HAT PHYSICS LEARNING · VẬT LÍ 11 · CHUYÊN ĐỀ 3

BÀI 08 · BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ THIẾT BỊ ĐẦU RA

Từ tín hiệu cảm biến nhỏ đến mạch khuếch đại, so sánh và điều khiển thiết bị đầu ra an toàn.

📘 Chuyên đề 3 · Mở đầu điện tử học⏱ Hoạt động khám phá – dự án📝 22 câu · 10 điểm
01 · MỤC TIÊU HỌC TẬP

Mục tiêu học tập

01 · Mục tiêu

Từ cảm biến đến thiết bị đầu ra

Tình huống khởi động: một cảm biến nhiệt độ tạo tín hiệu điện yếu, nhưng hệ thống cần bật đèn cảnh báo hoặc đóng rơ-le. Cần khối mạch nào ở giữa để xử lí tín hiệu đó?

Kiến thức

Nhận biết được kí hiệu các đầu vào (+), (−), đầu ra, nguồn nuôi op-amp; nêu tính chất cơ bản của op-amp lí tưởng trong mạch có hồi tiếp âm; trình bày tác dụng của LED, rơ-le điện từ và đồng hồ đo.

Năng lực vật lí

Đọc và phân tích sơ đồ khối; dự đoán dấu điện áp ra; sử dụng công thức khuếch đại đảo trong miền tuyến tính; giải thích cách mạch so sánh điều khiển thiết bị đầu ra.

Thực hành và an toàn

Dùng mô phỏng để khảo sát bão hòa, hiệu ứng hồi tiếp và mạch LED có điện trở hạn dòng; nêu nguyên tắc dùng tầng kích rơ-le và diode dập xung; lập đề xuất dự án mạch tự động đơn giản.

Cần phân biệt: "op-amp lí tưởng" là mô hình học tập; op-amp thực cần nguồn nuôi, có biên độ ra giới hạn, dòng ra và băng thông hữu hạn. Trong bài, sơ đồ và số liệu của linh kiện là mô hình giả định, không phải chỉ dẫn đấu trực tiếp vào điện lưới.
02 · KIẾN THỨC TRỌNG TÂM VÀ CÔNG THỨC

Kiến thức trọng tâm và công thức

02 · Khám phá kiến thức

I. Bộ khuếch đại và bộ khuếch đại thuật toán

Bộ khuếch đại nhận tín hiệu điện có biên độ nhỏ và tạo đầu ra có biên độ lớn hơn với điều kiện méo tín hiệu được kiểm soát. Op-amp thường có hai đầu vào: không đảo (+) và đảo (−), một đầu ra, các chân nguồn nuôi. Điện áp điều khiển là hiệu giữa hai đầu vào.

Hình dung: op-amp không tự tạo ra năng lượng. Năng lượng cung cấp cho tải đến từ nguồn nuôi, còn tín hiệu đầu vào điều khiển quá trình khuếch đại.
Công thức

Hệ số khuếch đại điện áp

\[K_u=\frac{U_{\mathrm{ra}}}{U_{\mathrm{vào}}}\]

Độ lớn \(|K_u|\) cho biết mức khuếch đại biên độ; dấu âm cho biết đầu ra đảo pha 180° với tín hiệu hình sin (trong miền tuyến tính).

Kí hiệuÝ nghĩaĐơn vị
\(K_u\)Hệ số khuếch đại điện áp, có thể mang dấukhông có đơn vị
\(U_{\mathrm{ra}}\)Điện áp ra so với điểm tham chiếuV
\(U_{\mathrm{vào}}\)Điện áp vào so với cùng điểm tham chiếuV

Điều kiện: Dùng cho mạch khuếch đại tuyến tính và định nghĩa nhất quán tín hiệu vào/ra; không chia khi điện áp vào bằng 0.

Công thức

Mô hình khuếch đại hở mạch

\[U_{\mathrm{ra}}=A_0(U_+-U_-)\]

Vì \(A_0\) rất lớn, một chênh lệch rất nhỏ giữa (+) và (−) có thể làm đầu ra bão hòa; không áp đặt \(U_+=U_-\) cho mạch không có hồi tiếp âm đang làm việc tuyến tính.

Kí hiệuÝ nghĩaĐơn vị
\(A_0\)Hệ số khuếch đại vòng hởkhông có đơn vị
\(U_+,U_-\)Điện áp hai đầu vàoV
\(U_{\mathrm{ra}}\)Điện áp ra lí thuyết chưa tính bão hòaV

Điều kiện: Mô hình tuyến tính chỉ đúng khi đầu ra chưa chạm giới hạn điện áp do nguồn nuôi quyết định. Trong mạch so sánh, đầu ra thực tế thường chuyển về một trong hai mức gần giới hạn.

