Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Trang 8.1
Chương 8: CÁC MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP
8-1 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LÝ TƯỞNG.
Nhắc lại rằng đại thuật toán là một khuếch đại ghép trực tiếp (vi sai) với hai ngõ vào và
một ngõ ra. Chúng ta sẽ định nghĩa một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng theo những
đặc tính như sau:
1. Nó có hệ số khuếch đại vô cùng.
2. Trở kháng ngõ vào là vô cùng.
3. Trở kháng ngõ ra là 0.
Mặc dù trên thực tế, không có bộ đại nào thỏa mãn hoàn toàn bất kỳ các yêu cầu
trên, nhưng chúng ta xem như mô hình khuếch đại có hệ số khuếch đại và trở kháng
ngõ vào rất lớn, và trở kháng ngõ ra rất nhỏ, đó là những kết quả sai số nhỏ không đáng
kể so với những đặc điểm lý tưởng đó.
Hình 8-1 trình bày kí hiệu chuẩn cho một bộ khuếch đại thuật toán. Chú ý rằng:
hai ngõ vào được đặt là “ + ” và “ - “ và những tín hiệu ngõ vào đã được chỉ rõ tương
ứng vi+ và vi. Nếu những ngõ vào là các tín hiệu khác pha, thì ngõ ra bộ khuếch đại sẽ
cùng pha với vi+ và ngược pha với vi-. Vì lý do này, ngõ vào cực dương được gọi là ngõ
vào không đảo và ngõ vào âm được gọi là ngõ vào đảo. Trong nhiều ứng dụng, một
trong các ngõ vào bộ khuếch đại được nối đất, nên vo cùng pha với ngõ vào nếu tín hiệu
được nối với ngõ vào không đảo, và vo là ngược pha với ngõ vào nếu tín hiệu được nối
với ngõ vào đảo. Những ý tưởng này được tóm tắt trong bảng kèm theo hình 8-1.
Hình 8-1: Ký hiệu đại thuật toán, ngõ vào đảo (-) và ngõ vào không đảo (+)
Ở thời điểm này, một câu hỏi chính đáng mà có lẽ đã xảy ra với người đọc là: nếu
hệ số khuếch đại là vô cùng, ngõ ra có thể là những dạng gì khác hơn là một dạng sóng
xén? Về lý thuyết, nếu khuếch đại có hệ số khuếch đại là vô cùng, thì một điện áp vào
rất nhỏ phải cho kết quả ở điện áp ngõ ra là rất lớn. Câu trả lời, dĩ nhiên là hệ số khuếch
đại đó không là vô cùng, mà chỉ là rất lớn. Tuy nhiên, nó chỉ đúng khi một điện áp ngõ
vào rất nhỏ sẽ gây ra khuếch đại điện áp ở ngõ ra để lái tới giới hạn điện áp dương
hoặc âm rất lớn. Thực tế trả lời là khuếch đại thuật toán thì ít khi sử dụng toàn bộ hệ số
khuếch đại cho ngõ vào. Đáng lý ra, những điện trở vô cùng thì được nối vào bộ khuếch
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Trang 8.2
đại sao cho tín hiệu được khuếch đại không lớn như vậy. Những điện trở gây ra giảm hệ
số khuếch đại qua tín hiệu hồi tiếp, chúng ta sẽ làm quen trong phần hồi tiếp âm.
KHUYẾCH ĐẠI ĐẢO
Sơ đồ mạch như hình 8-2. Đây là một ứng dụng khá hữu ích của bộ khuếch đại thuật
toán. Ngõ vào không đảo được nối đất, vin được nối qua R1 với ngõ vào đảo, và điện trở
hồi tiếp Rf được nối giữa ngõ ra và vi-. Bởi vì sử dụng bộ khuếch đại ở chế độ đảo, nên
ta chỉ rõ hệ số khuếch đại điện áp là –A, vì vậy:
vo = -A vi- (8-1)
Chú ý vi khác vi- . Chúng ta sẽ tìm hiểu mối quan hệ giữa vo và vin khi độ lớn của A là
vô cùng.
