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.
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.[1] Mạch so sánh LM393N 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.
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
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.
Op-Amp Comparator
- Linh kiện điện tử
- Các phần tử bán dẫn
- Ký hiệu điện tử
- Sơ đồ mạch điện
| Wikimedia Commons có thêm hình ảnh và phương tiện truyền tải về Mạch so sánh. |
Bài viết này vẫn còn sơ khai. Bạn có thể giúp Wikipedia mở rộng nội dung để bài được hoàn chỉnh hơn.
|
Lấy từ “//vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Mạch_so_sánh&oldid=63959720”
Phạm vi ứng dụng của Op-Amps rất phong phú, ở đây chỉ nêu một số ứng dụng mang tính minh hoạ nguyên lý làm việc của Op-Amps.
1. Mạch so sánh cửa sổ
Đây là mạch điện ứng dụng trong việc cảnh báo quá nhiệt hay thiếu nhiệt của môi trường cần theo dõi. Mạch làm việc theo nguyên lý so sánh cửa sổ, một nguyên lý rất thông dụng trong các thiết bị công nghiệp. Minh hoạ qua hình.
Hình 1: Nguyên lý so sánh của số
Khi muốn khống chế nhiệt độ lò ở 40oC, người ta tiến hành như sau: từ nhiệt độ môi trường đang là 27oC, bắt đầu cấp nhiệt cho lò [điểm A]. Nhiệt độ lò tăng dần vượt qua 36oC [điểm B], rồi qua 40oC mạch vẫn tiếp tục cấp nhiệt cho đến khi nhiệt độ của lò đến 44oC [điểm C], lò mới cắt điện trở gia nhiệt. Nhiệt độ lò bắt đầu giảm dần từ 44oC [điểm D]. Giảm qua 40oC vẫn tiếp tục giảm. Cho đến 36oC [điểm E] thì lại tiếp tục cấp nhiệt cho lò [điểm B] nhiệt độ lò tăng dần lên.
Hình 2: Sơ đồ nguyên lý mạch báo nhiệt
Rõ ràng để giữ nhiệt độ lò nằm trong khoảng 40oC, người ta cấp nhiệt cho lò theo chu trình B, C, D, E rồi trở lại B: hình dạng như một cửa sổ nên có tên là mạch so sánh cửa sổ [window comparator]. Nguyên lý so sánh này được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, dân dụng, quân sự, y tế... Tóm tắt nguyên lý làm việc như sau:
Điện trở nhiệt PTR phối hợp với R1 và R2 tạo ra Vs là một hàm biến thiên theo nhiệt độ môi trường đặt PTR. Cụ thể có thể tính Vs:
Rõ ràng Vs = f[To] là một hàm của nhiệt độ. Do đó, đo Vs chính là đo nhiệt độ. Cụ thể các giá trị điện trở trong mạch được cân chỉnh để 2 OP-AMPS làm việc như sau :
* Khi thiếu nhiệt:
Lúc này VS < VA < VB, đầu vào v+ của op-amps II nhỏ hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps II xuống thấp, LED 2 sáng. Trong khi đó đầu vào v+ của op-amps I lớn hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps I lên cao, LED 1 tắt.
* Khi đủ nhiệt:
Lúc này VA < VS < VB, đầu vào v+ của op-amps II lớn hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps II lên cao, LED 2 tắt. Trong khi đó đầu vào v+ của op-amps I lớn hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps I lên cao, LED 1 tắt.
* Khi quá nhiệt:
Lúc này VA < VB < VS, đầu vào v+ của op-amps II lớn hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps II lên cao, LED 2 tắt. Trong khi đó đầu vào v+ của op-amps I nhỏ hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps I xuống thấp, LED 1 sáng.
Rõ ràng chỉ cần nhìn vào độ sáng tối của 2 LED, ta có thể nhận biết được nhiệt độ của môi trường cần cảnh báo nhiệt độ. Để mạch cảnh báo hiệu quả hơn có thể thêm vào một mạch dao động, mạch này giúp khi có sự cố các LED sẽ không sáng liên tục mà nhấp nháy.
2. Mạch chỉnh lưu chính xác
Trong thực tế, đôi lúc người ta cần mạch chỉnh lưu có điện áp ngõ ra như hình vẽ trong điều kiện lý tưởng, nhưng trên thực tế dù diode được phân cực thuận và dẫn dòng thì vẫn có một sụt áp đáng kể trên diode [chỉnh lưu cầu sụt áp này là 2VD]. Điều này dẫn đến sự méo dạng điện áp ngõ ra như hình vẽ.
