Bài giảng Điện tử cơ bản Chương 6 Bộ Khuếch Đại Thuật Toán OpAmp

Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 6

CHƯƠNG 6
MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN OP-AMP
GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Các điơt và transistor tuy rất nhỏ nhưng khi ghép với nhiều linh kiện thụ động để
thực hiện một chức năng nào đó thì nó vẫn thành một khối lớn. Ngồi ra, do chế tạo rời
rạc nên các tham số của transistor cũng khơng giống nhau tuy cùng ký hiệu. Do đó, khi
ghép nhiều linh kiện rời rạc sẽ khơng bảo đảm độ tin cậy cao và khơng kinh tế. Vì vậy
hướng phát triển của kỹ thuật điện tử sau bán dẫn là kỹ thuật vi điện tử.
Chương 6 trình bày về đặc điểm và các tính chất của một vi mạch tích hợp hiện
đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử là Op-amp.
NỘI DUNG
6.1. Khái Niệm:
Mạch khuếch đại thuật toán thực chất là một loại mạch điện tử được sử dụng
trong các máy tính, nhiệm vụ của mạch này là thực hiện các thuật toán như: cộng, trừ,
tích phân, vi phân …
Mạch khuếch đại thuật toán được viết tắt là Op – Amp (Operational –
Amplifier) là một bộ khuếch đại DC có hệ số khuếch đại Av rất cao và thường được
chế tạo dưới dạng tích hợp IC (Integrated Circuit).
Ngày nay, KĐTT được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lónh vực khác nhau và
có tần số hoạt động rất rộng từ tín hiệu DC đến tín hiệu có tần số vài GHz.
Thông thường một khuếch đại thuật toán có ít nhất là 5 chân: hai chân cấp điện
một chiều Vcc, chân ngõ vào đảo Vi- , chân ngõ vào không đảo Vi+ và một chân
ngõ ra Vo.

6.2 Cấu Tạo Của Mạch OP-AMP:
Cấu trúc cơ bản của một bộ khuếch đại thuật toán bao gồm: Ngõ vào là tầng
khuếch đại vi sai, tiếp theo là tầng khuếch đại trung gian ( có thể là tầng đệm hoặc

khuếch đại vi sai), tiếp theo nữa là tầng dòch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ
ra và cuối cùng là tầng đệm ngõ ra để có để khuếch đại dòng và có trở kháng ra thấp.
Các tầng khuếch đại đều ghép trực tiếp với nhau.

Trang 98


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 6

Trong thực tế khi sử dụng thường ta chỉ quan tâm đến khối vào và khối ra của bộ
khuếch đại thuật toán.
Hình vẽ dưới đây giới thiệu sơ đồ chi tiết của một bộ khuếch đại thuật toán.
Cặp transistor Q1, Q2 tạo thành mạch khuếch đại vi sai ở ngõ vào. Tín hiệu lấy
ra từ cực C của Q1, Q2được đưa đến cực B của transistor Q3 và Q4, cặp transistor này
tạo thành mạch khuếch đại vi sai thứ hai. Tín hiệu lấy ra từ cực C của Q4 được đưa
vào cực B của Q5. hai transistor Q5 và Q6 tạo thành mạch ghép Darlington để tăng hệ
số khuếch đại dòng và chúng có kiểu mắc C chung để có trở kháng ngõ ra thấp. Tín
hiệu ngõ ra được lấy trên điện trở R4 là điện trở phân cực cho cực E của Q6.
Q7 là nguồn dòng cho cặp vi sai Q1 và Q2. Điện trở R5, R6, R7 và điôt tạo thành
mạch phân cực và ổn đònh nhiệt cho Q7. Điện trở R8, R9, R10 và điôt tạo thành mạch
phân cực và ổn đònh nhiệt cho Q8.

Điện áp ngõ ra Vo cùng dấu (hoặc cùng pha) với điện áp vào Vi+ trên cực B của
Q1, khác dấu (hoặc ngược pha) với điện áp vào trên cực B của Q2. Vì vậy hai ngõ
vào này lần lượt được gọi là ngõ vào đảo và ngõ vào không đảo.
6.3 Đặc Tính Và Các Thông Số Của Một Bộ OP-AMP Lý Tưởng:

Trang 99

Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 6

Trên hình vẽ là ký hiệu của một bộ khuếch đại thuật toán thông dụng, nó bao
gồm: một ngõ vào đảo Vi-, một ngõ vào không đảo Vi+, một ngõ ra Vo và hai ngõ
cấp nguồn Vcc.

