CHƯƠNG 10 OPAMP-CÁC MẠCH ỨNG DỤNG

OPAMP, CÁC MẠCH ỨNG DỤNG

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 347 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 CHƯƠNG 10 OP AMP–CÁCMẠCHỨNGDỤNG 10.1.TỔNG QUAN VỀ OPAMP: 10.1.1.VỊ TRÍ OPAMP TRONG THẾ GIỚI NGÀY NAY: N ăm 1934, Harry Black thường xuyên dùng xe lửa làm phương tiện di chuyển từ nhà tại thành phố Newyork đến làm việc ở phòng thí nghiệm thuộc công ty Bell - New Jersey. Trong thời gian ngồi trên xe lửa, Harry đã suy nghỉ các vấn đề cần phải giải quyết liên quan đến đường dây dài điện thoại. Tín hiệu truyền trên các đường dây này cần phải được khuếch đại và các bộ khuếch đại không tin cậy sẽ giới hạn khả năng hoạt động của đường dây điện thoại. Đầu tiên, độ lợi khuếch đại rất thấp và vấn đề này được xử lý nhanh bằng các phương pháp hiệu chỉnh. Kế tiếp, ngay khi các bộ khuếch đại được hiệu chỉnh chính xác trong quá trình sản xuất, độ lợi vẫn trôi rất nhiều trong quá trình hoạt động; biên độ âm thanh rất nhỏ hay tiếng nói bị sái dạng. Có rất nhiều cải tiến hoàn thiện và ổn định bộ khuếch đại, nhưng do ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ và điện áp của bộ nguồn cung cấp tác động rất lớn đến đường dây điện thoại, đưa đến hiện tượng trôi không kiểm soát được độ lợi khuếch đại. Các phần tử thụ động có đặc tính làm trôi độ lợi nhiều hơn so với các các phần tử tác động. Đây là bài toán cần phải giải quyết. Chính Harry đã tìm được giải pháp về vấn đề này trong khoảng thời gian ngồi trên xe lửa, trên tuyến đường từ nhà đến văn phòng làm việc. Giải nghiệm đầu tiên là tạo ra các bộ khuếch đại có độ lợi lớn hơn giá trị yêu cầu. Một phần các tín hiệu ra được hồi tiếp về ngõ vào, để độ lợi của mạch phụ thuộc vào các phần tử thụ động hồi tiếp hơn là phần tử tác động của bộ khuếch đại (mạch khuếch đại có các phần tử hồi tiếp). Mạch điện này được gọi là hồi tiếp âm, đây chính là nguyên lý hoạt động nền tảng của tất cả các op amps hiện đại ngày nay. Tại thời điểm này, các mạch hồi tiếp được tạo ra đầu tiên này nhưng các nhà thiết kế không để ý đến hiệu quả của nó. Thời gian trôi qua đã chứng minh các suy nghĩ của Harry là đúng, nhưng vấn đề mà Harry không giải thích được là hiện tượng dao động. Một mạch khuếch đại được thiết kế với độ lợi vòng hở rất lớn đôi khi dao động khi hoạt động trong điều kiện vòng kín. Nhiều người đã nghiên cứu tìm tòi hiện tượng bất ổn và hiểu thấu đáo vấn đề này vào năm 1940. Nh ưng việc giải quyết vấn đề ổn định cần nhiều thời gian để tính toán các bài tóan phức tạp, nhiều năm trôi qua con người chưa tạo được giải nghiệm đơn giản dễ hiểu. N ăm 1945 H.W.Bode biểu diễn một hệ thống giải tích sự ổn định của hệ thống hồi tiếp bằng phương pháp đồ thị. Cho đến nay, giải tích hồi tiếp được thực hiện bằng các phép tính nhân, chia, tính toán trên hàm chuyển (transfer functions – hay hàm truyền) là công việc cần nhiều thời gian và sự cố gắng. Chúng ta nên nhớ trong giai đoạn này cho đến năm 1970, các kỹ sư không tính toán trên các máy tính. Giản đồ Bode được biểu diễn bằng logarit, được chuyển sang phương pháp toán học mạnh mẻ hơn để tính toán sự ổn định của hệ thống hồi tiếp bằng phương pháp giải tích đồ thị đơn giản và dễ hiểu hơn. Việc thiết kế h ệ thống hồi tiếp vẫn còn phức tạp, nhưng