giới thiệu tổng quan về op-amp và ứng dụng

 mạch bù điện thế offset của op-amps được sử dụng của op-amps như một bộ khếch đại đảo, mạch bù phải kết nối các thiết bị đầu vào không đảo dấu của op-amps.. Mạch điện trong hình 5.3 có

Chương 5:

Op-amp ứng dụng

11 Ngô Minh Anh 1020003

12 Đặng Đào Trâm Anh 1020002

13 Võ Phan Thanh Duy 1020035

14 Nguyễn Hoàng Minh Trí 1020241 Đọc bản dịch, tổng hợp và lập

 5-7 Ảnh hường của nguồn tới điện áp offset ngõ vào

 5-8 Thay đổi điện thế và dòng offset ngõ vào theo thời gian

 5-9 Những thông số nhạy điện thế nguồn và nhiệt độ khác

 Trong chương trước chúng ta tìm hiểu về

Op-amps và những tính chất, cũng như ứng dụngcủa nó.

 Tuy nhiên, ta mới chỉ nghiên cứu op-amp dưới điều kiện lý tưởng với các thuộc tính mong muốn Trong thực tế không được như vậy, ta sẽ gặp

nhiều vấn đề khiến ngõ ra bị nhiễu Một trong vấn

đề ta gặp phải là điện thế offset ngõ vào.

 VD: micro để yên vẫn phát ra tiếng rè  chứng tỏ

có điện thế gây ra  điện thế offset.

 Vì vậy, trong chương này chúng ta sẽ bàn

luận về thuộc tính của op-amps ứng dụng đã gây ra điện thế ngõ ra offset

cứu việc thêm vào op-amp một mạch điện

một cách hiệu quả, đặc biệt nếu nó được sửdụng trong mạch khếch đại DC

 Điện thế ngõ vào offset Vio là điện thế ngõ vào vi sai tồn tại giữa 2 ngõ vào của một op-amp khi

chưa được cấp nguồn.(Nhìn hình 5.1a).

 Điện thế ngõ ra offset là Voo Nó được gây ra bởi

Vio Khi Vio qua Op-amp thì được khuếch đại lên nhiều lần gây nên Voo Hình 5.1 b cho thấy điện thế ngõ ra offset trong op-amps không hồi tiếp

-VEE

RL

+ A

 Điện thế ngõ ra offset Voo là điện thế DC, có

thể dương hoặc âm tùy thuộc vào Vio, không thể đoán trước được Cho nên trên

datasheets Vio có giá trị tuyệt đối tối đa

 Ví dụ: ở 741 Vio tối đa là 6mV, trong khi con

740 Vio tối đa là 20mV, ở đây nghĩa là điện

thế tối đa khác nhau giữa 2 thiết bị ngõ vào trong op-amps 741 có thể lớn đến 6mV DC Còn 740 thì tối đa là 20mV

 Điện thế offset ngõ ra là điện thế ta không

mong muốn Do đó chúng ta cần áp vào điện thế các ngõ vào vi sai ở biên độ và phân cực

ta linh hoạt để đạt được Vio đúng biên độ và

phân cực Mạch như thế được gọi là mạch bù điện thế ngõ vào offset ( input offset voltage

• Tới khi chúng ta đưa ngõ vào chính xác

trong op-amps nó sẽ giúp điện thế offset

được cân bằng, chúng ta sẽ giảm điện thế

ngõ ra offset Voo về 0 Op-amps khi đó được gọi là “nulled” (làm về 0) hoặc “balanced”

(làm cân bằng)

