OP-AMP-KHUẾCH ÐẠI VÀ ỨNG DỤNG
7.4. TRẠNG THÁI THỰC TẾ CỦA OP-AMP
7.4.5. Đáp ứng tần số của op-amp
Độ lợi vòng hở A có trị số lớn và đều đến một trị số nào đó rồi giảm dần theo tần số.
Đây là chủ đích của nhà chế tạo với 2 lý do: một là op-amp ít khi sử dụng dạng vòng hở mà thường có hồi tiếp, như vậy độ lợi thực tế Av thường nhỏ hơn A, hai là để tránh hiện tượng dễ dao động ở tần số cao. Muốn vậy, cấu trúc bên trong của op-amp luôn có các tụ bổ chính tần số (có giá trị trên dưới 30pF). Thường độ giảm của A được chọn là –20dB/decade.
Đối với những op-amp có băng tần tự nhiên rộng hơn và độ giảm nhỏ hay lớn hơn -20dB/decade thường làm cho op-amp dễ bị dao động khi dùng mạch hồi tiếp (theo định luật Nyquist). Trong trường hợp đó nhà chế tạo sẽ chỉ dẫn phương pháp sửa chữa đáp ứng
741
Hình 7.67
f
o vio
Ri
v =(1+ R )
* Băng tần độ lợi đơn vị (unity-gain bandwidth)
Là băng tần của op-amp có độ lợi vòng hở bằng 1. Thí dụ ở op-amp 741 là B=1MHz.
* Thời gian chyển tiếp (thời gian quá độ - Rise time)
Ở mạch có độ lợi vòng hở bằng 1, nếu tín hiệu vào là một xung vuông lý tưởng (có biên độ từ 0 → Ei) thì ngõ ra không thay đổi ngay từ 0 đến Ei khi có xung vào mà phải mất một thời gian gọi là đáp ứng thời gian tăng quá độ (transient response rise time). Thường thời gian này được tính từ khi ngõ ra đạt 10% giá trị cực đại đến 90% giá trị cực đại.
Đôi khi nhà sản xuất không cho ta biết đáp ứng tần số tự nhiên (tức không biết băng tần độ lợi đơn vị B) mà lại cho biết thời gian quá độ này (rise time). Băng tần đơn vị B được tính từ công thức: (7.39)
risetime 35 . B= 0
b. Độ lợi điện thế và đáp ứng tần số
Độ lợi thực tế Av của mạch khuếch đại có hồi tiếp không những tùy thuộc các điện trở bên ngoài mà còn tùy thuộc vào độ lợi vòng hở A. Do A theo tần số nên Av cũng thay đổi theo tần số. ta xem lại hai mạch khuếch đại căn bản:
* Mạch khuếch đại không đảo +
-
Ri 741
Hình 7.69
vo
Rf
vi
va
•
Ta có:
a i
o
v v A v
= −
i a f
a o
R v R
v
v − =
Giải hệ thống ta tìm được: (7.40) R
1 R R 1 R v A v
i f i f
i o
v +
+
=
=
Trong đó:
i f
R
1+R là độ lợi Av khi xem op-amp là lý tưởng.
Từ công thức thực tế này ta thấy: Nếu vi là tín hiệu điện thế một chiều (tần số f=0) hoặc vi là tín hiệu xoay chiều tần số rất thấp thì A khá lớn nên
i f
v R
1 R
A ≅ + . Khi vi có tần số lớn, do A giảm nên Av giảm theo.
Trương Văn Tám VII-36 Mạch Điện Tử
* Mạch khuếch đại đảo:
- vBoB
RBiB
Rf
741 vBiB
vBaB
•
a o
v A=−v
f o a i
a i
R v v R
v
v −
− =
Giải, ta tìm được: (7.41) R
R R A 1 1
R R v
A v
i f i
i f
i o v
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ + +
−
=
=
Nhận xét ta cũng thấy Av có tính chất như mạch không đảo (thay đổi theo A tức theo tần số).
c. Độ rộng băng tần - giới hạn tần số cao
Băng tần cũng được định nghĩa là giới hạn của hai tần số fL và fH mà tại đó độ lợi của mạch giảm 2lần so với độ lợi cực đại.
Với op-amp có tần số giới hạn phía thấp fL thường rất nhỏ (vài Hz) nên băng tần xem như bằng giới hạn tần số cao fH.
Hình 7.71. Băng tần của mạch có độ lợi Av
fH B f
0 AV A
A
Để xác định gần đúng băng tần của mạch khuếch đại dùng op-amp ta có 2 cách:
- Một là có thể dùng đáp ứng tự nhiên (vòng hở) được mô tả ở hình 7.71 - Hai là có thể tính từ công thức: (7.42)
R R fH B
= +
C I gian
Thời
ra ngõ theá ủieọn đổi thay rate Độ
Slew = =
Thí dụ ở op-amp 741: I=15μA ; C=30pF ⇒ slew rate = 0,5V/μs.
Vận tốc tăng thế tùy thuộc vào độ lợi điện thế, tụ bổ chính tần số và điện thế ngõ ra dương hay âm, thường được nhà sản xuất cho biết.
Giới hạn của vận tốc tăng thế trên sóng sin
Gọi vi là tín hiệu vào có dạng sin với biên độ đỉnh vip của một mạch khuếch đại dùng op-amp. Sự thay đổi tối đa của vi tùy thuộc vào tần số, biên độ đỉnh và cho bởi 2πf.vip. Nếu độ thay đổi này lớn hơn vận tốc tăng thế của op-amp thì tín hiệu ra vo sẽ bị biến dạng.
Như vậy, khi sử dụng op-amp phải thoả mãn điều kiện:
2πf.vip ≤ slew rate hay:
ip
max 2π
rate f slew
= v