sau đó không lâu một số các kỹ sư điện đề nghị phương pháp dùng đến hộp đen. Bất kỳ một kỹ sư điện nào cũng có thể dùng phương pháp Bode xác định tính ổn định cho một mạch hồi tiếp, từ đó các áp dụng hồi tiếp cho máy móc thiết bị được phát triển. Việc thiết kế hệ thống hồi tiếp bằng mạch điện tử thực sự không cần đến nhiều tại thời điểm này, cho đến thời đại của máy tính và các bộ chuyển đổi ra đời các hệ thồng hồi tiếp mới được sử dụ ng nhiều hơn Các máy tính đầu tiên ở dạng máy tính tương đồng (analog computer), hay máy tính tương tự. Các máy tính này sử dụng các phương trình được lập trình trước và các dữ liệu nhập để tính toán và điều khiển các tác động. Sự lập trình được kết nối với một chuổi các mạch nối tiếp để thực thi các phép tính trên các dữ liệu; cuối cùng chính sự kết nối này làm giãm tính thông dụng của máy tính tương dồng. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 348 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 Thành phần chính của máy tính tương đồng là các linh kiện được gọi là khuếch đại thuật toán (operational amplifier) vì cấu hình của nó dùng thực thi các phép tính: cộng, trừ, nhân, chia dữ liệu của các tín hiệu ngõ vào. Tên gọi tắt của các linh kiện khuếch đại thuật toán là Op Amp. Op Amp được dùng để khuếch đại với độ lợi khuếch đại vòng hở giá trị lớn, và khi khuếch đại vòng kín, bộ khuếch đại tạo thành các phép tính toán học được ghi nhận bởi các phần tử thụ động bên ngoài. Các bộ khuếch đại này đầu tiên có kích thước rất lớn vì được tạo thành t ừ các đèn điện tử chân không và cần điện áp nguồn cung cấp có giá trị cao dẫn đến giá thành cao khi sử dụng trong lãnh vực thương mại. Ngày nay, các máy tính tương đồng có mục tiêu tổng quát được tìm thấy trong các trường đại học và trong các phòng thí nghiệm lớn với mục tiêu nghiên cứu các hoạt động. Cần thực hiện hoạt động song song tín hiệu của các bộ chuyển đổi trong các thí nghiệm và Op Amps tìm ra các phương thức ứng dụng các tín hiệu này. Khi những áp dụng các tín hiệu được mở rộng, yêu cầu sử dụng Op Amps phát triển, dẫn đến sự cần thiết về máy tính t ương đồng: Op Amp tiếp tục tồn tại vì tính quan trọng của các áp dụng analog đa năng. Ngay khi máy tính số thay thế máy tính tương tự (khi cần đo lường theo thời gian thực) các yêu cầu về Op Amps vẫn gia tăng vì các áp dụng đo lường vẫn còn có nhu cầu. Các tín hiệu tác động đầu tiên được tạo thành bằng các đèn chân không rồi tiếp đến là do các transistor.Trong suốt khoảng thời gian của thập niên 1950, các đèn chân không có kích thước nhỏ hơn hoạt động với điện áp nguồn thấp hơn được các nhà sản xuất thu gọn kích thước và đưa vào các thiết bị dân dụng, một module Op Amps lúc bấy giờ có tên riêng là “brick”. Kích thước của các đèn chân không và các linh kiện được giảm dần cho đến khi m ột Op Amps được thu nhỏ kích thước chỉ còn bằng kích thước của một đèn octal chân không (đèn 8 cực chân không). Khi cáctransistor được đưa vào lãnh vực thương mại ở thập niên 1960, kích thước của Op Amps thu gọn đến vài inches 3 (1 inch 3  16,4 cm 3 ) và vẫn còn được gọi là “brick”. Tên gọi “brick” được gọi cho bất kỳ module điện tử nào sử dụng phương pháp kết khối dùng phương pháp hổn hợp, không dùng phương pháp tạo khối dùng mạch tích hợp IC (intergrated circuit). Hầu hết các Op Amps đầu tiên được chế tạo với các ứng dụng riêng, không có mục tiêu chung tổng quát. Các IC được trang bị vào những năm cuối của thập niên 1950 và đầu thập niên 1960, nhưng cho đến giữa thập niên 1960 nhà sản xuất Fairchild cho ra linh kiện Op Amp đầu tiên là µA709 do Robert J.Widler thiết kế để dùng trong lãnh vực thương mại. Bất lợi chính của linh kiện µA709 là vấn đề ổn định, linh kiện cần bồi hoàn (bù) từ mạch ngoài . Tiếp theo là linh kiện µA741 là Op Amps có bồi hoàn bên trong, không dùng mạch ngoài, hoạt động theo tính năng trình bày trong tài liệu kỹ thuật (data sheet). Tuy nhiên µA741 không được chấp nhận sử dụng nhiều hơn so với µA709. Tiếp sau đó các phiên bản khác của Op Amps được thiết kế liên tục với các đặc tính và độ tin cây được cải thiện không ngừng. Các Op Amp ngày nay có thể hoạt động ổn định trong dảy tần số (frequency spectrum) từ 5 kHz đến 1 GHz. Dảy điện áp nguồn cung cấp đảm bảo cho các hoạt động từ 0,9 V đến 1000 V. Op Amps thật sự trở thành một IC analog đa năng cho các họat động dưới dạng analog. Op Amps có thể hoạt động như bộ driver ,bộ so sánh (comparator), bộ khuếch đại (amplifier), bộ dời mức (level shifter) , bộ dao động (oscilator), bộ lọc (filter), bộ tạo tín hiệu điều khiển, actuatordriver, nguồn dòng (current source), nguồn áp (voltage source) và các áp dụng khác . . . V ấn đề thường được đặt ra cho người thiết kế là: bằng cách nào giải quyết nhanh chọn ra các mạch hiệu chỉnh dùng tổ hợp từ các Op Amps, và bằng cách nào tính nhanh các thông số cho các phần tử thụ động cần thiết trong các mạch dùng làm hàm chuyển (hàm truyền). Quá trình này được giải quyết bằng nhiều môn học: Mạch Điện Tử , Điều Khiển Tự Động . . . V ới phần trình bày tóm tắt quá trình lịch sử hình thành và phát triển của linh kiện Op Amps, chúng ta có được tầm nhìn khái quát và hiểu được các phạm vi áp dụng cũng như công dụng của linh kiện Op Amps. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 349 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 10.1.2.MÔ HÌNH CỦA OP AMPS: 10.1.2.1. MÔ HÌNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI: Bộ khuếch đại là linh kiện có tính năng làm tăng biên độ của các tín hiệu. Thành phần chính trong bộ khuếch đại là nguồn áp phụ thuộc điện áp ngõ vào. Mô hình đơn giản của bộ khuếch đại điện áp trình bày trong hình H.10.1. Từ mô hình này, chúng ta rút ra các nhận xét như sau: Khi ngõ ra hở mạch, điện áp trên ngõ ra được xác định theo quan hệ: 21 vK.v (10.1) Trong đó, K là hệ số nhân; được gọi là Độ Lợi mạch hở (Open circuit Gain). Điện trở R i và R o lần lượt được gọi là: Điện trở ngõ vào và Điện Trở ngõ ra của bộ khuếch đại. Với yêu cầu hoạt động tốt nhất cho bộ khhuếch đại, giá trị R i rất lớn và giá tri của R o rất bé. Trong các bộ khuếch đại lý tưởng, R i =  và R o = 0. Mạch tương đương của bộ Khuếch đại lý tưởng được trình bày trong hình H.10.2. THÍ DỤ 10.1 Cho mạch khuếch đại như trong hình H.10.3. Xác định độ lợi 2 v s v A V  theo hai trường hợp : a./ Ngõ ra bộ khuếch đại hở mạch. b./ Tải trên ngõ ra bộ khuếch đại là điện trở R T . GIẢI a./ Trường hợp bộ khuếch đại hở mạch ngõ ra: Áp dụng cầu phân áp trên mạch ngõ vào, ta có quan hệ sau: i 1s is R vv RR      (10.2) Suy ra: i 21 