MÔ HÌNH CỦA OP AMPS

OPAMP  –  CÁC  MẠ CH Ứ NG  DỤ NG

10.1. TỔNG QUAN VỀ OPAMP

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:

2 1

v K.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 v 2

s

A v

 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:

1 i s

i s

v R v

R R

 

   (10.2)

Suy ra:

2 1 i s

i s

v K.v K.R v

R R

 

    (10.3)

Độ lợi điện áp Av xác định theo quan hệ:

2 i

v

s i s

v K.R

A  v R R

 (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

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:

1 s

i s

v Ri v

R R

 

   (10.5)

Tương tự, áp dụng cầu phân áp trên mạch ngõ ra, ta có quan hệ sau:

2 T 1

T o

v R Kv

R R

 

   (10.6)

Từ (1.5) và (1.6) suy ra quan hệ sau:

2 i T

V

s i s T o

v R R

A v R R R R

   

        (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:

1 s 1 2

s f

v v v v

R R 0

    (10.8) Hay:

s 1 2

s f f s

v v

1 1

v R R R R

 

  

 

  (10.9)

Tại B ta có:

2 1

v K.v (10.10)

Từ (10.9) và (10.10) suy ra:

2 s

s f f s

v

v 1 1 K

K R R R R

 

    

 

   

Tóm lại:

s f 

V 2

s s s f s

s f f

R R

v K 1 K

A v R 1 1 K R R K 1 R

R R R

   

         

 

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

Thu gọn ta có:

 

2 f

V

s f s

v KR

A  v R K 1 R

  (10.11)

Đặt:

s

s f

B R

R R

  (10.12)

Tóm lại:

 

V 2 s

1 B .K A v

v 1 B.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:

 

V K

K

1 B .K B 1 1

lim A lim 1

1 B.K B B

 

 

   

 (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

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).

Ngõ ra (output).

Thông thường có thể đánh dấu các đầu cung cấp nguồn điện để Opamp họat động bằng ký hiệu V+ (hay Vcc+ ) ; V- (hay Vcc-) .

Trên ngõ vào của khối Opamp, tín hiệu vào cấp tại ví trí có đánh dấu + là ngõ vào không đảo; ngược lại tín hiệu cấp vào tại vị trí có đánh dấu – ứng với ngõ vào đảo.

H.10.8: Chức năng các chân ra IC LM741

H10.9

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 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 thế chuẩn (0V). Trong trường hợp này nút chuẩn 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 V- của opamp, xem hình H10.10.

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 vào được xây dựng như sau:

o in in

v A.(v  V ) (10.15)

Với:

cc o cc

V v V

   (10.16)

Quan hệ (10.15) xác định điện áp ngõ ra theo độ chêch lệch điện áp giữa các ngõ vào của opamp vinvin vin. Quan hệ (10.16) xác 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 Vcc cho Op Amp, điện áp ngõ ra vo thỏa tính chất sau:

Opamp họat động theo chế độ khuếch đại tuyến tính khi vo Vcc .

Khi giá trị vo nằm ngòai khỏang giá trị cho trong quan hệ (10.16), Opamp họat động theo chế độ bảo hòa. Tại trạng thái này điện áp ngõ ra vo = +Vcc (bảo hòa dương) hay vo = Vcc (bảo hòa âm) và độc lập đối với giá trị

 

in in in

v v  v 

   .

Đặc tính làm việc của Opamp mô tả quan hệ giữa áp ngõ ra vo theo vin vinvin theo hình H.10.11. Đặc tính làm việc còn được gọi là đặc tính chuyển điện áp (Voltage Transfer characteristic). Chúng ta cần chú ý tính chất sau, giả sử Opamp có hệ số khuếch đại điện áp vòng hở là A = 10000 =104, nếu cấp điện áp nguồn cho Opamp có giá trị Vcc = 20 V (giá trị tối đa cho phép trên một số Opamp) thì giá trị tương ứng của vin vinvin được xác định như sau:

in cc

V 20V

v 2mV

A 10000

   

Với kết quả này chúng ta thấy được vùng khuếch đại tuyến tính mở rộng trong phạm vi

vin từ - 2mV đến +2mV. Lúc này xem như Vin+  Vin- .

   

in in in in in

v v  v  0 V  V 

      (10.17)

Với kết quả tìm được, cho thấy điều kiện thật sự tại các ngõ vào opamp.

A Vcc A

Vcc



vin



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 khi mạch điện đang họat động.

Câu trả lời cho vấn đề này là: dùng tín hiệu ngõ ra hồi tiếp trở về ngõ vào đảo của opamp, quá trình phản hồi tín hiệu theo mô tả trên được gọi là hồi tiếp âm; tín hiệu nhận được trên ngõ ra sẽ đưa về và trừ với tín hiệu trên ngõ vào không đảo.

Bây giờ chúng ta xét đến các thành phần dòng điện trên các đầu của opamp, xem hình H.10.12. Áp dụng định luật Kirchhoff 1 ta có kết quả sau:

iin+ + iin- + ic+ + ic- + io = 0 (10.18) Với giả thiết ràng buộc các dòng điện trên các ngõ vào Opamp rất nhỏ so với dòng điện trên các đầu khác còn lại trên Opamp, chúng ta có mô hình Opamp lý tưởng với dòng điện trên các ngõ vào triệt tiêu, iin+ = iin-  0 .Với giả thiết này cho thấy tổng trở nhập của opamp có giá trị rất lớn. Dảy giá trị của tổng trở nhập từ vài trăm K

đến vài ngàn M . Quan hệ iin+ = iin-  0 luôn được áp dụng để giải tích các mạch sử dụng opamp.

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

 

o c c

i   i  i  (10.19)

Tóm lại , khi bỏ qua ảnh hưởng các dòng điện trên ngõ vào opamp; dòng điện trên ngõ ra của opamp luôn bằng tổng giá trị các dòng điện từ các nguồn cung cấp vào opamp.