điện tử tương tự opamp đầy đủ

Điện tử tương tự và ứng dụng
Chương 7
Bộ khuếch đại tính toán (OPAMP)

1
Biên soạn: Tống Văn On – Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


7.1 Tổng quan về opamp

2
Biên soạn: Tống Văn On – Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Mở đầu
Mạch khuếch đại tính toán (operational amplifier) gọi tắt là opamp có
ký hiệu vẽ ở hình 1a. Opamp có 2 ngõ vào, ngõ vào đảo (‒) và ngõ vào
không đảo (+), và một ngõ ra. Hầu hết các opamp hoạt động bằng 2
nguồn cấp điện DC, một dương và một âm như ta thấy ở hình 1b (mặc
dù cũng có một số opamp sử dụng nguồn cấp điện DC đơn). Thông
thường những nguồn cấp điện này không được vẽ trong sơ đồ mạch
nhằm mục đích đơn giản, nhưng phải hiểu rằng chúng vẫn hiện diện.

(a)

(b)

(c)
Hình 1. Opamp (a) Ký hiệu (b) Ký hiệu với các kết nối cấp điện DC (c) Một số dạng đóng gói

3

Opamp lý tưởng
Để mô tả hoạt động, trước tiên ta xem xét các đặc tính lý tưởng của
opamp. Dĩ nhiên opamp thực tế không thể đạt được những chuẩn lý
tưởng này, nhưng chúng giúp ta dễ dàng tìm hiểu và phân tích linh
kiện. Trước tiên opamp lý tưởng có độ lợi điện áp là ∞ , dải thông (hay
băng thông) là ∞ . Opamp này cũng có tổng trở ngõ vào là ∞ sao cho
không lấy tải của nguồn tín hiệu. Sau cùng, opamp lý tưởng có tổng trở
ngõ ra bằng 0. Đặc tính của opamp lý tưởng được minh họa ở hình 2a.

(a)

(b)

Hình 2. Các biểu diễn opamp cơ bản (a) lý tưởng (b) thực tế

4


Opamp thực tế
Điện áp ngõ vào Vin hiện diện giữa hai ngõ vào (‒) và (+), điện áp ngõ ra là
AvVin được chỉ ra bằng ký hiệu nguồn điện áp bên trong.
Mặc dù opamp thực tế đạt được giá trị các thông số có thể xem là lý
tưởng trong nhiều trường hợp, ta vẫn không bao giờ có được opamp lý
tưởng. Linh kiện nào cũng có những giới hạn, và opamp cũng không
ngoại lệ. Opamp có cả hai giới hạn về điện áp và dòng điện. Điện áp ngõ
ra đỉnh-đỉnh thường nhỏ hơn một ít so với hai điện áp cấp điện. Dòng
điện ngõ ra cũng bị giới hạn bởi những hạn chế bên trong như tiêu tán
công suất và phẩm chất linh kiện. Các đặc tính của opamp thực tế là: độ

lợi điện áp rất cao, tổng trở ngõ vào rất cao,tổng trở ngõ ra rất thấp và
dải thông bị giới hạn, chúng được minh họa ở hình 2b. Ngoài ra nhiễu
(noise) cũng là vấn đề đối với opamp thực tế.
Sơ đồ khối của opamp
Hình 3 cho ta sơ đồ khối điển hình của một opamp. Tầng khuếch đại vi sai
sẽ khuếch đại sai biệt điện áp của 2 ngõ vào (‒) và (+), tầng khuếch đại
điện áp cung cấp thêm độ lợi (có thể có vài tầng khuếch đại điện áp).
Tầng khuếch đại đẩy kéo lớp B dùng để nâng dòng và giảm tổng trở ngõ
ra.
5


Các thông số của opamp
Tầng khuếch
đại ngõ vào
vi sai

Các tầng
khuếch đại
độ lợi điện
áp

Tầng khuếch
đại ngõ ra
đẩy kéo

Hình 3. Sơ đồ khối cơ bản của opamp

Hoạt động vi sai
Hình 4 minh họa hoạt động vi sai một đầu cuối của opamp, còn hình 5

là vi sai hai đầu cuối. Đây là hoạt động khuếch đại tín hiệu mong muốn.