Hình 3: Chỉnh lưu diode và chỉnh lưu chính xác
Để khắc phục nhược điểm này, người ta sử dụng mạch chỉnh lưu chính xác sử dụng Op-Amps như hình vẽ
Hình 4: Chỉnh lưu chính xác một bán kỳ
Do dòng điện hai ngõ vào của Op-Amps bằng không nên trong chu kỳ phân cực thuận của diode [chu kỳ chỉnh lưu] Vin=Vout, vì vậy sóng dạng điện áp ngõ ra bộ chỉnh lưu như sóng dạng bộ chỉnh lưu lý tưởng. Để được chỉnh lưu toàn sóng như hình 3, ta thực hiện ghép song song và ngược chiều hai mạch op-amps ở hình 4.
3. Mạch lọc
Mạch lọc thụ động có ưu điểm là rất đơn giản, tuy nhiên hệ số truyền đạt nhỏ do bị tổn hao trên RC, phụ thuộc nhiều vào tải, khó phối hợp tổng trở với các mạch ghép. Muốn hạn chế độ suy giảm thì phải lắp nhiều mắt lọc liên tiếp, lúc này tần số cắt của bộ lọc sẽ khác với các tần số cắt của các mắt lọc. Cách khắc phục nhược điểm trên đó là sử dụng các mạch lọc tích cực. Cụ thể là đưa mắt lọc RC vào đường hồi tiếp của Op-Amps để tăng hệ số truyền đạt, tăng hệ số phẩm chất, đồng thời làm giảm ảnh hưởng của tải bằng cách dùng tầng đệm để phối hợp trở kháng.
Cũng như mạch lọc thụ động, có thể phân mạch lọc tích cực theo tần số làm việc như: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc dãy. Ở đây giới thiệu một mạch lọc tích cực lọc thông thấp: mạch lọc mà tần số thấp được truyền qua nguyên vẹn, cò tần số cao bị suy giảm và chậm pha với tín hiệu vào.
Hình 5: mạch lọc thông thấp
Có thể dùng công thức để tính toán và thành lập biểu đồ Bode về biên - tần của mạch lọc trên như hình
Hình 6: Đặc tính biên/ tần của mạch lọc thông thấp
Các nhận xét về mạch lọc thống thấp:
- Tại tần số cắt fc có độ lệch pha là -45o; biên độ điện áp ra giảm gần 3 dB.
- Tại tần số thấp f > fc: biên độ |A| = 1/ωRC, hệ số khuếch đại tỉ lệ nghịch với tần số theo quan hệ: tần số tăng 10 lần thì hệ số khuếch đại giảm 10 lần tức là giảm 20dB/decade hay 6dB/octave.
4. Nguồn dòng công suất lớn
Trong thực tế đôi khi nguồn dòng cung cấp năng lượng ra tải sẽ tốt hơn nguồn áp ví dụ như khi nạp bình ắc qui, nếu sử dụng nguồn dòng bình sẽ lâu hư hơn nhiều lần so với nạp bằng nguồn áp; đặc biệt khi nguồn áp cung cấp thường xuyên có giá trị bất ổn định [như lấy điện từ năng lượng mặt trời, sức gió ...]. Những lúc như vậy ta có thể sử dụng nguồn dòng trình bày trên hình sau:
Hình 7: Ổn dòng
Có thể tăng thêm dòng cho mạch điện trên khi thay Q2 bằng các transistor darlington [transistor được lắp ghép sẵn dạng darlington bên trong linh kiện]. Nhưng lúc này R1cũng phải giảm theo một cách tương ứng.
5. Nguồn ổn áp
Hiện nay, ổn áp DC sử dụng vi mạch chuyên dụng đã đạt đến độ ổn định rất cao, tuy nhiên muốn chế tạo một bộ ổn áp sử dụng Op-Amps có độ ổn định tương đối tốt cũng không phải là điều khó! Có thể thực hiện theo mạch sau:
Hình 8: Ổn áp
Khi chỉnh định tỉ số giữa R2 và R3 thay đổi hệ số khuếch đại vòng kín của mạch sẽ làm thay đổi được điện áp ngõ ra ở mức ổn định mới. Với dòng tải tối đa là 1A trong khi điện áp ngõ vào biến thiên trong một dãy điện áp rộng, bộ nguồn này chắc chắn sử dụng được khá nhiều việc trong lĩnh vực điện tử vi mạch.