tài liệu uy tín được biên soạn bởi giảng viên đại học Bách Khoa TPHCM, thuận lợi cho qua trình tự học, nghiên cứu bộ tự động hóa, điện tử, cơ điện tử, cơ khí chế tạo máy, lập trình nhúng, Tài liệu được kiểm duyệt bởi giảng viên, phòng đào tạo trường đại học bách khoa, lưu hành nội bộ
Điện tử tương tự ứng dụng Chương Bộ khuếch đại tính tốn (OPAMP) Biên soạn: Tống Văn On – Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM 7.1 Tổng quan opamp Biên soạn: Tống Văn On – Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Mở đầu Mạch khuếch đại tính tốn (operational amplifier) gọi tắt opamp có ký hiệu vẽ hình 1a Opamp có ngõ vào, ngõ vào đảo (‒) ngõ vào không đảo (+), ngõ Hầu hết opamp hoạt động nguồn cấp điện DC, dương âm ta thấy hình 1b (mặc dù có số opamp sử dụng nguồn cấp điện DC đơn) Thông thường nguồn cấp điện không vẽ sơ đồ mạch nhằm mục đích đơn giản, phải hiểu chúng diện (a) (b) (c) Hình Opamp (a) Ký hiệu (b) Ký hiệu với kết nối cấp điện DC (c) Một số dạng đóng gói Opamp lý tưởng Để mô tả hoạt động, trước tiên ta xem xét đặc tính lý tưởng opamp Dĩ nhiên opamp thực tế đạt chuẩn lý tưởng này, chúng giúp ta dễ dàng tìm hiểu phân tích linh kiện Trước tiên opamp lý tưởng có độ lợi điện áp ∞ , dải thông (hay băng thông) ∞ Opamp có tổng trở ngõ vào ∞ cho khơng lấy tải nguồn tín hiệu Sau cùng, opamp lý tưởng có tổng trở ngõ Đặc tính opamp lý tưởng minh họa hình 2a (a) (b) Hình Các biểu diễn opamp (a) lý tưởng (b) thực tế Opamp thực tế Điện áp ngõ vào Vin diện hai ngõ vào (‒) (+), điện áp ngõ AvVin ký hiệu nguồn điện áp bên Mặc dù opamp thực tế đạt giá trị thơng số xem lý tưởng nhiều trường hợp, ta khơng có opamp lý tưởng Linh kiện có giới hạn, opamp khơng ngoại lệ Opamp có hai giới hạn điện áp dòng điện Điện áp ngõ đỉnh-đỉnh thường nhỏ so với hai điện áp cấp điện Dòng điện ngõ bị giới hạn hạn chế bên tiêu tán công suất phẩm chất linh kiện Các đặc tính opamp thực tế là: độ lợi điện áp cao, tổng trở ngõ vào cao,tổng trở ngõ thấp dải thông bị giới hạn, chúng minh họa hình 2b Ngồi nhiễu (noise) vấn đề opamp thực tế Sơ đồ khối opamp Hình cho ta sơ đồ khối điển hình opamp Tầng khuếch đại vi sai khuếch đại sai biệt điện áp ngõ vào (‒) (+), tầng khuếch đại điện áp cung cấp thêm độ lợi (có thể có vài tầng khuếch đại điện áp) Tầng khuếch đại đẩy kéo lớp B dùng để nâng dòng giảm tổng trở ngõ Các thông số opamp Tầng khuếch đại ngõ vào vi sai Các tầng khuếch đại độ lợi điện áp Tầng khuếch đại ngõ đẩy kéo Hình Sơ đồ khối opamp Hoạt động vi sai Hình minh họa hoạt động vi sai đầu cuối opamp, hình vi sai hai đầu cuối Đây hoạt động khuếch đại