Hình 8-2: Một ứng dụng của đại thuật toán với tín hiệu vin đi qua R1, điện trở hồi tiếp
Rf. vo/vi- = -A
Hình 8-3 chỉ ra kết quả của điện áp và dòng điện đó khi tín hiệu vào vin được kết nối.
Từ định luật Ohm, dòng điện i1 là sự chênh lệch về áp trên R1, chia cho R1:
Hình 8-3: Kết quả điện áp và dòng điện với điện áp vào vin.
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Trang 8.3
i1= (vin – vi-)/R1. (8-2)
Tương tự, dòng điện if là sự sai biệt áp qua Rf, chia cho Rf.
if = ( vi- - vo )/Rf. ( 8-3 )
Theo định luật Kirchhoff dòng ở ngõ vào đảo, chúng ta có
i1= if + i- (8-4)
Ở đó i- là dòng đi vào bộ khuếch đại ở ngõ vào đảo. Tuy nhiên, khuếch đại lý tưởng có
trở kháng ngõ vào vô cùng, mà giá trị i- phải bằng 0. Vậy thì rất đơn giản
i
1 = if.
Thay thế (8-2) và (8-3) vào (8-5) được
(v
in – vi-)/ R1 = (vi- - vo)/Rf
hoặc
v
in/R1 – vi-/R1 = vi-/Rf - vo/Rf (8-6)
Từ định nghĩa ( biểu thức 8-1),
vi- = -vo/A (8-7)
nếu bây giờ giả định rằng |A| = vô cùng, ta thấy rằng –vo/A = 0. Và do đó
vi- = 0 ( khuếch đại lý tưởng, với |A| = vô cùng) (8-8)
thay vi- = 0 vào (8-6) được
vin/R1 = -vo/Rf hay vo/vin = -Rf/R1. (8-9)
Chúng ta thấy rằng hệ số khuếch đại là số âm, chứng tỏ đây là một bộ khuếch đại đảo.
Biểu thức 8-9 cũng cho thấy 1 điểm đặc biệt thường được dùng trong thực tế đó là độ
lớn của vo/vin chỉ phụ thuộc vào tỉ lệ giá trị của điện trở và không phụ thuộc vào chính
bộ khuếch đại. Miễn là hệ số khuếch đại và trở kháng vẫn khá lớn, sự biến thiên trong
đặc tính khuếch đại (ví dụ, sự thay đổi nhiệt độ hoặc dung sai chế tạo) không làm ảnh
hưởng đến vo/vin. Ví dụ, nếu R1 =10K và Rf = 100K, chúng ta có thể chắc chắn rằng vo=
-[(100 K)/(10K)]vin= -10 vin, mà hệ số khuếch đại cũng đến -10 như điện trở chính xác
cho phép. Hệ số khuếch đại vo/vin được gọi là độ lợi vòng kín của bộ khuếch đại, trong
khi A được gọi là độ lợi vòng hở. Trong ứng dụng này, ta thấy rằng hệ độ lợi vòng hở
vô cùng lớn, có thể tới 106, trong khi độ lợi vòng kín chỉ bằng 10.
Chúng ta sử dụng hệ số khuếch đại giả định là vô cùng để đạt được vi- = 0 ( biểu thức 8-
8) . Trong thực tế thì, hệ số khuếch đại A rất lớn nhưng hữu hạn, vi- là một điện áp rất
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Trang 8.4
nhỏ, gần như 0. Vì lý do đó, ở đầu vào có một điện trở hồi tiếp được nối đất thì được
gọi là đất ảo. Mục đích của sự phân tích, chúng ta thường giả sử rằng vi- = 0, nhưng
không thể nối điểm đó xuống đất trong thực tế. Trừ khi vi- là đất ảo, trở kháng thấy bởi
tín hiệu nguồn phát vin thì R1 là ohm.
