Tài liệu kỹ thuật điện. chương 5 doc

chơng 5: khuếch đại thuật toán OPAMP
(Operational Amplifier)
5.1. Khái niệm:
Mạch khuếch đại thuật toán là mạch đợc chế tạo dới dạng tích hợp có hệ số
khuếch đại lớn dùng để xử lý các tín hiệu tơng tự hoặc xung. Mạch thực hiện các phép
tính cơ bản: cộng, trừ, tích phân vi phân, lấy logarit, hoặc thực hiện các chức năng nh
tạo dao động hình sin, ổn áp, ổn dòng, so sánh.
Ký hiệu
Hình 5.1. Ký hiệu của OPAMP
OPAMP thờng đợc cấp nguồn đối xứng, có 2 ngõ vào: v
i
-
: ngõ vào đảo, v
i
+
: ngõ
vào không đảo. và có 1 ngõ ra v
o
Trạng thái ngõ ra v
0
không có mạch hồi tiếp về ngõ vào gọi là trạng thái vòng hở.
Hệ số khuếch đại điện áp lúc đó gọi là hệ số khuếch đại vòng hở của OPAMP, ký hiệu
A
0
. Lúc đó v
0
= A
0
(v
i
+

- v
i
-
).
Các thông số kỹ thuật: Điện trở ngõ vào r
i
rất lớn, điện trở ngõ ra rất nhỏ, hệ
số khuếch đại điện áp A
0
rất lớn.
5.2 Đặc tính truyền đạt:
Ta có đặc tính truyền đạt vòng hở v
o
=f(v
i
+
- v
i
-
)=f(v
d
)
Hình 5. 2. Đặc tính truyền đạt vòng hở của OPAMP
+
-
Vi
Vi
Vo
-V
S

v
0
V
CC
-V
CC
v
d
V
S
Đặc tuyến có ba vùng làm việc:
Vùng khuếch đại v
0
=A
0
v
d
Vùng bão hoà dơng v
0
=V
cc
Vùng bão hoà âm v
0
=-V
cc
V
S
là các mức ngỡng của điện áp vào, giới hạn phạm vi mà quan hệ ngõ ra và
ngõ vào còn là tuyến tính. Các OPAMP thờng có V
S

khoảng từ vài chục V đến
vài trăm V
Trong thực tế, ng ời ta rất ít sử dụng OPAMP ở trạng thái vòng hở vì A
0
rất lớn
nhng tầm điện áp vào bị giới hạn quá bé( trong khoảng V
S
). Chỉ cần trôi nhiệt,
hoặc nguồn không ổn định, hoặc nhiễu biên độ rất bé cũng đủ tạo đợc v
d
vợt ra
ngoài tầm V
S
làm ngõ ra bão hoà dơng hoặc bão hoà âm. Mạch khuếch đại vòng
hở thờng sử dụng trong chế độ xung. Trong chế độ khuếch đại tuyến tính, ngời ta
phải dùng hồi tiếp âm để tạo sự làm việc ổn định của bộ khuếch đại.
5.3. Một số ứng dụng của OPAMP:
Trong thực tế, trạng thái v òng hở chỉ thờng đợc sử dụng trong chế độ
xung. ở chế độ khuếch đại tuyến tính, ngời ta phải dùng hồi tiếp âm để tạo sự làm
việc ổn định cho bộ khuếch đại, đồng thời mở rộng vùng làm việc của tín hiệu vào.
Trạng thái nh vậy gọi là trạng thái vòng kín.
Giả sử OPAMP là lý tởng có r
i
= nên dòng chảy vào OPAMP là i
v
=0 và A
0
=
nên v
i

+
- v
i
-
=v
0
/A
0
=0 nên v
i
+
= v
i
-
.
5.3.1. Mạch khuếch đại đảo:
Mạch khuếch đại đảo có ngõ vào không đảo nối đất, tín hiệu vào v
i
đa vào ngõ
vào đảo thông qua điện trở R
1
. Điện trở R
f
đa điện áp ngõ ra v
0
trở lại ngõ vào đảo.
Hình 5.3. Mạch khuếch đại đảo dùng OPAMP
vi
v
0

Rf
R1
P
N
Ta có v
i
+
= 0 nên ngời ta gọi điểm N là điểm đất giả.
Ta có
1
00
1
0
R
V
V
V
R
VV
R
VV
f
if
NNi