tín hiệu mong muốn Hình Hoạt động vi sai đầu cuối Các thông số opamp V‒ V‒ V+ V+ Hình Hoạt động vi sai hai đầu cuối Hoạt động cách chung Hình minh họa hoạt động cách chung opamp Tín hiệu không mong muốn xuất hai ngõ vào (‒) (+), ta khơng muốn tín hiệu xuất ngõ Hình Hoạt động cách chung Các thông số opamp Tỷ lệ loại bỏ cách chung (common mode rejection ratio) CMRR A𝐯 CMRR = , với Av độ lợi điện áp vi sai vòng hở, Acm độ lợi cách A𝐜𝐦 chung Như vậy, Av lớn Acm bé tốt Độ lợi điện áp (vi sai) vòng hở Av Av thường lớn 105 Ta có: Vout = Av(V+ ‒ V‒) Dao động điện áp ngõ cực đại Vmax Nếu khơng có tín hiệu ngõ vào, ngõ opamp lý tưởng có điện áp V gọi điện áp tĩnh Khi có tín hiệu ngõ vào, giới hạn lý tưởng điện áp ngõ đỉnh-đỉnh ± VCC Vmax thực tế không đạt giá trị VCC thay đổi theo tải RL ngõ opamp Thí dụ, opamp 741 có Vmax điển hình ± 13 V VCC = ± 15 V RL = kΩ, Vmax tăng lên ± 14 V RL = 10 k Ω Điện áp bù (offset) ngõ vào Biên soạn: Tống Văn On – Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Các thông số opamp Opamp lý tưởng tạo 0V ngõ ngõ vào có điện áp 0V Tuy nhiên với opamp thực tế, điện áp lệch DC nhỏ Vout(error) xuất ngõ khơng có điện áp ngõ vào vi sai đưa đến opamp Điện áp bù ngõ vào (input offset voltage) Vos sai biệt điện áp DC cần có hai ngõ vào (‒) (+) để buộc ngõ có điện áp 0V Giá trị điển hình Vos mV nhỏ Độ trôi (drift) điện áp bù ngõ vào lượng thay đổi Vos nhiệt độ thay đổi 1oC Giá trị điển hình tầm từ µV đến 50 µV/oC Dòng phân cực ngõ vào Ibias Hình Dòng phân cực ngõ vào I1, I2 Các thông số opamp Tổng trở ngõ vào Tổng trở ngõ vào vi sai (hình 8a) tổng trở ngõ vào cách chung (hình 8b) Hình 8a Tổng trở ngõ vào vi sai Hình 8b Tổng trở ngõ vào cách chung Dòng bù ngõ vào Ios Ios = I1 − I2 Hình Dòng bù ngõ vào Ios ảnh hưởng dòng 10 7.6 Mạch tạo sóng 75 Biên soạn: Tống Văn On – Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Mạch tạo sóng Nguồn cấp điện DC Mạch dao động Av Mạch hồi tiếp Giảm suất + Dịch pha 76 Hình 74 (a) Mạch tạo sóng (sin, vng tam giác) (b) Mạch tạo sóng sử dụng hồi tiếp dương Mạch tạo sóng sử dụng hồi tiếp dương pha Khuếch đại không đảo Mạch hồi tiếp nghịch pha Khuếch đại đảo dấu Mạch hồi tiếp Hình 75 Hồi tiếp dương 77 Mạch tạo sóng sử dụng hồi tiếp dương Dịch pha = Avf = Av.B = Mạch hồi tiếp Cùng pha (b) Độ lợi vòng kín (a) Dịch pha vòng kín 0o Hình 76 Hai điều kiện để mạch dao động tạo sóng Hai điều kiện, minh họa hình 76, cần có để trì dao động: - Độ dịch pha vòng qua mạch hồi tiếp (vòng kín) phải thực - Độ lợi vòng kín mạch khuếch đại hồi tiếp phải 78 Mạch tạo sóng sử dụng hồi tiếp dương t0: khóa