• Giá trị Vio trong op-amps của các loại giống

nhau không thể giống về biên độ và phân

cực bởi sự sản xuất hàng loạt nhưng nó sẽ

cho giá trị tối đa ít hơn trong datasheets

 Trước khi chúng ta bắt đầu thiết kế một

mạch bù điện thế, lưu ý đối với những

op-amps có chân offset null thì không cần

mạch bù như 741, 748, 777 và 201 Đối với

loại op-amps 741 biến trở 10k Ω làm cầu

phân thế được đặt vào chân 1, 5 và con chạy được nối với nguồn âm ở chân 4, được biểu diễn ở hình 5.2 Điều chỉnh nút vặn để đưa ngõ ra về 0 (nulled output)

 mạch bù điện thế offset của op-amps được

sử dụng của op-amps như một bộ khếch đại đảo, mạch bù phải kết nối các thiết bị đầu vào không đảo dấu của op-amps Mạch điện trong hình 5.3 có thể được sử dụng như một bộ

khếch đại không đảo dấu khi các mạch bù

được kết nối với thiết bị đầu vào đảo dấu của

 Phân giải mạch bù:

 Điện trở tối đa theo định lý thevenin xảy ra khi con chạy ở trung tâm biến trở, thể hiện ở hình 5-4a Khi đó :

 Rmax =(Ra /2) // (Ra /2) = Ra /4

 Điện áp tương đương Vmax theo định lí thevenin tối đa bằng Vcc hoặc –VEE khi con chạy ở vị trí cao nhất hoặc thấp nhất của biến trở.(Hình 5-4(b)

và(c))

 Ta có: |Vcc|= |-VEE| nên đặt |Vcc|=|-VEE|= V=Vmax

 Tiếp theo chúng ta vẽ lại mạch bù bằng cách sử

dụng điện thế và điện trở thevenin tối đa như hình 5-5 Áp dụng quy tắc điện áp trong mạch điện như hình 5-5 chúng ta có được :

R

2

 Ở đây V2 được thể hiện như 1 chức năng

𝐕𝐢𝐨 = 𝑹𝒄

𝑹𝒎𝒂𝒙+𝑹𝒃+𝑹𝒄 ∙ Vmax (5-2)

 Có quá nhiều ẩn số trong phương trình 5-2,

để đơn giản hóa 5-2 chúng ta hãy giả sử rằng

Rb > Rmax > Rc Ở đây Rmax = Ra /4 Có nghĩa là

Rb > Rmax khi Rmax= Ra /4 Do đó giả sử trên

là hợp lệ Bằng cách sử dụng giả thiết này

chúng ta có thể nói rằng Rmax + Rc+ Rb xấp xỉ

R

𝐕𝐢𝐨 = 𝑹𝒎𝒂𝒙+𝑹𝒃+𝑹𝒄𝑹𝒄 ∙ Vmax (5-2)

Thiết kế mạch bù dùng op-amps LM307 Op-apms sử dụng có điện thế ± 10V.

 Nếu ta chọn Rc= 10Ω , giá trị của Rb sẽ là :

 Nếu biến trở 4kΩ không có sẵn chúng ta có

thể sử dụng giá trị thấp hơn, chẳng hạn như

+Vcc +10V

-VEE -10V

RL >10kΩ

+LM307-

 Sau mạch điện ở hình 5-6 đã được test thử,

về 0

 Chúng ta vừa khảo sát mạch bù với op-amp vòng hở (open-loop) Giờ ta sẽ khảo sát về

điện thế offset trong Op-amp có hồi tiếp Bộkhếch đại đảo và không đảo mắc hồi tiếp được biểu diễn như hình 5.7

-VEE

RL

+A-

Voo= (1+RF/R1)Vio

Voo= RF/R1)Vio

- Với mạch hồi tiếp âm, ta tính được công thức liên hệ giữ Vio và Voo là:

(quá trình chứng minh : xem sách)

 Để null Voo (đưa Voo về 0), chúng ta có thể sử

dụng mạch bổ sung giống hệt cái đã sử dụng cho vòng lặp mở Khuếch đại vòng lặp đóng

đảo và không đảo với mạch bổ sung được

trình bày ở Hình 5-9.