Trạng thái ngõ ra không có mạch hồi tiếp trở về ngõ vào như trên hình vẽ được
gọi là trạng thái vòng hơ ûvà lúc này bộ khuếch đại thuật toán sẽ có hệ số khuếch đại
điện áp vòng hở là Avo.
Tùy theo cách đưa tín hiệu ở ngõ vào Vi mà ta sẽ có được tín hiệu ở ngõ ra Vo
như sau:
- Đưa tín hiệu đến ngõ vào đảo: Vo = - Avo.Vi
- Đưa tín hiệu ở ngõ vào không đảo: Vo = Avo.Vi
Đưa tín hiệu đồng thời ở cả hai ngõ vào gọi là tín hiệu vào vi sai:
Vo = Avo.(Vi+ - Vi-) = Avo . Vi
Ở trạng thái tónh, Vi+ = Vi- = 0 suy ra Vo = 0.

Hình vẽ trên minh họa đặc tính truyền đạt điện áp vòng hở (Avo) của khuếch
đại thuật toán. Theo đặc tuyến này có ba vùng làm việc:
- Vùng khuếch đại: Vo = Avo.Vi ( Vi = Vi+ - Vi- nằm trong khoảng Vs)
- Vùng bảo hòa dương: Vo = +Vcc , Vi > Vs.
- Vùng bảo hòa âm: Vo = -Vcc , Vi < Vs.
±Vs là các mức ngưỡng của điện áp vào, giới hạn phạm vi mà quan hệ Vo (Vi)
còn là tuyến tính.
Trang 100

Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 6

Trong thực tế, ta ít sử dụng khuếch đại thuật toán ở trạng thái vòng hở
Trong chế độ khuếch đại tuyến tính, người ta phải dùng hồi tiếp âm để giúp bộ
KĐTT làm việc ổn đònh đồng thời vùng làm việc của tín hiệu vào tương ứng sẽ được
mở rộng hơn. Trạng thái KĐTT có thêm mạch hồi tiếp âm như vậy được gọi là trạng
thái vòng kín và có hệ số khuếch đại vòng kín là Avf.
Một bộ KĐTT lý tưởng có các thông số cơ bản sau:
- Hệ số khuếch đại vòng hở: Avo  
- Tổng trở vào ri  
- Tổng trở ra Ro  0
6.4 Các Mạch Ứng Dụng Cơ Bản Của Op-amp:
Các bộ KĐTT có hệ số khuếch đại vòng hở Avo rất lớn từ 20.000 đến 100.000
và hệ số khuếch đại Avo này chỉ được sử dụng trong các mạch so sánh. Còn đối với
các mạch ứng dụng khác đều phải kết hợp với phương pháp hồi tiếp âm để giảm hệ
số khuếch đại, các mạch ứng dụng cơ bản này được chia thành hai loại: đảo pha và
không đảo pha. Đặc tính của các mạch này gần như chỉ phụ thuộc vào các linh kiện
kèm theo bên ngoài.
6.4.1. Mạch so sánh:
Đây là mạch không có hồi tiếp âm. Hệ số khuếch đại lúc này là hệ số khuếch
đại vòng hở Avo.

Do Avo quá lớn, cho nên chỉ cần có một điện áp rất nhỏ Vin ở ngõ vào thì điện
áp ở ngõ ra Vo sẽ nhanh chóng đạt đến giá trò giới hạn Vcc.
Ví dụ: cho Vcc = 12V và Avo = 30.000 thì lúc này chỉ cần Vin = 0.4 mV cũng đủ
làm cho Ua = ub.
6.4.2. Mạch Khuếch đại đảo:

Ở mạch cơ bản này hệ số khuếch đại sẽ được làm giảm xuống nhờ điện áp hồi
tiếp lấy từ ngõ ra qua một cầu phân áp và đưa ngược trở lại ở ngõ vào đảo.

Tín hiệu ra đảo pha so với tín hiệu vào:
Trang 101


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 6

Do KĐTT có Ri   nên Ii = 0 và Vi+ = Vi- = 0. Từ đó:
- Dòng điện qua R1:
Vin
Vo
I =
= R1
R2
- Hệ số khuếch đại:
Vo
R2
Av =
=Vin
R1
- Tổng trở vào:
Vin
Zin =
= R1
I
Từ công thức trên ta nhận thấy: Hệ số khuếch đại Av của mạch khuếch đại đảo

chỉ phụ thuộc vào các linh kiện ngoài đó là các điện trở R1, R2. Còn dấu trừ chứng tỏ
điện áp ra lệch pha so với điện áp vào 180.
6.4.3. Mạch khuếch đại không đảo:
Tín hiệu cần khuếch đại sẽ được đưa đến ngõ vào không đảo và điện áp hồi tiếp
sẽ là một phần của điện áp ra được đưa trở về ngõ vào đảo.