K đóng cung cấp điện cho mạch dao động Avf = Av.B Hình 77 Khi dao động bắt đầu thời điểm t0, điều kiện Avf > làm cho biên độ điện áp ngõ dạng sin thiết lập đến mức mong muốn, Avf giảm trì biên độ dạng sóng sin khơng thay đổi giá trị mong muốn 79 Mạch dao động cầu Wien Hình 78 Mạch sớm-trễ pha R1C1 tạo thành phần trễ pha R2C2 tạo thành phần sớm pha Giảm suất Vout/Vin mạch 1/3 R1 = R2 XC1 = XC2 V𝐨𝐮𝐭 V𝐢𝐧 = Điện áp ngõ theo f mạch sớm-trễ pha có dạng cộng hưởng tần số fr: fr = 2πRC 80 Mạch dao động cầu Wien Hình 79 Mạch dao động cầu Wien kết hợp mạch chia điện áp mạch sớm-trễ pha Mạch chia điện áp dùng làm hồi tiếp âm mạch sớm-trễ pha sử dụng làm hồi tiếp dương Avf = 1/B = (R2 + R1)/R2 Tại tần số cộng hưởng fr mạch sớm-trễ pha, mạch có dịch pha 0o đưa ngõ vào (+) opamp, dịch pha tồn mạch 0o (hình 80a) Nếu R1 = 2R2, Avf = nên độ lợi vòng Avf.(1/3) = (hình 80b) 81 Mạch dao động cầu Wien Avf = Dịch pha vòng hồi tiếp dương= 0o Hình 80a Dịch pha vòng kín 0o Avf = Độ lợi vòng = 3(1/3) = Hình 80b Độ lợi vòng điện áp 82 Biên soạn: Tống Văn On – Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM Mạch dao động cầu Wien Độ lợi vòng > Hình 81 Khởi động trì dao động Độ lợi vòng = Hình 82 Mạch tự dao động cầu Wien Ban đầu Avf = + (R3/R2), R1 = 2R2 Khi biên độ sin đủ lớn, R3 xem ngắn mạch, Avf = Sớm-trễ pha 83 Mạch dao động cầu Wien Hình 83 Mạch tự dao động cầu Wien sử dụng JFET 84 Mạch dao động dịch pha Hình 84 Mạch dao động dịch pha B = R3/Rf = 1/29, Avf = 1/B = 29 Nếu R1 = R2 = R3 = R C1 = C2 = C3 = C fr = 2π 6𝑅𝐶 fr ≈ 6.5 kHz 85 Mạch tạo sóng tam giác vng Mạch so sánh Mạch tích phân (a) Ngõ mạch so sánh (b) Hình 85 (a) Mạch tạo sóng tam giác vng (b) Dạng sóng ngõ opamp 86 Mạch tạo sóng tam giác vuông Để bắt đầu, giả sử điện áp ngõ mạch so sánh –Vmax, mạch tích phân cho dạng sóng tăng tuyến tính ngõ Khi điện áp tăng tuyến tính đạt đến giá trị VUTP, mạch so sánh chuyển trạng thái điện áp ngõ mạch +Vmax, mạch tích phân cho dạng sóng giảm tuyến tính ngõ Khi điện áp giảm tuyến tính đạt đến giá trị VLTP, mạch so sánh chuyển trạng thái điện áp ngõ mạch – Vmax Chu kỳ lặp lại R𝟑 R𝟐 R VLTP = –Vmax 𝟑 R𝟐 VUTP = +Vmax Tần số dao động mạch: R𝟐 fr = 4R𝟏C R𝟑 Thay đổi R1 C ta thay đổi fr mà không ảnh hưởng đến biên độ dạng sóng tam giác (quyết định R2, R3) 87 Mạch tạo sóng Hình 86 Một dạng khác mạch tạo sóng tam giác (V1) vng (V2) (a) (b) Hình 87 (a) Mạch tạo sóng vng (b) Dạng sóng với ± Vf = Vmax[R3/(R3 + R2)] 88 Mạch tạo sóng vuông VCC Mạch so sánh R1 Mạch so sánh BJT tạo đường phóng điện R2 C VCC Hình 88 Mạch tạo sóng vng, fr = 1.44/[R1 + 2R2).C] 89