s is K.R vK.v v RR       (10.3) Độ lợi điện áp A v xác định theo quan hệ: 2i v sis vK.R A vRR   (10.4) Từ quan hệ (1.4) cho thấy. Độ lợi (hay độ khuếch đại) điện áp mạch hở giảm thấp và phụ thuộc vào giá trị nội trở Rs cuả Nguồn áp cấp đến ngõ vào bộ khuếch đại. Giá trị R s càng thấp thì giá trị A v càng lớn. H.10.1 H.10.2 H.10.3 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 350 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 b./ Trường hợp tải R T lắp trên ngõ ra bộ khuếch đại: Áp dụng cầu phân áp trên mạch ngõ vào, ta có quan hệ sau: 1s is Ri vv RR       (10.5) Tương tự, áp dụng cầu phân áp trên mạch ngõ ra, ta có quan hệ sau: T 21 To R vKv RR      (10.6) Từ (1.5) và (1.6) suy ra quan hệ sau: 2i T V sis To vR R A vRR RR          (10.7) Tóm lại, theo quan hệ (1.7) cho thấy độ lợi điện áp phụ thuộc giá trị Điện trở Tải R T . 10.1.2.2. MÔ HÌNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI LÝ TƯỞNG CÓ HỒI TIẾP: Với bộ khuếch đại lý tưởng có mạch tương đương trình bày trong hình H.10.2 cấp nguồn áp v s trên ngõ vào bộ khuếch đại; ngõ ra được nối vào điện trở tải R T ; điện trở hồi tiếp R f , nối hai điểm A từ một đầu ngõ vào đến điểm B trên một đầu ngõ ra , xem hình H.1.5. Bây giờ chúng ta khảo sát độ lợi điện áp của mạch khuếch đại có hồi tiếp. Áp dụng phương pháp giải mạch dùng phương trình điện thế nút tại A, ta có: 1s 12 sf vv vv 0 RR    (10.8) Hay: s 2 1 sf fs v v 11 v RR RR     (10.9) Tại B ta có: 21 vK.v (10.10) Từ (10.9) và (10.10) suy ra: s 2 sff s v v 11K KR RR R         Tóm lại:  sf 2 V ss sf s sff RR v K1K A vR RRK1R 11K RRR                H.10.4 H.10.5 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 351 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 Thu gọn ta có:  2f V sf s vKR A vRK1R   (10.11) Đặt: s sf R B RR   (10.12) Tóm lại:  2 V s 1B.K v A v1B.K    (10.13) Điều cần chú ý khi K có giá trị rất lớn, về mặt toán học xem như giá trị K  +; trong trường hợp này giá trị của độ lợi điện áp A v tiến đến giá trị sau:   V K K 1B.K B1 1 limA lim 1 1B.K B B       (10.14) 10.1.2.3. MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MỘT OPAMP: Theo Tài liệu Kỹ Thuật của nhà sản xuất National Semiconductor sơ đồ nguyên lý của mạch điện bên trong, cấu thành IC Op Amp LM 741 được trình bày trong hình H.10.6. Chúng ta có thể hiểu một cách đơn giản: Op Amps là linh kiện được tạo thành bằng sự tổ hợp từ nhiều phần tử tích cực (transistor) với các phần tử thụ động khác theo một qui luật riêng được qui định do nhà sản xuất. Qui luật riêng chính là mạch điện được trình bày trong sơ đồ nguyên lý Hình dạng thực của linh kiện Op Amp LM741 được trinh bày trong hình H.10.7, kích thước thực sự của IC 8 chân trình bày trong hình H.10.8. H.10.6: Sơ đồ nguyên lý (Schematic Diagram) mô tả cấu trúc bên trong Op Amp LM 741 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 352 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 H.10.7. Đế chân IC ( 8 DIP Socket) IC Opamp có 8 chân ra Với IC Op Amp LM741 với kiểu vỏ 8 DIP 300 các chân ra được đánh số thứ tự từ 1 đến 8 và xếp tuần tự theo thứ tự tứ 1 đến 8 theo chiếu dương lượng giác. Vị trí chân 1 qui định xếp trên cùng của hàng chân phía trái khi nhìn xuống từ phía trên thân của IC. Vị trí chân 1 còn