Hình 4. Hoạt động vi sai một đầu cuối

6


Các thông số của opamp
V‒

V‒

V+

V+

Hình 5. Hoạt động vi sai hai đầu cuối

Hoạt động cách chung
Hình 6 minh họa hoạt động cách chung của opamp. Tín hiệu không
mong muốn xuất hiện trên cả hai ngõ vào (‒) và (+), ta không muốn tín
hiệu này xuất hiện ở ngõ ra.

Hình 6. Hoạt động cách chung

7


Các thông số của opamp
Tỷ lệ loại bỏ cách chung (common mode rejection ratio) CMRR

A𝐯
CMRR =
, với Av là độ lợi điện áp vi sai vòng hở, Acm là độ lợi cách
A𝐜𝐦

chung.
Như vậy, Av càng lớn và Acm càng bé càng tốt.
Độ lợi điện áp (vi sai) vòng hở Av
Av thường lớn hơn 105. Ta có: Vout = Av(V+ ‒ V‒)
Dao động điện áp ngõ ra cực đại Vmax
Nếu không có tín hiệu ngõ vào, ngõ ra của opamp lý tưởng có điện áp
là 0 V gọi là điện áp tĩnh. Khi có tín hiệu ngõ vào, giới hạn lý tưởng của
điện áp ngõ ra đỉnh-đỉnh là ± VCC. Vmax thực tế không đạt được giá trị
VCC này và thay đổi theo tải RL ở ngõ ra của opamp. Thí dụ, opamp 741
có Vmax điển hình là ± 13 V đối với VCC = ± 15 V và RL = 2 kΩ, Vmax tăng
lên ± 14 V khi RL = 10 k Ω.
Điện áp bù (offset) ngõ vào
8
Biên soạn: Tống Văn On – Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Các thông số của opamp
Opamp lý tưởng sẽ tạo ra 0V ở ngõ ra khi các ngõ vào có điện áp là 0V.
Tuy nhiên với opamp thực tế, một điện áp lệch DC nhỏ Vout(error) xuất
hiện ở ngõ ra khi không có điện áp ngõ vào vi sai đưa đến opamp. Điện
áp bù ngõ vào (input offset voltage) Vos là sai biệt điện áp DC cần có
giữa hai ngõ vào (‒) và (+) để buộc ngõ ra có điện áp 0V. Giá trị điển
hình của Vos là 2 mV hoặc nhỏ hơn. Độ trôi (drift) điện áp bù ngõ vào là
lượng thay đổi của Vos khi nhiệt độ thay đổi 1oC. Giá trị điển hình trong
tầm từ 5 µV đến 50 µV/oC.

Dòng phân cực ngõ vào Ibias

Hình 7. Dòng phân cực ngõ vào I1, I2

9


Các thông số của opamp
Tổng trở ngõ vào
Tổng trở ngõ vào vi sai (hình 8a) và tổng trở ngõ vào cách chung (hình 8b).

Hình 8a. Tổng trở ngõ vào vi sai

Hình 8b. Tổng trở ngõ vào cách chung

Dòng bù ngõ vào Ios

Ios = I1 − I2

Hình 9. Dòng bù ngõ vào Ios
và ảnh hưởng của dòng này

10


Các thông số của opamp
Opamp lý tưởng có dòng phân cực ở các ngõ vào (‒) và (+) bằng nhau.
Hai dòng này khác nhau đối với opamp thực tế. Ios = I1 − I2 .
Điện áp bù ngõ vào được suy ra từ dòng bù ngõ vào Ios
Vos = I1Rin – I2Rin = I1 − I2 Rin = IosRin

Sai biệt được tạo ra bởi Ios này được khuếch đại bởi độ lợi Av của
opamp và xuất hiện ở ngõ ra:
Vout(error) = AvIosRin
Dòng bù ngõ vào thay đổi khoảng 0.5 nA/oC.
Tổng trở ngõ ra

Hình 10. Tổng trở ngõ ra

11


Các thông số của opamp
Tốc độ chuyển trạng thái ngõ ra
Tốc độ thay đổi điện áp ngõ ra tối đa đối với điện áp ngõ vào dạng nấc
được gọi là slew rate (tốc độ xoay) của opamp, tốc độ này phụ thuộc
vào đáp ứng tần số của từng tầng khuếch đại bên trong opamp.