Dấu trừ biểu thị điện áp ra ngợc pha so với điện áp vào.
Khi R

1
=R
f
thì V
0
= - V
i
, ta có mạch lặp lại điện áp đảo.
5.3.2. Mạch khuếch đại không đảo:
Mạch khuếch đại không đảo có tín hiệu đa vào trực tiếp vào ngõ vào không
đảo, còn ngõ vào đảo đợc nối đất thông qua R
1
Hình 5.4. Mạch khuếch đại không đảo dùng OPAMP
1
00
1
0
1
100
0
R
R
V
V
R
VV
R
V
R
VV

R
V
f
if
ii
f
NN








Khi R
1
= , R
f
= 0 thì V
0
= V
i
, ta có mạch lặp điện áp không đảo.
5.3.3. Mạch cộng đảo:
Mạch cộng đảo gồm các nguồn tín hiệu đợc đa đến đồng thời ngõ và o đảo.
Xét mạch gồm có hai nguồn điện áp v
1
, v
2

nh hình vẽ.
Hình 5 5. Mạch cộng đảo dùng OPAMP
V
0
Rf
R1
V
i
Rf
V
0
V
1
R1
V
2
R2
2
2
1
1
0
V
R
R
V
R
R
V
V

ff
i

Công thức trên có thể mở rộng đến n ngõ vào tuỳ ý.
5.3.4. Mạch trừ:
Mạch trừ gồm các nguồn tín hiêu đợc đa đến đồn g thời vào ngõ vào đảo và
ngõ vào không đảo
Hình 5 6. Mạch trừ dùng OPAMP
áp dụng nguyên lý xếp chồng ta có V
0
=V
01
+V
02
trong đó V
01
là điện áp ngõ ra
khi chỉ có nguồn tín hiệu vào là V
1
, V
2
=0. Lúc đó mạch trở thành mạch khuếch đại
không đảo. Vì vậy ta có
32
21
01
)1()1(
RR
RV
R

R
V
R
R
V
f
P
f


Tơng tự , ta có V
02
là điện áp ngõ ra khi chỉ có nguồn tín hiệu vào là V
2
, V
1
=0.
Lúc đó mạch trở thành mạch khuếch đại đảo.
Vì vậy ta có
202
V
R
R
V
f

Vậy ta có V
0
=V
01

+V
02
=
2
32
21
)1( V
R
R
RR
RV
R
R
ff



5.3.5. Mạch cộng không đảo:
Mạch cộng không đảo gồm các nguồn tín hiệu đợc đa đến đồng thời ngõ vào
không đảo.
Xét mạch gồm hai nguồn điện áp v
1
, v
2
đa đến ngõ vào không đảo nh hình vẽ.
V
1
V
0
R2

Rf
R
R3
V
2
Hình 5. 7. Mạch cộn g đảo dùng OPAMP
áp dụng nguyên lý xếp chồng ta có V
0
=V
01
+V
02
trong đó V
01
là điện áp ngõ ra
khi chỉ có nguồn tín hiệu vào là V
1
, V
2
=0. Lúc đó mạch trở thành mạch khuếch đại
không đảo. Vì vậy ta có
21
21
01
)1()1(
RR
RV
R
R
V

R
R
V
f
P
f


Tơng tự , ta có V
02
là điện áp ngõ ra khi chỉ có nguồn tín hiệu vào là V
2
, V
1
= 0.
Lúc đó mạch trở thành mạch khuếch đại không đảo. Vì vậy ta có
12
12
01
)1()1(
RR
RV
R
R
V
R
R
V
f
P

f


Vậy ta có V
0
=V
01
+V
02
=



12
21
)1(
RR
RV
R
R
f
12
12
2
)1(
RR
RV
R
R
f

Mạch có thể gồm có n nguồn tín hiệu vào.
5.3.6. Mạch vi phân:
Mạch vi phân gồm có nguồn điện áp v
i
đợc đặt vào ngõ vào đảo thông qua tụ C
Hình 5.8. Mạch vi phân dùng OPAMP
vi
v
0
Rf
C
P
N
V
2
V
0
Rf
R1
R2
V
1
R
Ta cã
dt
dv
CR
V

V
R
v
dt
dv
C
i
f
if
v

00
0
5.3.7. M¹ch tÝch ph©n:
M¹ch vi ph©n gåm cã tô C ®îc ®Æt ngay trªn ®êng håi ti Õp vÒ.
H×nh 5.9. M¹ch tÝch ph©n dïng OPAMP
dtv
RC
v
R
v
dt
dv
C
i
i


1
0

0
0
vi
v
0
C
R
P
N