II. Một số tính chất của op-amp lí tưởng

Trong mô hình lí tưởng: hệ số khuếch đại vòng hở rất lớn, điện trở đầu vào vô cùng lớn nên dòng vào xấp xỉ 0, điện trở đầu ra lí tưởng bằng 0. Khi có hồi tiếp âm và đầu ra chưa bão hòa, chênh lệch \(U_+-U_-\) xấp xỉ 0. Đây là điều kiện của "ngắn mạch ảo", không phải hai đầu vào được nối dây trực tiếp.

Công thức

Điều kiện xấp xỉ trong hồi tiếp âm

\[U_+\approx U_-,\qquad I_+\approx I_-\approx 0\]

Không suy ra hai đầu vào luôn bằng nhau. Nếu dùng op-amp như bộ so sánh không có hồi tiếp âm, các điện áp đầu vào thường khác nhau.

Kí hiệuÝ nghĩaĐơn vị
\(U_+,U_-\)Điện áp tại hai đầu vàoV
\(I_+,I_-\)Dòng vào op-ampA

Điều kiện: Op-amp lí tưởng có hồi tiếp âm ổn định, đang hoạt động trong miền khuếch đại tuyến tính, chưa bão hòa.

Công thức

Mạch khuếch đại đảo có hồi tiếp âm

\[U_{\mathrm{ra}}=-\frac{R_f}{R_{\mathrm{in}}}U_{\mathrm{vào}}\]

Mạch đảo đổi dấu điện áp: ví dụ \(R_f=20\,\mathrm{k\Omega}\), \(R_{in}=10\,\mathrm{k\Omega}\), \(U_{vào}=+0{,}5\,\mathrm{V}\) cho \(U_{ra}=-1{,}0\,\mathrm{V}\).

Kí hiệuÝ nghĩaĐơn vị
\(R_f\)Điện trở hồi tiếp từ đầu ra về đầu vào đảoΩ
\(R_{\mathrm{in}}\)Điện trở từ tín hiệu vào đến chân đảoΩ
\(U_{\mathrm{vào}},U_{\mathrm{ra}}\)Điện áp so với đất, có dấuV

Điều kiện: Đầu vào không đảo nối đất, hồi tiếp âm, op-amp lí tưởng; đầu ra phải nằm trong khoảng cho phép của nguồn và đáp ứng tần số phù hợp.

III. Thiết bị đầu ra

LED – diode phát quang

Đèn chỉ sáng khi được phân cực thuận và dòng điện phù hợp. Điện trở mắc nối tiếp giúp hạn dòng. LED không tự khuếch đại dòng điện.

Rơ-le điện từ

Cuộn dây tạo từ trường làm đóng/ngắt tiếp điểm tải; mạch điều khiển và tải có thể được cách li điện về mặt tiếp điểm. Cần tầng kích phù hợp và phần tử dập xung ngược của cuộn dây.

Đồng hồ đo hiệu chuẩn (CM)

Nhận điện áp hoặc dòng ra tương ứng đại lượng đo. Phải chuyển đổi và chia vạch theo đại lượng đầu vào, không ghi nhãn sai đơn vị của cảm biến.

Công thức

Điện trở hạn dòng cho LED

\[I_{\mathrm{LED}}\approx\frac{U_{\mathrm{ra}}-U_F}{R}\]

Ví dụ \(U_{ra}=4{,}5\,\mathrm V\), \(U_F=2\,\mathrm V\), \(R=1\,\mathrm{k\Omega}\) thì \(I\approx2{,}5\,\mathrm{mA}\).

Kí hiệuÝ nghĩaĐơn vị
\(I_{\mathrm{LED}}\)Dòng qua LED khi phân cực thuậnA
\(U_F\)Điện áp rơi trên LED khi sángV
\(R\)Điện trở nối tiếp LEDΩ

Điều kiện: Chỉ áp dụng trong mô hình DC khi điện áp ra dương lớn hơn \(U_F\), LED được mắc đúng cực; có giới hạn dòng và nguồn cung cấp thích hợp.

Không nhầm: bộ so sánh tạo mức cao/thấp theo dấu của \(U_+-U_-\), trong khi mạch khuếch đại đảo với hồi tiếp âm cho quan hệ tuyến tính chỉ trong vùng chưa bão hòa. Khuếch đại áp không bảo đảm đủ dòng để điều khiển rơ-le.