Hình 11. Đo tốc độ chuyển trạng thái ngõ ra của opamp

Slew rate =

ΔV𝐨𝐮𝐭
Δt

với ΔVout = 2Vmax. Đơn vị của slew rate là V/µs.
12


Các thông số của opamp
Đáp ứng tần số

Dải thông của opamp là [0, fH].
Nhiễu

Hình 12. Nhiễu là hàm của tần số

13


Các thông số của opamp

Hình 13. So sánh một số opamp

14


7.2 Mạch khuếch đại hồi tiếp âm

15
Biên soạn: Tống Văn On – Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Hồi tiếp âm
Hồi tiếp âm là quá trình qua đó một phần điện áp ngõ ra của mạch
khuếch đại được đưa ngược về ngõ vào với góc pha đảo ngược 180o so
với tín hiệu ngõ vào. Hồi tiếp âm được minh họa ở hình 14.

Nghịch đảo bên trong làm cho
Vf đảo pha 180o so với Vin

Mạch

hồi tiếp
âm

Hình 14. Minh họa hồi tiếp âm

Độ lợi điện áp vòng hở của opamp rất lớn (thường lớn hơn 105), do vậy
điện áp ngõ vào vô cùng nhỏ cũng kích opamp đến trạng thái điện áp
ngõ ra bão hòa (ta gọi là opamp bão hòa). Trên thực tế, ngay cả điện
áp bù ngõ vào opamp cũng làm cho linh kiện này bão hòa.
16


Hồi tiếp âm
Thí dụ, giả sử Vin = 1 mV và Av = 105, VinAv = (1 mV).(100000) = 100 V. Do
điện áp ngõ ra của opamp không bao giờ đạt đến 100 V (tối đa chỉ bằng
VCC) nên opamp đạt trạng thái bão hòa và điện áp ngõ ra bị giới hạn bởi
các mức điện áp ngõ ra cực đại như được minh họa ở hình 15 cho cả hai
điện áp ngõ vào dương và âm.
Opamp hoạt động không hồi
tiếp âm thường hữu dụng
trong mạch so sánh.
Độ lợi điện áp có hồi tiếp (vòng
kín) Avf sẽ giảm, ổn định và
được điều khiển sao cho
opamp hoạt động như là mạch
khuếch đại tuyến tính. Hồi tiếp
âm cũng điều khiển tổng trở
ngõ vào, tổng trở ngõ ra và dải
thông của mạch khuếch đại sử
dụng opamp.

Opamp bão hòa dương

Opamp bão hòa âm

Hình 15.Không có hồi tiếp âm, opamp bị kích
bão hòa và hoạt động phi tuyến
17


Hồi tiếp âm
Tóm tắt:
Không có hồi tiếp âm: Av quá lớn đối với những ứng dụng khuếch đại
tuyến tính, tổng trở ngõ vào rất cao, tổng trở ngõ ra rất thấp, dải thông
hẹp.
Có hồi tiếp âm: Avf được thiết lập theo giá trị mong muốn bởi mạch hồi
tiếp âm, tổng trở ngõ vào có thể tăng hay giảm còn tổng trở ngõ ra
giảm đến giá trị mong muốn tùy vào loại mạch hồi tiếp, dải thông rộng
hơn đáng kể.

18
Biên soạn: Tống Văn On – Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Mạch khuếch đại không đảo

Mạch hồi
tiếp

Điện áp hồi tiếp: Vf =

Ri
Ri+Rf

Hình 16. Mạch khuếch đại
không đảo

Vout

Sai biệt điện áp giữa các ngõ vào (‒) và (+) được khuếch đại bởi Av, ta
có điện áp ngõ ra (hình 17): Vout = Av (Vin – Vf)

Giảm suất B của mạch hồi tiếp: B =

Ri
Ri+Rf

. Thay thế Vf = B.Vout,

Vout = Av (Vin – B.Vout)
V𝐨𝐮𝐭
V𝐢𝐧

=

A𝐯
1+A𝐯.B

≈

A𝐯
A𝐯.B

=

1
B

(do điển hình Av.B >> 1)

19


Mạch khuếch đại không đảo

Hình 17. Ngõ vào vi sai, Vin – Vf

Độ lợi vòng kín Avf của mạch khuếch đại không đảo là:
V𝐨𝐮𝐭
Avf =
V𝐢𝐧

≈

1
B

=

R𝐢+R𝐟

R𝐟
= 1+
R𝐢
R𝐢

Như vậy với điều kiện Avf.B >> 1, độ lợi vòng kín Avf của mạch khuếch
đại không đảo chỉ phụ thuộc vào Rf và Ri.
Thí dụ: Tính độ lợi vòng kín của mạch ở hình 18.
20


