Giáo án điện tử chuyên đề Vật lí 11 kết nối Bài 8: Bộ khuếch đại thuật toán và thiết bị đầu ra

CHÀO MỪNG CÁC EM ĐẾN VỚI LỚP HỌC VẬT LÍ!

Chuyên đề Vật lí 11 - Kết nối tri thức

KHỞI ĐỘNG

Chiếc loa của bộ tăng âm hay tai nghe của máy nghe nhạc là những vật dụng rất quen thuộc với chúng ta trong cuộc sống thường ngày. Từ người nghệ sĩ biểu diễn trên sân khấu đến các phát thanh viên, những diễn giả,... đều cần đến những thiết bị này để truyền tải tiếng đàn, tiếng hát hay giọng nói của họ đến người nghe.

Trả lời các câu hỏi:

Thiết bị nào đã làm cho chiếc loa hay cặp tai nghe phát ra âm thanh?

Bằng cách nào các thiết bị này có thể hoạt động một cách tự động?

Một mình cảm biến thì có thể làm cho thiết bị hoạt động được không?

BÀI 8:

BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ THIẾT BỊ ĐẦU RA

NỘI DUNG BÀI HỌC

I.

Bộ khuếch đại và bộ khuếch đại thuật toán

II.

Một số tính chất của bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng

III.

Thiết bị đầu ra

I.

Tại sao giọng nói khi ra loa lại to hơn?

Để âm thanh phát ra loa to hơn thì cần phải có một mạch điện tử sử dụng nguồn điện để làm tăng cường tín hiệu ra loa. Mạch điện tử đó chính là mạch khuếch đại.

Tại sao giọng nói phát ra loa lại không giống với giọng nói ban đầu?

Do tăng âm

(mạch khuếch đại) bị hỏng.

Như vậy, yêu cầu của một mạch khuếch đại không những là làm tăng cường tín hiệu mà còn phải làm tín hiệu ra giống (đồng dạng) với tín hiệu vào.

GHI NHỚ

• Một bộ khuếch đại lí tưởng là bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại lớn nhưng vẫn đảm bảo cho tín hiệu đầu ra không bị méo.
• Bộ khuếch đại là mạch điện tử có khả năng làm tăng cường độ tín hiệu điện lên nhiều lần.

Hình 8.1. Tín hiệu điện áp trước và sau khi được khuếch đại

THẢO LUẬN CẶP ĐÔI

Câu hỏi (SGK - tr.49)

• Thế nào là bộ khuếch đại thuật toán? Hãy nêu một số ví dụ ứng dụng bộ khuếch đại thuật toán trong cuộc sống mà em biết.
• Bộ khuếch đại thuật toán có ưu điểm gì?

GHI NHỚ

• Bộ khuếch đại thuật toán là bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại tuỳ chỉnh, thực hiện được nhiều chế độ khuếch đại với hệ số khuếch đại lớn.
• Bộ khuếch đại thuật toán thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu nhỏ từ các cảm biến trước khi đưa tới tầng khuếch đại tiếp theo. Ngoài ra, nó còn được ứng dụng trong các máy tính và nhiều loại thiết bị tự động hoá khác.

Ưu điểm của bộ khuếch đại thuật toán

Bộ khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại cao và có thể tuỳ chỉnh, không làm suy giảm tín hiệu lối vào và lối ra.

Băng thông rộng, ít gây nhiễu.

Sơ đồ mạch ứng dụng đa dạng.

Được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực.

MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LÍ TƯỞNG

II.

Phân tích tình huống:

Tình huống 1: Khi micro ở quá xa thì tiếng phát ra loa sẽ nhỏ. Vậy phải cần bộ tăng âm có hệ số khuếch đại như thế nào để tiếng ra loa không bị nhỏ.

Hệ số khuếch đại phải cao.

Nhờ tính chất này mà bộ khuếch đại thuật toán có thể khuếch đại được tín hiệu rất nhỏ.

Tình huống 2: Tín hiệu từ micro hoặc tín hiệu ra loa của bộ tăng âm có thể bị suy giảm do chúng bị tiêu hao bởi những thành phần trong bộ tăng âm. Đối với bộ tăng âm thì điều này tốt hay không tốt?

Nhờ tính chất này mà bộ khuếch đại thuật toán có thể cho tín hiệu ra ổn định, do đó nếu bộ tăng âm được cấu tạo từ mạch khuếch đại thuật toán thì nó sẽ có nhiều tính chất ưu việt.