được qui định theo vị trí dấu chấm ở phía đầu trên thân IC (xem hình H.10.7). Mỗi chân ra IC được mang tên theo chức năng, xem hình H.10.8. Ký hiệu biểu diễn cho IC Opamp trình bày trong H.10.9. Năm 1968, nhà sản xuất Fairchild Semiconductor đã sản xuất opamp A741 với các ứng dụng rộng rãi tổng quát trong các lãnh vực thương mại. Linh kiện có kiểu vỏ MINIDIP và có 8 chân ra . DIP là danh từ viết tắt từ thuật ngữ Dual In–line Packages, có nghĩa là tất cả các đầu ra của linh kiện trên mỗi phía được bố trí trên đường thẳng (các đầu ra tại một phía thẳng hàng với nhau). Khi khảo sát Opamp, cần quan tâm đến các đầu ra sau đây : Đầu cấp nguồn điện DC để Opamp họat động: đầu Vcc+ và đầu Vcc Ngõ vào không đảo (noninverting input). Ngõ vào đảo (inverting input). Ngõ ra (output). Thông thường có thể đánh dấu các đầu cung cấp nguồn điện để Opamp họat động bằng ký hiệu V+ (hay V cc+ ) ; V- (hay V cc- ) . Trên ngõ vào của khối Opamp, tín hiệu vào cấp tại ví trí có đánh dấu + là ngõ vào không đảo ; ngược lại tín hiệu cấp vào tại vị trí có đánh dấu – ứng với ngõ vào đảo. H.10.8: Chức năng các chân ra IC LM741 H10.9 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 353 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 10.1.2.4. ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN TRÊN CÁC ĐẦU CỦA OP AMP: Khi khảo sát điện áp trên các đầu của Opamp, chúng ta cần chọn một nút làm nút điện thế chuẩn (0V). Trong trường hợp này nút chuẩn được chọn là giao điểm của một cực dương và một cực âm của hai nguồn DC có điện áp Vcc tạo thành nguồn kép cung cấp vào hai đầu V+ và V- của opamp , xem hình H10.10. Các tín hiệu điện áp cấp tại các ngõ vào đảo và không đảo của opamp cũng đấu chung một đầu về nút chuẩn. Các quan hệ điện áp trên ngõ ra với điện áp cấp đến các ngõ vào được xây dựng như sau: oinin vA.(v V)   (10.15) Với: cc o cc V vV   (10.16) Quan hệ (10.15) xác định điện áp ngõ ra theo độ chêch lệch điện áp giữa các ngõ vào của opamp   in in in vvv     . Quan hệ (10.16) xác định giới hạn của giá trị điện áp ngõ ra. A là hệ số khuếch đại điện áp vòng hở. Một cách tổng quát, khi cung cấp nguồn điện kép có giá trị V cc cho Op Amp, điện áp ngõ ra v o thỏa tính chất sau: Opamp họat động theo chế độ khuếch đại tuyến tính khi occ vV . Khi giá trị v o nằm ngòai khỏang giá trị cho trong quan hệ (10.16), Opamp họat động theo chế độ bảo hòa. Tại trạng thái này điện áp ngõ ra v o = +Vcc (bảo hòa dương) hay v o = Vcc (bảo hòa âm) và độc lập đối với giá trị   in in in vvv     . Đặc tính làm việc của Opamp mô tả quan hệ giữa áp ngõ ra v o theo      ininin vvv theo hình H.10.11. Đặc tính làm việc còn được gọi là đặc tính chuyển điện áp (Voltage Transfer characteristic). Chúng ta cần chú ý tính chất sau, giả sử Opamp có hệ số khuếch đại điện áp vòng hở là A = 10000 =10 4 , nếu cấp điện áp nguồn cho Opamp có giá trị V cc = 20 V (giá trị tối đa cho phép trên một số Opamp) thì giá trị tương ứng của     ininin vvv được xác định như sau: cc in V 20V v2mV A 10000    Với kết quả này chúng ta thấy được vùng khuếch đại tuyến tính mở rộng trong phạm vi v in từ - 2mV đến +2mV. Lúc này xem như V in+  V in- .     