Mạch khuếch đại không đảo
Giải:
Đây là mạch khuếch đại không
đảo, độ lợi vòng kín là:
Rf
Avf = 1+
Ri
100 kΩ
= 1+
4.7 kΩ

Hình 18

= 22.3
Cho Ri = ∞ (hở mạch) và Rf = 0 (nối tắt),
điện áp ngõ ra được đưa trực tiếp về ngõ
vào (‒), ta có mạch theo điện áp (voltagefollower) ở hình 19. Độ lợi vòng kín:
Avf = 1
Mạch này có tổng trở ngõ vào rất lớn và

tổng trở ngõ ra rất nhỏ. Đây là mạch đệm
gần như lý tưởng.

Hình 19. Mạch theo điện áp

21


Mạch khuếch đại đảo dấu

Hình 20. Mạch khuếch đại
đảo dấu

Thay vì sử dụng cách tính như trong mạch khuếch đại không đảo, ta có
thể tính đơn giản hơn bằng cách sử dụng khái niệm tổng trở ngõ vào
rất lớn xem như bằng ∞ . Tổng trở ngõ vào bằng ∞ kéo theo dòng điện
ở ngõ vào (‒) bằng 0, do vậy không có giảm áp giữa ngõ vào (‒) và ngõ
vào (+). Điều này có nghĩa là điện áp tại chân ngõ vào (‒) bằng 0 vì chân
ngõ vào (+) nối đất. Ta bảo chân ngõ vào (‒) là điểm đất ảo (hình 21).
Dòng điện qua Ri và dòng điện qua Rf bằng nhau (do I1 = 0): If = Iin.
Do ngõ vào (‒) là đất ảo, Iin =

V𝐢𝐧
R𝐢

và If =

−V𝐨𝐮𝐭
R𝐟

22


Mạch khuếch đại đảo dấu

If

Điểm đất ảo (0 V)

Vin < 0

Hình 21. (a) Điểm đất ảo (b) Các dòng điện trong mạch

Như vậy,
dấu là:

−V𝐨𝐮𝐭 V𝐢𝐧
=
. Ta có độ lợi vòng kín của mạch khuếch đại đảo
R𝐟
R𝐢

Avf =

V𝐨𝐮𝐭
V𝐢𝐧

=‒

R𝐟

R𝐢

Thí dụ: Cho Ri = 2.2 kΩ, Avf = ‒100. Tính Rf.
Giải:
Avf = ‒

R𝐟
R𝐢

= ‒100  Rf =100Ri = 220 kΩ
23


Tổng trở của mạch khuếch đại không đảo
Tổng trở ngõ vào
Vin = Vd + Vf = Vd + BVout, B = Ri/(Ri + Rf)
Do Vout ≈ AvVd
Vin = Vd + Vf = Vd + BAvVd = (1 + BAv)Vd
Thay Vd = Iin.Zin, Zin là tổng trở ngõ vào
vòng hở của opamp (khi không có hồi
tiếp âm).
Vin = (1 + BAv)ZinIin

Hình 22. Mô hình tính tổng trở ngõ vào

V𝐢𝐧
= (1 + BAv)Zin
I𝐢𝐧

Vin/Iin chính là tổng trở ngõ vào vòng kín của mạch khuếch đại không đảo

ZinF = (1 + BAv)Zin
Tổng trở ngõ vào của mạch khuếch đại không đảo lớn hơn nhiều so với
tổng trở ngõ vào của chính opamp (tổng trở ngõ vào vòng hở của
opamp) khi không có mạch hồi tiếp âm.
24


Tổng trở của mạch khuếch đại không đảo
Tổng trở ngõ ra
AvVd

ZoutF=Vout/Iout

Hình 23. Mô hình tính tổng trở ngõ ra

Ta có: Vout = AvVd – ZoutIout , Vd = Vin – Vf và giả sử AvVd >> ZoutIout
Vout ≈ Av(Vin – Vf) = Av(Vin – BVout) = AvVin – AvBVout
AvVin ≈ (1 + AvB)Vout
Vì tổng trở ngõ ra của mạch khuếch đại không đảo là ZoutF = Vout/Iout
nên ta thay ZoutF.Iout cho Vout
AvVin = (1 + AvB) ZoutF.Iout  (AvVin)/Iout = (1 + AvB) ZoutF

25