: R là điện trở, C là điện dung, ln () là Logarit tự nhiên của phần phản hồi, T là thời gian tuần hoàn tính bằng giây và ƒ là tần số dao động tính bằng Hz.
Sau đó, chúng ta có thể thấy từ phương trình trên rằng tần số dao động của một mạch Op-amp đa hài không chỉ phụ thuộc vào hằng số thời gian RC mà còn phụ thuộc vào phần phản hồi. Tuy nhiên, nếu chúng ta sử dụng các giá trị điện trở có phần phản hồi là 0,462 , ( β = 0,462 ), thì tần số dao động của mạch sẽ chỉ bằng 1 / 2RC như được hiển thị vì số hạng log tuyến tính trở thành bằng một.
Mạch dao động đa hài Op Amp Ví dụ No1
Một mạch multivibrator op-amp được xây dựng bằng cách sử dụng các thành phần sau đây. R1 = 35kΩ , R2 = 30kΩ , R = 50kΩ và C = 0,01uF . Tính tần số dao động của mạch.
Khi đó tần số dao động được tính là 1kHz . Khi β = 0,462 , tần số này có thể được tính trực tiếp là: ƒ = 1 / 2RC . Ngoài ra khi hai điện trở hồi tiếp giống nhau, đó là R1 = R2 thì phần hồi tiếp bằng 3 và tần số dao động trở thành: ƒ = 1 / 2,2RC .
Chúng ta có thể tiến thêm một bước nữa về mạch đa bộ điều khiển op-amp này bằng cách thay thế một trong các điện trở phản hồi bằng một chiết áp để tạo ra bộ điều khiển đa tần op-amp có tần số thay đổi như hình minh họa.
Inverting Op-amp đa hài
Bằng cách điều chỉnh chiết áp trung tâm giữa β1 và β2 , tần số đầu ra sẽ thay đổi theo các mức sau.
Chiết áp gạt tại β1
Chiết áp gạt ở β2
Sau đó, trong ví dụ đơn giản này, chúng ta có thể tạo ra một mạch đa bộ khuếch đại hoạt động có thể tạo ra dạng sóng hình chữ nhật đầu ra có thể thay đổi từ 100Hz đến 1,2kHz hoặc bất kỳ dải tần nào mà chúng ta yêu cầu chỉ bằng cách thay đổi các giá trị thành phần RC .
Chúng ta đã thấy ở trên rằng một mạch Op-amp đa hài có thể được xây dựng bằng cách sử dụng một bộ khuếch đại hoạt động tiêu chuẩn, chẳng hạn như 741 và một vài thành phần bổ sung. Các bộ dao động thư giãn không hình sin được điều khiển bằng điện áp này thường được giới hạn ở vài trăm kilo-hertz (kHz) vì op-amp không có băng thông cần thiết, nhưng tuy nhiên chúng vẫn tạo ra các bộ dao động tuyệt vời