Ví dụ giải nhanh

Mạch khuếch đại đảo có \(R_{\mathrm{in}}=5\,\mathrm{k\Omega}\), \(R_f=15\,\mathrm{k\Omega}\), nguồn đủ cho đầu ra ±4,5 V. Khi \(U_{\mathrm{vào}}=0{,}4\,\mathrm V\), điện áp ra lí tưởng \(U_{\mathrm{ra}}=-(15/5)\times0{,}4=-1{,}2\,\mathrm V\). Kết quả chưa chạm bão hòa. Nếu \(U_{\mathrm{vào}}=2\,\mathrm V\), dự đoán tuyến tính −6 V không khả thi trong mô hình này: đầu ra bị giới hạn gần −4,5 V.

03 · QUAN SÁT – MÔ PHỎNG – THỰC HÀNH

Quan sát – mô phỏng – thực hành

03 · Quan sát

Quan sát, dự đoán và kiểm chứng

Ba mô hình dưới đây hoàn toàn giả lập, không sử dụng nguồn điện thực hay âm thanh truyền phát. Đọc điều kiện trước khi thử và đối chiếu với dự đoán.

🧪 Mô phỏng HAT

1. Op-amp làm bộ so sánh điện áp

Dự đoán: Khi điện áp chân (+) lớn hơn chân (−), mức đầu ra sẽ chuyển về mức nào?

+−U+U−Ura+5 V−5 VOP-AMPĐầu ra gần +4,5 V
Hiệu đầu vào U+ − U−+0,30 V
Điện áp ra mô hình+4,50 V
Trạng tháiBão hòa dương
Đầu vào chênh lệch dương: op-amp chuyển về mức cao, gần giới hạn nguồn.

Giả thiết: op-amp vòng hở, \(A_0\) hữu hạn để dễ mô phỏng, nguồn ±5 V, đầu ra giới hạn ±4,5 V; bỏ qua trễ lan truyền và nhiễu. Kết luận: mức ra phụ thuộc dấu hiệu điện áp đầu vào; đây không phải quan hệ tuyến tính vô hạn.

Câu hỏi rút ra

  1. Giữ \(U_-=0\) rồi đổi \(U_+\) từ +0,30 V thành −0,30 V. Dự đoán dấu điện áp ra.
  2. Đưa hiệu hai đầu vào rất gần 0: vì sao đầu ra chuyển mức rất nhạy?
  3. Tại sao không dùng \(U_+=U_-\) như một quy tắc cho bộ so sánh này?
📈 Mô phỏng HAT

2. Mạch khuếch đại đảo có hồi tiếp âm

Dự đoán: Nếu \(R_f/R_{in}=2\), pha và biên độ điện áp ra đổi như thế nào khi tín hiệu vào là hình sin nhỏ?

Hệ số khuếch đại tuyến tính−2,00
Biên độ ra không giới hạn1,00 V
Biên độ ra thực tế1,00 V
Trạng tháiTuyến tính
Dấu âm nghĩa là tín hiệu đầu ra đảo pha trong miền tuyến tính. Tăng biên độ quá lớn sẽ gây cắt đỉnh.

Giả thiết: khuếch đại đảo lí tưởng, đầu vào không đảo nối mốc 0 V, nguồn nuôi tạo giới hạn ra ±4,5 V; độ lớn \(R_f/R_{in}\) không phụ thuộc tần số trong dải 1–5 Hz của mô phỏng. Các điểm thời gian thuộc tín hiệu giả lập, không phải đo hiện trường.

Quan sát và trả lời

  1. Giữ \(R_{in}=10\,\mathrm{k\Omega}\) và tăng \(R_f\) từ 20 lên 40 kΩ. Biên độ ra dự kiến tăng bao nhiêu lần khi chưa bão hòa?
  2. Tăng biên độ tín hiệu vào từ 0,5 V lên 2 V với hệ số −4: đồ thị ra có còn là hình sin không méo không?
  3. So sánh mô hình này với bộ so sánh ở hoạt động 1: khác biệt nào do hồi tiếp âm?
💡 Mô phỏng HAT

3. Thiết bị đầu ra: LED, rơ-le và đồng hồ đo

Dự đoán: Nếu đầu ra 4,5 V và LED có điện áp thuận 2 V, mắc qua điện trở 1 kΩ thì dòng LED xấp xỉ bao nhiêu mA?

UraRLEDGND
LED và điện trở hạn dòng

Chỉ cho dòng chạy khi phân cực thuận. Không nối LED trực tiếp vào đầu ra.

LED đang sáng
Điện áp điều khiển+4,5 V
Dòng LED gần đúng2,50 mA
Trạng thái đầu raBật
Dòng LED tính với U_F = 2 V và mô hình lý tưởng.

Giả thiết và an toàn: LED có điện áp thuận khoảng 2 V. Ở chế độ rơ-le, ngưỡng 2,5 V chỉ là quy ước mô hình của tầng kích transistor; cuộn rơ-le không được mắc trực tiếp vào đầu ra op-amp và phải có diode bảo vệ phù hợp. Đồng hồ hiển thị chỉ mô phỏng vôn kế đầu ra, cần hiệu chuẩn để ghi đơn vị cảm biến thực.