Thí dụ 8-1
Cho đại thuật toán lý tưởng như hình 8-4, hãy tính:
1. giá trị hiệu dụng (rms) của vo với vin = 1.5Vrms
2. giá trị hiệu dụng của dòng điện qua điện trở 25kΩ khi vin = 1.5Vrms, và
3. điện áp ngõ ra khi vin = -0.6V dc.
Giải
1. Từ phương trình 8-9,
5.5
25
5.137
1
−=
Ω
Ω
=
−
=k
k
R
R
v
vf
in
o
Vì vậy, .25.8)5.1(5.5||5.5|| rmsVrmsVvv ino
=
==
2. Do 0≈
−
i
v (đất ảo), nên dòng qua điện trở 25-k
Ω
là
rmsA
k
rmsV
R
v
iin
µ
60
25
5.1
1
=
Ω
==
3. dcVVvv ino 3.3)6.0)(5.5()5.5(
=
−−=−= . Chú ý rằng áp ngõ ra dương khi áp ngõ vào
dương, và ngược lại.
KHUẾCH ĐẠI KHÔNG ĐẢO
Hình 8-5 cho thấy 1 ứng dụng khác của bộ khuếch đại thuật toán, gọi là mạch khuếch đại
không đảo. Chú ý rằng tín hiệu ngõ vào vin được nối trực tiếp với ngõ vào không đảo và
điện trở R1 được nối với ngõ vào đảo với đất. Về lý tưởng, trở kháng ngõ vào là vô cùng
lớn, không có dòng chảy qua ngõ vào đảo, vì vậy i1 =if . Như thế,
vi-/R1 = (vo – vi- )/ Rf. (8-10)
Hình 8-4: (thí dụ 8.1)
Người soạn: NGUYỄN NGỌC MAI KHANH Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Tử
Trang 8.5
Như ở trên hình,
)(−+ −= iio vvAv (8 – 11)
Suy ra,
Avvv oii /−= +− (8 – 12)
Cho A= ∞, vo/A tiến về 0, ta có:
−− =ii vv (8 – 13)
Trừ i
v+ cho i
v− trong (8-13) cho ta:
1
ioi
f
vvv
RR
++
−
= (8 – 14)
Do i
v+ = in
v, ta có:
1
11
1ff
o
in
R
RR
v
vRR
+
=+ = (8 – 15)
Ở phương trình (8 – 8), đối với bộ khuếch đại thuật toán không đảo, khi vi+ = 0, giả sử
|A| = vô cùng, cho vi- = 0(đất ảo), vi- = vi+. Cũng vây, trong cấu hình không đảo, giả sử
tương tự cũng cho kết quả giống nhau: vi- = vi+ (biểu thức 8-3). Như thế, chúng ta đi
đến kết luận quan trọng chung đó là hồi tiếp cùng với hệ số khuếch đại điện áp rất lớn,
gây nên điện áp ở ngõ vào đảo và ngõ vào không đảo xấp xỉ bằng nhau.
Biểu thức 8-15 cho thấy là độ lợi vòng kín của mạch đại không đảo, cũng như của
mạch đại đảo, chỉ phụ thuộc vào giá trị của điện trở bên ngoài. Một ưu điểm nữa của
bộ khuếch đại không đảo là trở kháng ngõ vào được nhìn bởi vin là vô cùng lớn, hoặc ở
rất lớn đối với một bộ khuếch đại thực tế. Bộ khuếch đại đảo và không đảo được sử
dụng trong ứng dụng nhân điện áp, với điện áp được nhân lên bởi một hằng số cố định,
hoặc hệ số tỉ lệ. Hằng số nhân lên trong bộ khuếch đại đảo là Rf/R1 (có thể nhỏ hơn 1),
và nó là 1 + Rf/R1 (luôn luôn lớn hơn 1) trong bộ khuếch đại không đảo. Phạm vi rộng
của các hằng số có thể được thực hiện cách chọn Rf và R1 cho thuận tiện khi tỷ số hệ số
Hình 8-5: Khuếch đại thuật
toán với cấu hình không đảo