Do KĐTT có Ri   nên Ii = 0 và Vi+ = Vi- = 0. Từ đó:
- Dòng điện qua R1, R2:
ViVo
I=
=
R1 R1 + R2
- Hệ số khuếch đại:
Vo
R1 + R2
R2
Av =
=
=1+
Vin
R1
R1
- Tổng trở vào: Zin
Để tính Zin ta cần vẽ lại mạch điện như sau:

Trang 102


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 6

Ta có:
Vin= Vin + .Vo
Với:
R1
1
=
=
R1 + R2 Av
Vo = Avo. Vi
Vin = Iin.Rin
Rin: tổng trở bộ KĐTT
Thay vào biểu thức Vin:
Avo
Vin = Iin.Rin +
.Iin.Rin
Av
Vin
Avo
Zin =
= R1.(1 +
)
Iin
Av
Vậy mạch này có tổng trở rất lớn.
Nhận xét: hệ số khuếch đại Av chỉ phụ thuộc vào R1, R2 và Av luôn có trò số
dương và điều này chứng tỏ tín hiệu vào và tín hiệu ra đồng pha nhau.
6.4.4. Mạch điều khiển theo thời gian:
Sơ đồ mạch điện:

Ta có: K là cuộn dây rờ le trung gian.
Trang 103


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 6

Khi vừa cấp nguồn cho mạch điện thì R2, R3 tạo cầu phân áp đặt 6V vào chân
số 3 đầu vào không đảo
Ở đầu vào đảo số 2, Uc đang bằng.
Đầu ra chân 6 sẽ duy trì ở trạng thái bảo hòa dương +Vcc, T ngưng dẫn và K
cũng ngưng hoạt động.
Sau một thời gian, tụ C nạp tới trò số điện áp lớn hơn điện áp ở đầu vào không
đảo thì lúc này đầu ra của OPAM sẽ ở trạng thái bảo hòa âm làm cho transistor T dẫn
bảo hòa và rờ le K hoạt động đóng mở các tiếp điểm mạch điều khiển
Để đảm bảo rờ le hoạt động chính xác ở các lần hoạt động tiếp theo thì yêu cầu
điện áp trên tụ C phải bằng 0. Chính vì vậy, khi ngắt mạch thì tụ C sẽ xả điện qua D1,
R2 và R3.
Do ngắt điện đột ngột nên trong cuộn dây sẽ xuất hiện một điện áp cảm ứng có
trò số rất lớn có thể làm hỏng transistor. Để tránh hiện tượng này, ta cần mắc một điôt
D2 để triệt tiêu điện áp cảm ứng đó.
Đây là mạch duy trì thời gian khi đóng mạch hay khi tác động.
Ngược lại, khi ta thay đổi vò trí của chân số 2 và chân số 3 thì mạch sẽ hoạt động
theo nguyên tắc ngược lại nghóa là mạch duy trì thời gian khi ngắt.
6.4.5. Điều khiển theo nhiệt độ:
Sơ đồ mạch điện:

Nhiệt trở NTC có tính chất khi nhiệt độ tăng thì trò số điện trở giảm. Mạch có

nguyên lý hoạt động như sau:
Khi đóng điện nguồn vào thì R1, R2 tạo ra cầu phân áp đặt điện áp 6V vào chân
số 3. Do nhiệt độ trong lò lúc này chưa cao cho nên NTC có trò số điện trở lớn điện áp
đặt vào chân số 2 nhỏ hơn 6V nên đầu ra chân số 6 có trạng thái bảo hòa dương nên T
dẫn điện, rờle K hoạt động đóng tiếp điểm làm cho lò nhiệt hoạt động.
Khi nhiệt độ trong lò tăng cao làm trò số điện trở NTC giảm, cầu phân áp R5, R6
tạo ra điện áp lớn hơn 6V đưa vào chấn số 2 nên mạch lật trạng thái chuyển sang

Trang 104


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 6

trạng thái bảo hòa âm làm T ngưng dẫn rờle ngưng hoạt động ngắt tiếp điểm dẫn
đến lò nhiệt ngưng hoạt động.
R5 được điều chỉnh sao cho khi nhiệt độ trong lò thấp hơn nhiệt độ yêu cầu thì
R6 > R5 và ngược lại khi nhiệt độ lò lớn hơn nhiệt độ yêu cầu thì R6 < R5.

Trang 105