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
CHƯƠNG 10 OPAMP–CÁCMẠCHỨNGDỤNG
10.1.TÔNG QUAN VÊ 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. Nhưng 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 hệ 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 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.
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
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 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
(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
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 Ri và Ro 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 Ri rất lớn và giá tri của Ro rất
bé. Trong các bộ khuếch đại lý tưởng, Ri = và Ro = 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
vs
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 RT.
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:
is21
is
K.R
vK.v v
RR
(10.3)
Độ lợi điện áp Av xác định theo quan hệ:
2i
vsis
vK.R
AvRR
(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 Rs càng thấp thì giá trị Av 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
KỸ
THUẬT
ĐIỆN
ĐIỆN TỬ
– CHƯƠNG 10
b./ Trường hợp tải RT 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:
T12
To
R
vKv
RR
(10.6)
Từ (1.5) và (1.6) suy ra quan hệ sau:
2i T
Vsis To
vR R
AvRR RR
(10.7)
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 vs
trên ngõ vào bộ khuếch đại; ngõ ra được nối vào
điện trở tải RT; điện trở hồi tiếp Rf, 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
fs
vv vv 0
RR
(10.8)
Hay:
s
2
1sf fs
v
v
11
vRR 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
v11K
KR RR R
Tóm lại:
sf
2
Vss sf s
sff
RR
vK1K
AvR 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
KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 10
Thu gọn ta có:
2f
Vsf s
vKR
AvRK1R
(10.11)
Đặt:
s
sf
R
BRR
(10.12)
Tóm lại:
2
Vs
1B.K
v
Av1B.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 Av tiến đến giá trị sau:
VK
K
1B.K 1B1
limA lim 1 BB1B.K
(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