in in in in in vvv 0 VV        (10.17) Với kết quả tìm được, cho thấy điều kiện thật sự tại các ngõ vào opamp. A V cc A V cc  in v  H.10.11: Đặc tính chuyển điện áp của Op Amp Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 354 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 Vấn đề đặt ra là : làm thế nào duy trì được điều kiện trên tại các ngõ vào opamp trong khi mạch điện đang họat động . Câu trả lời cho vấn đề này là: dùng tín hiệu ngõ ra hồi tiếp trở về ngõ vào đảo của opamp, q trình phản hồi tín hiệu theo mơ tả trên được gọi là hồi tiếp âm; tín hiệu nhận được trên ngõ ra sẽ đưa về và trừ với tín hiệu trên ngõ vào khơng đảo. Bây giờ chúng ta xét đến các thành phần dòng điện trên các đầu của opamp, xem hình H.10.12. Áp dụng định luật Kirchhoff 1 ta có kết quả sau: i in+ + i in- + i c+ + i c- + i o = 0 (10.18) Với giả thiết ràng buộc các dòng điện trên các ngõ vào Opamp rất nhỏ so với dòng điện trên các đầu khác còn lại trên Opamp, chúng ta có mơ hình Opamp lý tưởng với dòng điện trên các ngõ vào triệt tiêu, i in+ = i in-  0 .Với giả thiết này cho thấy tổng trở nhập của opamp có giá trị rất lớn. Dảy giá trị của tổng trở nhập từ vài trăm K đến vài ngàn M . Quan hệ i in+ = i in-  0 ln được áp dụng để giải tích các mạch sử dụng opamp. Từ giả thiết trên,quan hệ (10.18) được viết lại như sau :   occ iii     (10.19) Tóm lại , khi bỏ qua ảnh hưởng các dòng điện trên ngõ vào opamp; dòng điện trên ngõ ra của opamp ln bằng tổng giá trị các dòng điện từ các nguồn cung cấp vào opamp. 10.1.3. MƠ HÌNH TỐN HAY MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA OP AMP: 10.1.3.1.MƠ HÌNH TĨAN CỦA OPAMP KHI HỌAT ĐỘNG TRONG VÙNG KHUẾCH ĐẠI: Trong phần này chúng ta trình bày mạch tương đương của opamp thực tế khi hoạt động trong vùng khuếch đại tuyến tính. Đây là mơ hình tóan học mơ tả cấu trúc Op Amp gần giống thực tế, được sử dụng trong một số các phần mềm dùng mơ phỏng, hình H10.13. Để đơn giản cho q trình khảo sát đề nghị gọi tên cho mơ hình này là mơ hình tốn dạng chính xác .Trong mơ hình này, ta có: R i : tổng trở nhập Opamp. A: độ khuếch đại điện áp vòng hở. R o : tổng trở ngõ ra Opamp Trên mạch tương đương chúng ta còn có nguồn áp phụ thuộc giá trị       ininin vvv của điện áp trên các ngõ vào và độ khuếch đại điện áp vòng hở A. Với IC Opamp LM741, giá trị của các phần tử trong mạch tương đương để tham khảo được tóm tắt như sau: R i = 2 M ; A = 10 5 ; R 0 = 75 . H.10.12: + - Ro Ri + - A.(vin+ -vin-) + Vin+ - + Vin- - + Vo - iin + iin- io + - NGÕ VÀO NGÕ RA KÝ HIỆU CỦA OPAMP H.10.13: Mơ Hình Tốn ( hay mạch tương đương) của IC Op Amp. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 355 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 10.1.3.2.MƠ HÌNH TĨAN CỦA OPAMPLÝ TƯỞNG: Trong hình H.10.14 trình bày mơ hình mạch tương đương của Opamp lý tưởng thỏa các giả thiết được đặt ra như sau: R i =  A =  R o = 0 Với các thơng số trên thoả mãn các điều kiện sau:   0vvv ininin      (10.20) i in+ = i in- = 0 (10.21) 10.2. CÁC MẠCH ỨNG DỤNG DÙNG OP-AMP : 10.2.1. MẠCH KHUẾCH ĐẠI CĨ HỒI TIẾP : 10.2.1.1.MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẦU VÀO KHƠNG ĐẢO (NON-INVERTING OPAMP): Sơ đồ ngun lý mạch khuếch đại đầu vào khơng đảo trình bày trong hình H.10.15. Trong đó: R F : điện trở hồi tiếp. R G : điện trở nối đến nút điện thế chuẩn (OV) từ ngõ vào đảo. Điện