Không tốt

Tình huống 3: Một bộ tăng âm có thể bị méo tiếng (tiếng bị rè) khi âm thanh tới micro quá cao (âm bổng) hoặc quá thấp (âm trầm), nguyên nhân là do hệ số khuếch đại bị thay đổi với những tần số trên. Vậy hệ số khuếch đại của bộ tăng âm phải như thế nào đối với tần số để tiếng không bị méo?

Phải ổn định (không đổi) đối với tần số.

Như vậy, bộ khuếch đại thuật toán đảm bảo cho hệ số khuếch đại không đổi khi tần số thay đổi. Nếu dùng bộ khuếch đại này để làm bộ tăng âm thì tiếng sẽ không bị méo.

Với những tính chất ưu việt như trên, bộ khuếch đại thuật toán đã được ứng dụng rất nhiều trong khoa học và trong cuộc sống.

GHI NHỚ

Một số tính chất của bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng:

• Có thể khuếch đại được tín hiệu có biên độ rất nhỏ.
• Cho phép khuếch đại được tín hiệu có công suất rất nhỏ mà không làm suy giảm tín hiệu do bị tiêu hao năng lượng.
• Có thể hoạt động ở mọi tần số.
• Tín hiệu không có thời gian trễ.
• Không gây nhiễu trong quá trình khuếch đại.

III.

Để bật, tắt bóng điện trong nhà thì chúng ta phải dùng linh kiện (dụng cụ) gì?

Công tắc

Vậy với thiết bị đóng, ngắt tự động như đèn tự động bật (tắt) khi trời tối (sáng) thì chúng ta phải dùng linh kiện gì?

Giải thích:

Tín hiệu từ cảm biến quá nhỏ không đủ để làm đèn sáng, ngay cả khi dùng mạch khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu cũng không cung cấp đủ dòng cho đèn → Vậy ta cần một thiết bị tự động đóng, ngắt mạch điện với công suất lớn được điều khiển bằng dòng điện ở lối ra của mạch khuếch đại thuật toán để đóng, ngắt mạch điện.

Thiết bị đó chính là relay.

1. Relay điện từ

Hoạt động của relay được điều khiển bởi dòng điều khiển. Dòng điều khiển có giá trị nhỏ trong khi dòng điện tải có giá trị lớn hơn rất nhiều.

Câu hỏi 1 (SGK - tr.51)

Relay điện từ là gì? Relay điện từ khác với công tắc điện thông thường thế nào? Tại sao lại cần nguồn điều khiển cho relay điện từ?

Relay điện từ là thiết bị có có chức năng đóng, ngắt hoặc chuyển mạch tải điện bằng lực từ thông qua dòng điện điều khiển.

Sự khác nhau giữa relay điện từ và công tắc thông thường:

Relay điện từ dùng dòng điện chạy qua nam châm điện tạo lực từ để điều khiển các tiếp điểm đóng, ngắt mạch điện.

Công tắc thông thường phải dùng lực “bằng tay” để thực hiện nhiệm vụ này (điều khiển các tiếp điểm đóng, ngắt mạch điện).

Nguồn điều khiển được sử dụng trong relay điện từ là để cấp dòng cho nam châm điện tạo lực từ đóng, ngắt mạch điện.

Cần nguồn điều khiển cho relay điện từ vì:

Muốn tín hiệu từ cảm biến điều khiển relay thì tại sao phải dùng đến bộ khuếch đại thuật toán?

Vì tín hiệu điện từ cảm biến quá nhỏ, không đủ để điều khiển relay.

Để tín hiệu lối ra của mạch khuếch đại thuật toán điều khiển được relay thì chúng ta phải mắc mạch thế nào?

Câu hỏi 3 (SGK - tr.51)

Relay trong Hình 8.5 sẽ hoạt động thế nào nếu nối trực tiếp đầu ra của mạch khuếch đại thuật toán với chân điều khiển của relay mà không qua diode?

