CHƯƠNG 10 OPAMP-CÁC MẠCH ỨNG DỤNG

OPAMP, CÁC MẠCH ỨNG DỤNG

CHƯƠNG 10

OPAMP – CÁC MẠCH ỨNG DỤNG 

10.1.TỔNG QUAN VỀ OPAMP:

10.1.1.VỊ TRÍ OPAMP TRONG THẾ GIỚI NGÀY NAY:

Năm 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

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

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

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 Nhưng việc giải quyết vấn đề ổn định cần nhiều thời gian để tính toán các bài tóan phức tạp, nhiều năm trôi

Năm 1945 H.W.Bode biểu diễn một hệ thống giải tích sự ổn định của hệ thống hồi

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 hệ thống hồi tiếp vẫn còn

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 dụng 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

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

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 từ 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 tương 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 một 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 inches3 (1 inch3  16,4 cm3) 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

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

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

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

(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

Vấn 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

Với 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

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

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

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:

Từ quan hệ (1.4) cho thấy Độ lợi (hay độ khuếch đại) điện áp mạch hở giảm thấp và

Giá trị R s càng thấp thì giá trị A v càng lớn

H.10.1

H.10.2

H.10.3

b./ Trường hợp tải R T lắp trên ngõ ra bộ khuếch đại:

Áp dụng cầu phân áp trên mạch ngõ vào,

Tóm lại, theo quan hệ (1.7) cho thấy độ lợi điện áp phụ thuộc giá trị Điện trở Tải RT

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

v v

1 B K v

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 Av tiến đến giá trị sau:

V K K

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

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

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).

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

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

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 vàođược xây dựng như sau:

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 v o  V cc

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

điện áp vòng hở là A = 10000 =10 4, nếu cấp điện áp nguồn cho Opamp có giá trị V cc = 20 V (giá

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-



H.10.11: Đặc tính chuyển điện áp của Op Amp

Vấn đề đặt ra là : làm thế nào duy trì được điều kiện trên tại các ngõ vào opamp trong

Câu trả lời cho vấn đề này là: dùng tín hiệu ngõ ra hồi tiếp trở về ngõ vào đảo của opamp,

ngõ ra sẽ đưa về và trừ với tín hiệu trên ngõ vào khơng đảo

Bây giờ chúng ta xét đến các thành phần dịng điện trên các đầu của opamp, xem hình

H.10.12 Áp dụng định luật Kirchhoff 1 ta cĩ kết quả sau:

iin+ + iin- + ic+ + ic- + io = 0 (10.18)

Với giả thiết ràng buộc các dịng điện trên các ngõ vào Opamp rất nhỏ so với dịng điện trên các đầu khác cịn lại trên Opamp, chúng ta cĩ mơ hình Opamp lý tưởng với dịng điện trên các

cho thấy tổng trở nhập của opamp cĩ giá trị rất lớn Dảy giá trị của tổng trở nhập từ vài trăm K 

được áp dụng để giải tích các mạch sử dụng opamp

Từ giả thiết trên,quan hệ (10.18) được viết lại như sau:

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 tĩan 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 quá

trình khảo sát đề nghị gọi tên cho mơ hình

R i = 2 M  ; A = 10 5 ; R 0 = 75 

H.10.12:

+ -

Ro Ri

NGÕ VÀO NGÕ RA

KÝ HIỆU CỦA OPAMP

H.10.13: Mơ Hình Tốn ( hay mạch tương đương)

của IC Op Amp

10.1.3.2.MÔ HÌNH TÓAN CỦA OPAMPLÝ TƯỞNG:

Trong hình H.10.14 trình bày mô hình

mạch tương đương của Opamp lý tưởng thỏa các giả thiết được đặt ra như sau:

Ri = 

Ro = 0 Với các thông số trên thoả mãn các điều kiện sau:

10.2.1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÓ HỒI TIẾP :

10.2.1.1.MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẦU VÀO KHÔNG ĐẢO (NON-INVERTING OPAMP):

Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại đầu vào không đảo trình bày trong hình H.10.15 Trong đó:

RF : điện trở hồi tiếp

RG : 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 Av là độ lợi (hay độ khuếch đại) điện

nghĩa tổng quát như sau:

o V in

V A V

in-i o

+ -

KYÙ HIEÄU CUÛA OPAMP

H.10.14: Mô hìnhToán (hay mạch tương đương)

của Op Amp lý tưởng

Tóm lại:

o in

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: Vcc Vo  +Vcc

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

Cần chú ý, với mạch khuếch đại trong hình H.10.16, hệ số A v = 2 Dựa vào Đặc Tuyến

chuyển của Opamp LM324 trong hình H.10.17 ta suy ra được phạm vi của giá trị V in để mạch khuếch đại tuyến tính là : -6,25V  Vin  5,25V Kết quả nhận trên ngõ ra tương ứng là -12,5V 

Vo  10,5V Mức ngưỡng bảo hoà dương và mức ngưỡng bảo hoà âm của Opamp LM324

có giá trị khác nhau.

Bây giờ, nếu tín hiệu V in được cấp đến ngõ vào mạch khuếch đại là tín hiệu biến

khuếch đại được trình bày trong hình H.10.18 Hệ số khuếch đại của mạch trong trường hợp này

vẫn là A V = 2 và điện áp sin trên ngõ ra và ngõ vào đồng pha với nhau. Điều này có thể hiểu

dễ dàng vì giá trị A v > 0

Trong hình H.10.18, khi biên độ điện áp ngõ vào rất lớn V in 6 2 sin 100 t V     điện

đương và âm Bây giờ, điện áp ngõ ra không còn dạng sin mà có dạng hình thang; biên độ

nhận được dựa vào đặc tuyến hình H.10.17

Điều quan trọng cần chú ý ngưỡng bảo hòa dương và bảo hòa âm của đặc tính

phụ thuộc vào đặc tính của từng Opamp, thay đổi mã số của Opamp các mức ngưỡng này

có thể thay đổi.

Chúng ta có thể khảo sát và dự đoán kết quả bằng các phần mềm mô phỏng như

Spice (Orcad) hay NI multisim

H.10.18: Dạng điện áp Vo trên ngõ ra và Vin trên ngõ vào mạch khuếch đại hình H.10.17

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:

R F : điện trở hồi tiếp

R G : điện trở nối từ nguồn Vin đến ngõ vào đảo Điện trở này còn được gọi là điện trở vào Opamp

Av là độ lợi khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại dùng Opamp

với Vb là điện thế tại nút b so điểm điện thế chuẩn ta có :

0 i R

V V R

V V

in F

o b G

Lý luận tương tự như trên, với Opamp lý tưởng được cung cấp nguồn kép: giá trị của

Vo cũng bị chận giới hạn trong phạm vi : –V cc  V o  V cc khi thay đổi giá trị V in

H.10.19: Dạng trên ngõ vào mạch khuếch đại hình H.10.16 và điện áp V o trên ngõ ra V in ;

lúc biên độ V o đạt trạng thái bảo hòa dương và bảo hòa âm

Các giả thiết Opamp lý tưởng cho ta :

i in- = i in+ = 0 và V in = V a – V b = 0 hay V a = V b

Suy ra:

o b

G F

3

3 in 2

2 in 1

1 in o

R

1 R

1 R 1 R

R 1 R

V R

V R V

Khi chọn các giá trị R 1 = R 2 = R 3 , quan hệ (2.12) được viết lại như sau:

in1 in2 in3 F