Đánh giá và vận dụng

  1. Chuyển điện áp điều khiển từ +4,5 V sang −4,5 V: LED và rơ-le thay đổi thế nào theo mạch giả lập?
  2. Vì sao rơ-le cần tầng kích và diode dập xung ngược? Vì sao LED cần điện trở?
  3. Nếu cảm biến nhiệt độ cho 0,01 V/°C và đầu ra đã khuếch đại lên 0,1 V/°C, muốn hiển thị °C phải thay thang đo như thế nào?
🔎 Dự án học tập

4. Đề xuất mạch cảnh báo tự động an toàn

Hoạt động nhóm: chọn cảm biến ở Bài 07, xác định đại lượng đo, ngưỡng so sánh, mức điện áp cấp, thiết bị đầu ra phù hợp (LED, rơ-le điều khiển quạt qua mạch kích, hoặc đồng hồ đo); mô tả chức năng từng khối và trình bày sơ đồ khối.

  1. Ghi rõ điều kiện làm việc, điện áp một chiều thấp, tách mạch điều khiển khỏi tải điện lưới.
  2. Dự kiến bảng kiểm thử ít nhất ba tình huống: dưới ngưỡng, đúng ngưỡng, trên ngưỡng.
  3. Đối chiếu giá trị đo, mô tả nguồn sai số và cách ngăn đầu ra đóng ngắt liên tục khi tín hiệu nhiễu gần ngưỡng (ví dụ trễ/hysteresis nếu mở rộng).

Không lắp mạch điện lưới tại lớp. Bài học này không cung cấp sơ đồ mạch kích công suất đã được thẩm định để học sinh tự đấu điện ngoài đời.

04 · LUYỆN TẬP

Luyện tập theo cấu trúc đề mới

04 · Luyện tập

Luyện tập Bài 08 – Op-amp và thiết bị đầu ra

8ABCD · 2,00 điểm
4Đúng/Sai · 4,00 điểm
8Trả lời ngắn · 2,00 điểm
2Tự luận · 2,00 điểm
Nguyên tắc: Đúng/Sai bốn ý: đúng 0/1/2/3/4 ý được 0/0,10/0,25/0,50/1,00 điểm. Trắc nghiệm ABCD và trả lời ngắn tự chấm; tự luận đánh giá riêng theo tiêu chí.
05 · HỆ THỐNG HÓA

Bản đồ tư duy bài học

05 · Bản đồ tư duy

Bản đồ tư duy Bài 08

Sáu nhánh: bộ khuếch đại, tính chất op-amp, hồi tiếp âm, bộ so sánh, thiết bị đầu ra và ứng dụng.

Bản đồ tư duy Bài 08; bấm để phóng to, có chế độ xem danh sách.
Xem sơ đồ dạng danh sách
06 · EM CÓ BIẾT?

Em có biết?

06 · Em có biết?

Em có biết?

📜 Lịch sử

Từ linh kiện rời đến op-amp tích hợp

  1. Giữa thế kỉ XX Các mạch khuếch đại dùng đèn điện tử rồi transistor phát triển mạnh.
  2. Thập niên 1960 Op-amp tích hợp trở nên phổ biến, giúp tạo mạch khuếch đại và so sánh nhỏ gọn.
  3. Ngày nay Các mạch tích hợp và vi điều khiển kết hợp cảm biến, khuếch đại, điều khiển và giám sát.
🔧 Ứng dụng

Vì sao cảm biến cần khuếch đại?

  • Tín hiệu của cảm biến có thể chỉ vài milivôn, khó đưa trực tiếp vào bộ xử lí tín hiệu.
  • Khuếch đại phù hợp nâng độ phân giải hữu dụng, nhưng không xóa được nhiễu vốn có.
  • Thiết bị đầu ra có thể là LED, rơ-le, đồng hồ hoặc tầng điều khiển công suất tương ứng tải.
🛡 An toàn và sáng tạo

Thực nghiệm đúng cách

Để LED sáng cần hạn dòng; để rơ-le đóng tiếp điểm cần nguồn và mạch kích phù hợp; diode mắc song song với cuộn rơ-le theo chiều ngược trong trạng thái cấp nguồn để dập điện áp ngược khi ngắt. Không suy luận rằng mọi op-amp đều kéo trực tiếp được tải. Trong thiết kế thực, phải tra datasheet và kiểm tra các điều kiện nguồn, dòng, điện áp.

Tài liệu tham chiếu: Chuyên đề học tập Vật lí 11 Kết nối tri thức – Bài 08, trang 49–53; đặc tính định tính của mạch op-amp và thiết bị đầu ra được trình bày theo mô hình học tập.