Hình 8.5. Sơ đồ mạch điện cho thiết bị đầu ra là relay

• Nếu nối trực tiếp đầu ra của mạch khuếch đại thuật toán với chân điều khiển của relay mà không qua diode thì relay trong Hình 8.5 sẽ không hoạt động.
• Vì mạch khuếch đại thuật toán trong Hình 8.5 dùng nguồn đối xứng nên điện áp lối ra của nó sẽ nhận 2 mức giá trị điện áp gần bằng điện áp dương hoặc âm nguồn. Chính vì vậy, nếu không có diode chỉnh lưu (để điện áp lỗi ra chỉ nhận 2 giá trị bằng 0 hoặc dương (âm) nguồn) thì relay sẽ luôn ở trạng thái đóng mạch điện.

Gợi ý

2. Diot phát quang (LED)

• LED là một linh kiện điện từ biến đổi điện năng thành quang năng với hiệu suất cao.
• LED là một diode bán dẫn, sẽ phát sáng nếu có dòng điện chạy theo chiều thuận.

Giả sử có một LED có điện áp định mức là 2,5 V và một điện trở. Điện trở và LED phải mắc như thế nào vào nguồn điện có suất điện động 5 V mà LED không bị hỏng?

Điện trở và LED phải mắc nối tiếp.

Câu hỏi (SGK - tr.52)

1. Trong sơ đồ Hình 8.8, để dàn LED sáng thì điện áp lối ra của mạch khuếch đại thuật toán phải dương hay âm so với đất?

2. Tại sao phải mắc điện trở nối tiếp với đèn LED ở lối ra của mạch khuếch đại thuật toán?

Hình 8.8. Điện trở mắc nối tiếp với LED ở đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán

Câu 1:

Hình 8.8. Điện trở mắc nối tiếp với LED ở đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán

Vì LED chỉ sáng khi dòng điện chạy qua nó theo chiều thuận nên điện áp ra của mạch khuếch đại thuật toán trong sơ đồ Hình 8.8 SGK phải dương so với đất.

Câu 2:

Điện áp lối ra của mạch khuếch đại thuật toán thường cao hơn điện áp định mức của LED, do đó nếu mắc trực tiếp LED vào lối ra thì sẽ làm hỏng LED. Với một điện trở thích hợp được mắc nối tiếp với LED sẽ làm cho điện áp trên LED phù hợp với điện áp định mức của nó.

Hình 8.8. Điện trở mắc nối tiếp với LED ở đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán

3. Bộ hiển thị

• Bộ khuếch đại thuật toán được sử dụng để khuếch đại tín hiệu từ cảm biến khi khảo sát một đại lượng nào đó.
• Bộ hiển thị giúp hiển thị trực tiếp các giá trị cần đo.

Vôn kế dùng để làm gì? Đơn vị trên thang chia độ của vôn kế là gì?

Để đo hiệu điện thế, đơn vị trên thang đo là V, mV...

Đặt ra tình huống

Một cảm biến cho ra tín hiệu là điện áp tỉ lệ với một đại lượng vật lí nào đó. Chúng ta có thể dùng vôn kế để đo điện áp này để tính ra giá trị của đại lượng vật lí đó không?

Trong trường hợp vốn kế không đo được tín hiệu rất nhỏ từ cảm biến thì ta phải làm thế nào?

Phải sử dụng mạch khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu.

Sau khi sử dụng mạch khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu từ cảm biến để bộ hiển thị chỉ thị được đại lượng vật lí cần đo thì ta phải làm thế nào?

Phải mắc bộ chỉ thị vào lối ra của mạch khuếch đại thuật toán và hiệu chuẩn thiết bị.

Câu hỏi 1 (SGK - tr.53)

Bộ khuếch đại thuật toán có vai trò gì trong việc hiệu chuẩn thiết bị đo?

Để khuếch đại tín hiệu cần đo.

Câu hỏi 2 (SGK - tr.53)

Tại sao khi sử dụng vôn kế làm thiết bị hiển thị giá trị đo của đại lượng vật lí chúng ta phải chia lại thang đo và đơn vị đo?

Thang đo và đơn vị đo phải được chia lại vì:

• Đơn vị đo trên vôn kế có thể không cùng đơn vị đo với đại lượng vật lí cần hiển thị.
• Tỉ lệ thang chia độ trên vôn kế không cùng với tỉ lệ thang chia độ của đại lượng vật lí cần hiển thị. Trong một số trường hợp, đại lượng vật lí cần hiển thị thay đổi không tuyến tính với góc quay dẫn đến thang chia độ không đều trong khi thang chia độ của vôn kế được chia đều theo góc quay.

--------------- Còn tiếp ---------------