RL

+A-

 Mạch bổ sung hình 5-9 được thiết kế sử dụng công thức 5-4 Mạch này được kết nối với đầu không đảo cho việc khuếch đại đảo và ngược

lại

 Chú ý rằng là độ lợi thế của khuếch đại không

đảo với mạch bổ sung là :

AF = 1 +[RF/(R1 +RC)]

 Kết quả này dựa trên việc cho rằng là Rb > Ra

> Rc Trước khi Vin được áp vào, op-amps ở

hình 5-9 được null bởi việc điều chỉnh con

chạy.

 Khuếch đại vòng lặp đóng là khá khó để null

vì việc sử dụng mach bổ sung có thể thay đổi CMRR Hình 5-10 cho thấy khuếch đại vi sai với hệ thống bù trừ Để nâng cao CMRR, ta

differential amplifier) ở hình 5-11 sử dụng op-amp với các chân điện thế offset null

-VEE

RL

A+

-Voo= (RF/R1)(Vin1-Vin2)

If R1=R2And RF=R3

Op-amps trong hình 5-13 với LM307 có

Điện áp đầu ra offset tối đa có thể là bao

Bài giải :

khép kín của bộ khếch đại :

 Khi Vi0 = 10mV DC (max) V00 có đô lớn như sau :

dương 110mV DC nếu được nối với mặt đất

Thiết kế mạng lưới bổ sung điện thế ngõ vào như mạch điện như hình 5-13.

5- Áp dụng định lý thevenin qua Rc, điện thế

khuếch đại không đổi dấu sẽ không bị ảnh

 𝐴𝑜𝑜 = 1 + 𝑅𝐹

đảo và không đảo dấu

◦ AF=1+RF/R1 với khuếch đại không đảo dấu

◦ AF=-RF/R1 với khuếch đại đảo dấu

 Thật ra, dòng phân cực IB1 và IB2 là dòng phân cực nền của 2 transitor ở ngõ vào đầu tiên của tần khuếch đại vi sai của Op-amp Trong phần

 Giá trị của dòng phân cực IB là rất nhỏ trong khoảng từ một vài cho đến vài trăm nA.

 Mặc dù rất nhỏ nhưng dòng phân cực IB có

thể gây ra một chênh lệch điện thế ngõ ra

VoIB đáng kể trong mạch khi dung điện trở

hồi tiếp có giá trị tương đối lớn

 VoIB có thể không lớn như khi bị gây ra bởi chênh lệch điện thế đầu vào nhưng phải vẫn

cần chú ý để hạn chế nó

 Trước tiên, ta thiết lập biểu thức của điện thếchênh lệch ngõ vào gây ra bởi dòng phân cực

IB : VoIB

5-16

IB2 lần lượt vào ngõ vào không đảo

và đảo dấu Ngõ vào

không đảo được nối đất nên điện thế

V1 =0V AVin

=0 do Vin

=0

 Do điện trở ngõ ra Vo không đáng kể, nên

là:

 𝑉2 = 𝑅1 𝑅𝐹

 Ri : điện trở ngõ vào của op-amp (nhìn hình 5-16)

 Biểu diễn lại biểu thức (5-13), ta có:

 VoIB/RF=V2(1/R1+1/RF+1/Ri)

 Vì Ri vô cùng lớn ( lý tưởng là vô cùng), nên

 Ta thiết lập được công thức:

điện trở hồi tiếp giá trị nhỏ là được khuyến

cáo

 Để loại trừ hoặc làm giảm điện thế chênh lệch

 Biểu thức 5-17 nói ta phải tăng điện thế V1 tại

không sinh ra bất kì điện thế nào ở ngõ vào không đảo vì ngõ vào này được nối đất ( hình

ra gây ra bởi dòng

IB

(a) Ở mạch khuếch đại đảo dấu ở hình

5-19, xác định giá trị lớn nhất có thể của điện thếchênh lệch ngõ ra gây ra bởi:

(*) Op-amp được sử dụng là loại 741

RF 47kΩ

 2, Giá trị của điện trở hồi tiếp RF=47kΩ, nên:

 VoIB= RF.IB

ngõ ra có thể lớn hoặc nhỏ hơn so với đất khi

 Từ kết quả ở hai câu 1 và 2, cho thấy rằng , V

 Chúng ta vừa được thấy trong mục 5-3 cách

Trong thực tế, những dòng này không bằng

nhau vì sự không cân bằng bên trong của

mạch op-amp

 Ví dụ: op-apm 741 , Iio max = 200 nA Điều này có nghĩa là IB1 có thể lớn hơn IB2 hoặc IB2

lớn hơn IB1, tối đa là 200 nA Mặt khác, hiệu

giữa IB1 và IB2 lớn nhất có thể là 200 nA

 Ở ngõ vào op-amp loại FET, giá trị của Iio

cực kì nhỏ Ví dụ, Iio max = 0.3 mA đối với op-amp µA740C.

 Định nghĩa VoIio là điện thế offset ngõ

ra được gây ra bởi dòng offset ngõ

vào Iio

 Tìm liên h ệ gi ữ VoIio và Iio:

◦ Để tách rời ảnh hưởng của dòng offset ngõ vào khỏi điện thế offset ngõ vào, ta giả sử

là Vio = 0V.

◦ Ta lần lượng tính VoIB1 và VoIB2 gây ra bởi

Ib1 và Ib2 Sau đó tính VoIio.

RL

A +

điện thế V1 và V2như một hàm của

IB1 và IB2, biết giá trị của R1và RF như sau:

V1 = ROMIB1 (5-18)

V2 = RpIB2 (5-12) Trong đó,

R = R =

 Chúng ta sẽ tìm điện thế offset ngõ ra dựa vào V1

và V2 trong gây ra bởi IB1, IB2 và RF Ta biết, từ

phương trình (5-15), rằng

 VoIB2 = – RFIB2

 Ở đây dấu âm đc dùng bở vì V2 là điện thế tại ngõ vào đảo đấu Điện thế ngõ ra offset VoIB2 được

biểu diển bởi V2, IB2 và RF

 Tương tự, điện thế ngõ vào offset VoIB2 được biểu diễn bởi V1 IB1 và RF có thể thu được như sau:

 VoIB2 = V1(1 + RF/R1) (5-23)

 Trong đó V1 là điện thế tại ngõ vào không đảo

dấu.

 (1 + RF/R1) là độ lợi của khuếch đại k đảo dấu.

 Thay vào phương trình (5-23) giá trị V1 từphương trình (5-18), ta được

 VoIB2= ROMIB1(1 + RF/R1)

= R1RF/(R1 + RF)IB1(R1 + RF)/R1 24)

(5- VoIB2 = RFIB1 (5-25)

 Do đó, độ lớn của điện thế offset ngõ ra biểu diễn bởi IB1 và IB2 là

 VoIB1 + VoIB2 = RFIB1 – RFIB2

 = RF(IB1 – IB2)

(5-26)

 Trong đó VoIB1 + VoIB2 = VoIio là điện thế

offset ngõ ra gây ra bởi Iio và Iio = |IB1 – IB2| (dòng offset ngõ vào)

 Ta rút ra được nhận xét về VoIio:

◦ Phụ thuộc RF với Iio cho trước.

◦ Là diện thế DC, có thể âm hoặc

dương.

◦ Nhỏ hơn điện thế VoIB gây ra bởi dòng

IB.