trở này còn được gọi là điện trở vào Opamp. Gọi A v là độ lợi (hay độ khuếch đại) điện áp của mạch khuếch đại Opamp. Ta có định nghĩa tổng qt như sau: o V in V A V  (10.22) Gọi V b là điện thế tại b so với nút chuẩn, áp dụng phương trình điện thế nút tại b cho ta quan hệ như sau: bbo in GF VVV i0 RR    (10.23) Áp dụng các giả thiết Opamp lý tưởng ta có: in i0   (10.24) in a b in b V VVV V0  (10.25) Từ các quan hệ (10.24) và (10.25) , suy ra quan hệ: in o in GF VV V 0 RR   + - + - A.(vin+ -vin-) + Vin+ - + Vin- - + Vo - iin + iin- io + - NGÕ VÀO NGÕ RA KÝ HIỆU CỦA OPAMP R O = 0  i R H.10.14: Mơ hìnhTốn (hay mạch tương đương) của Op Amp lý tưởng. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 356 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 Tóm lại: o in GF F V 11 V RR R     Hay: o F V in G V R A1 VR     (10.26) CHÚ Ý: Từ quan hệ (10.26) chúng ta rút ra các nhận xét như sau: Khi Opamp được cung cấp bằng nguồn kép, đặc tính chuyển điện áp của Opamp có dạng như trong hình H.10.11. Nếu điện áp ngõ vào V in = K (hằng số), nói khác đi V in là điện áp một chiều độc lập đối với biến thời gian. Theo (10.26) điện áp nhận trên ngõ ra cũng là điện áp một chiều có giá trị là V o = K.A V và giá trị V o phải nằm trong phạm vi giới hạn sau đây: V cc  V o  +V cc Trong hình H.10.26 trình bày mạch khuếch đại đầu vào không đảo dùng Opamp mang mã số LM324, được cung cấp bằng nguồn kép  12V DC (tạo bởi các nguồn V 1 và V 2 ). Khi nguồn áp V 3 (trên ngõ vào) thay đổi giá trị từ -12V đến +12V, điện áp V o trên ngõ ra thay đổi tương ứng. Đặc tính chuyển mô tả quan hệ giữa V o theo V in trình bày trong hình H.10.17. H.10.16 H.10.17: Đặc tính chuyển DC của Opamp LM324 mô tả quan hệ giữa V o khi thay đổi V in [...]... trên ngõ ra của mạch cộng là: 10, 5V  Vo  5V , xem hình H .10. 25 H .10. 25: Đặc tuyến chuyển của Opamp TL084 trong mạch cộng hình H .10. 23 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 362 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 H .10. 26: Dạng điện áp Vout trên ngõ ra của mạch cộng dùng Opamp trong hình H .10. 23 10. 2.3 MẠCH TRỪ TÍN HIỆU VÀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI... 2,2 M 0 +10 V io - 5k R 0 + R3 3,2 k -20V Vo 0 OUT + + 0 - 0 Cho mạch Op Amp lý tưởng trong hình H .10. 41 Xác định : 0 Vo 0 BÀI TẬP 10. 2 3,5 A + R4 40 k Volt Keá -10V + 0 H .10. 42 - H .10. 41 BÀI TẬP 10. 3 Cho Volt kế có kim quay lệch toàn khung khi đo điện áp 10 V Giả sử Op Amp lý tưởng Xác định số chỉ của Volt kế khi lắp trên ngõ ra của mạch khuếch đại Op Amp trong hình H.2.36 R1 10 k +6V BÀI TẬP 10. 4 Giả... để làm mạch khuếch đại Op Amp đạt bảo hòa R3 + + R3 1k 5 V -15 V 110 k R4 io R 11 k 0 +9 V 0 - H .10. 48 OUT R1 13 k + + + R2 27 k i1 +15 V R5 47 k -9V i2 V1 BÀI TẬP 10. 10 Vo - Giả sử các Op Amp cho trong mạch hình H .10. 49 là lý tưởng và V1 = 800 mV ; V2 = 400 mV a./ Tìm áp vo 0 V2 b./ Tìm dòng i1 và i2 c./ Tìm độ lợi điện áp của mạch khuếch đại 0 0 R4 H .10. 49 100 k R5 20 k BÀI TẬP 10. 13: 0 Cho mạch điện... TỬ – CHƯƠNG 10 Vin2  Vin2   Vin2   Ve  Vd  0 và iin2- = iin2+ = 0 (10. 48) Từ (10. 247) suy ra Va  Vb vì Va = 0 suy ra Vb = 0 Tương tự theo (10. 48) ta suy ra được kết quả Ve  Vd  0 Quan hệ (10. 45) được viết lại khi áp dụng điều kiện Op Amps lý tưởng như sau:  Vin1  Vc  0 R1 RF1 (10. 49) R  Vc    F1  Vin1  R1  (10. 50) Hay: Tương tự,quan hệ (10. 46) được thu gọn như sau khi áp dụng. .. ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 VCC+ a b R2 Vin2 + - R1 + VCC- Vin1 - Vin1 + RF Vo RG + 361 Vin2 OV H .10. 23 H .10. 24: Dạng điện áp Vin1 và Vin2 trên ngõ vào GIẢI: của mạch cộng dùng Opamp trong H .10. 23  R   V  Vin2  Áp dụng quan hệ (10. 31) ta có: Vo   1  F   in1  Vì RF = RG = 10 KΩ suy ra RG   2   kết quả như sau: Vo  Vin1  Vin2 Khi Vin1 thay đổi trong phạm vi 10V  Vin1  10V và Vin2 ... cho trong mạch hình H .10. 43 là lý tưởng 0,5 mA io OUT + + Xác định dòng io 0 0 R2 2,5 k - 6V 0 R3 5k 0 H .10. 43 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 371 R2 10 k BÀI TẬP 10. 5 +6 V R1 5k V1 OUT R6 + Vo + + 5k -6 V 2,5 V 0 Giả sử Op Amp cho trong mạch hình H .10. 44 là lý tưởng Mạch điện có dạng mạch kẹp... R6 20 k -20 V V4 Vo - 0 0 H .10. 45 R2 50 k BÀI TẬP 10. 7 Giả sử các Op Amp cho trong mạch hình H .10. 46 là lý tưởng Tìm dòng io R1 R4 250 k - 10 k +12 V +12V R3 5 k OUT io -12 V 0 - OUT + + 2V R5 25 k + + 1V -12 V 0 0 0 H .10. 46 VR R2 R1 - 20 k + + 0 R4 0 16 k Giả sử các Op Amp cho trong mạch hình H .10. 47 là lý tưởng và 0  V1  1,2V +5 V R3 - OUT io V1 BÀI TẬP 10. 8 80 k 10 k +10 V Điều chỉnh biến trở VR... THÍ DỤ 10. 2: Trong mạch H .10. 23 cho : Vcc = ± 12 V ; R1 = R2 = 4,7 KΩ ; RF = RG = 10 KΩ ; Opamp có mã số là TL084 Các tín hiệu điện áp trên ngõ vào Vin1 và Vin2 có dạng như trong hình H .10. 24 Đặc tuyến chuyển của Opamp TL084 (tương ứng với thông số của mạch khuếch đại trong hình H .10. 23) trình bày trong hình H .10. 25 Xác định dạng tín hiệu áp Vo trên ngõ ra của mạch khuếch đại cho trong hình H .10. 26... Điện- 2009 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 359 10. 2.2.MẠCH CỘNG TÍN HIỆU (ADDER): Chúng ta xét hai trường hợp cho mạch cộng tín hiệu dùng Opamp: Mạch cộng tín hiệu tại ngõ vào không đảo (hình H .10. 21) Mạch cộng tín hiệu tại ngõ vào đảo (hình H .10. 22) MACH CỘNG CÁC TÍN HIỆU TẠI NGÕ VÀO KHÔNG ĐẢO: Viết phương trình điện thế nút tại b, ta có: Vb Vb  Vo   iin   0 RG RF (10. 29) Phương trình điện thế nút... Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 358 H .10. 19: Dạng trên ngõ vào mạch khuếch đại hình H .10. 16 và điện áp Vo trên ngõ ra Vin ; lúc biên độ Vo đạt trạng thái bảo hòa dương và bảo hòa âm 10. 2.1.2.MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẦU VÀO ĐẢO (INVERTING OPAMP): Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại đầu vào đảo trình bày trong hình H .10. 20 Trong đó: RF : điện trở hồi tiếp RG : điện trở nối từ . Thực Tập Điện- 2009 347 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 CHƯƠNG 10 OP AMP–CÁCMẠCH ỨNG DỤNG 10. 1.TỔNG QUAN VỀ OPAMP: 10. 1.1.VỊ TRÍ OPAMP TRONG THẾ GIỚI NGÀY NAY: N ăm. TỬ – CHƯƠNG 10 10. 2.2.MẠCH CỘNG TÍN HIỆU (ADDER): Chúng ta xét hai trường hợp cho mạch cộng tín hiệu dùng Opamp: Mạch cộng tín hiệu tại ngõ vào không đảo (hình H .10. 21). Mạch. 362 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10 H .10. 26: Dạng điện áp V out trên ngõ ra của mạch cộng dùng Opamp trong hình H .10. 23 10. 2.3. MẠCH TRỪ TÍN HIỆU VÀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI VI SAI: Đầu