Đối với khuếch đại

đảo không dấu, xác định

 Ví dụ 5-6 minh họa rằng ta không thể loại trừ hoàn toàn điện thế offset ngõ ra do sự không

 Ta biết rằng một mạch như hình 5-19, điện thế offset ngõ ra VOO được gây ra bởi VIO có thể âm hoặc dương đối với mass Tương tự, điện thế offset ngõ ra VOIB gây ra bởi IB cũng

có thể âm hoặc dương đối với mass

 Nếu những điện thế offset ngõ ra trên khác dấu thì tổng hợp của điện thế offset ngõ ra

sẽ rất nhỏ Mặt khác, nếu các điện thế offset ngõ ra cùng dấu thì tổng offset ngõ ra sẽ là:

VooT = VOO + VoIB

VooT = (1 + Rf/R1)VIO + RfIB (5-27)

 Vì vậy, trong một mạch như là ở hình 5-21, ta

Tính tổng điện thế offset tối đa có thể có ởmạch khuếch đại trong hình 5-22 Op-amp là con MC1536 với những đặc điểm sau:

Giải:

pha sớm Do đó, để tính tổng điện thế offset ngõ ra, ta phải dùng phương trình (5-27):

(10kΩ)(250nA)

Trong thảo luận trước đó ta đã giả định các

op-amp cho trước Tuy nhiên trong thực

 Hầu hết những sự thay đổi nghiêm trọng

của nhiệt độ

Vài Định nghĩa:

độ lệch nhiệt điện thế là tỉ lệ trung bình

của sự thay đổi điện thế ngõ vào trên đơn vị

thay đỏi nhiệt độ

µV/ºC

 Tương tự, có thể định nghĩa độ lệch nhiệt

trong dòng offset ngõ vào và dòng điện phân cực ngõ vào như sau:

độ lệch nhiệt trong dòng ngõ vào offset (pA/ºC)

độ lệch nhiệt trong dòng ngõ vào phân cực (pA/ºC)

 Độ lệch không phải là một giá trị không

đổi; nó không đồng đều trong tầm nhiệt độ

vận hành cụ thể

điện có thể được tăng lên hay giảm xuống khi nhiệt độ tăng Như biểu diễn ở hình 5-23 (a)

và (b)

 Xem xét một đoạn trong hình 5-23 (c) chúng

ta thấy rằng dòng điện phân cực ngõ vào

không giảm xuống ở một tỉ lệ không đổi, cùng với sự tăng nhiệt độ

0 20 40 60 80 100

 Trên thực tế, ngay khi chúng ta tính những

giá trị từ các phần trong hình 5-23, trong một tầm nhiệt độ vận hành mong muốn , chúng ta có:

 ∆𝑉𝑖𝑜

 ∆𝐼𝑖𝑜

 Những công thức này làm tốn thời gian và nó bao gồm nhiều thao tác Toán học phức tạp

trung bình của độ lệch nhiệt điện áp offset và dòng offset thay thế hoàn toàn cho tầm nhiệt

độ vận hành

 Ví dụ:

 cho op-amp LM101A, hệ số nhiệt độ trung bình của điện thế ngõ vào là:

 Và hệ số nhiệt độ trung bình của dòng ngõ vào là:

 Tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu sự thay

đổi trong tổng điện thế ngõ ra gây ra bởi độ lệch nhiệt của điện thế và dòng ngõ vào

offset

 Xét mạch khuếch đại đảo dấu với điện trở

ROM và mạch bù như ở hình 5-24 Chúng ta giả sử rằng mạch khuếch đại là được nulledtại nhiệt độ phòng (25ºC), tức là ảnh hưởng của Vio và Iio đã giảm về 0

-V

RL

A +

 Đầu tiên chúng ta tìm hiểu sự thay đổi

trung bình trong tổng điện áp offset ngõ ra trên một đơn vị thay đổi nhiệt độ Giá trị này

có được từ công thức 5-28 cho bởi phương trình sau:

tổng điện áp ngõ ra trên đơn vị thay đổi nhiệt

độ, đơn vị µV/ºC

T

I R

T T

V R

Ta định nghĩa sự thay đổi tối đa có thể trong

số (error voltage), kí hiệu là Ev

Từ phương trình (5-29) chúng ta có:

  T

T

I R

T T

V R

 Thực tế, độ lệch điện áp và dòng điện có thể

là một vấn đề nghiêm trọng trong khuếch

đại AC, đặc biệt nếu điện áp ngõ vào là

Cho mạch khuếch đại đảo dấu (5-24) op-amp

LM307 được ghi rõ:

cực đại cực đại

Vs= ±15V

R1=1 kΩ, RF=100 kΩ, và RL=10 kΩ

Giả sử sự khuếch đại là được nulled tại 25ºC tính toán giá trị sai số điện áp Ev và điện áp ngõ ra tại 35ºC nếu

(a) V in=1mV dc

(b) V in=10mV dc

C

V T

I to o

/ 300







T T

I R

T T

V R

R E

o o

to f

to f

v

300 30

Với V in=1mV dc, dùng phương trình (5-31) điện áp ngõ ra là:

69.4mV.

ho?c 130.6mV

Vo

-6 30 100

6 30

1 1

mV

mV k

k

E

V R

R

Theo cách đó sai số điện áp ±30.6 mV dc làm điện áp ngõ ra bằng 130.6 mV dc hoặc 69.4 mV dc do sự thay đổi nhiệt độ từ 25ºC đến 35ºC.

trị sai số điện áp vẫn bằng ±30.6 thay vào phương trình (5-31), ta có:

mV k

k

E

V R

R

6 30 100

6 30

10 1

Nhìn vào kết quả ở phần (a) và (b), mặc dù

lượng sai số là giống nhau ở hai trường hợp,

lớn hơn vì biên độ ngõ vào nhỏ hơn Tỉ lệ phần trăm sai số của điện áp ngõ ra có thể bị giảm đáng kể nếu chúng ta dùng op-amp loại

chính xác

Tham khảo mạch khuếch đại hình 5-24, dùng các chi tiết mạch điện giống nhau Liệt kê đặc điểm kĩ thuật, dùng các mạch điện có đặc tính giống nhau như ví dụ 5-8 Giả sử mạch

đạt đỉnh khi tần số sóng tại 1kHz

(a) Tính Ev và Vo tại 25ºC

(b) Vẽ dạng sóng ngõ ra tại 55ºC

V k

T T

I R

T T

V R

R E

o o

to f

to f

v

30

300 100

30

30

100 1

Có nghĩa là tín hiệu điện thế ngõ ra AC đỉnh 1000mV được đưa lên tầng +91.8mV dc hoặc xuống tầng -91.8mV dc Khi mà tín hiệu được đưa lên tầng dương dc được gọi là dịch lên Ngược lại nếu nó được đưa xuống tầng âm dc thì được gọi là dịch xuống

-mV mV

mV

mV k

k

E

V R

R

8.911000

8.91

101

Trong ví dụ 5-9, sai số điện áp gây ra sự dịch chuyển tầng dc trong khuếch đại ac.

Một sự chuyển dịch dc tương đối nhỏ có thể

được cho phép Tuy nhiên sự dịch chuyển

tương đối đó lớn trong một mạch khuếch đại

ac có thể gây ra sự biến dạng ở dạng sóng

ngõ ra cụ thể là sự dịch chuyển tầng dc phụ

thuộc vào tính phân cực của nó, có thể xén nhiều phần ở đỉnh dương hoặc đỉnh âm của

Hình 5-26 trình bày đầy đủ mạch khuếch đại

Ta đã thấy rằng độ lợi của khuếch đại không đảo với một mạng lưới bù điện thế bằng 1+[RF/(R1+Rc)] (hình 5-26)

Do đó, biểu thức điện áp ngõ ra của mạch khuếch đại

không đảo được viết như sau:

Với:

v in

c

f

R R

I R

T T

V R

 Phần này chúng ta sẽ quan tâm đến sự ảnh hưởng của sự biến thiên của điện áp nguồn cấp +Vcc và -Vee trong giá trị của Vio, Iio, và

Ib vả cả sự ảnh hương của việc thay đổi Vio, Vio, Ib trong địên áp ngõ ra OFFSET