Giáo trình Mạch điện tử - Chương 7: OP-AMP Khuếch đại và ứng dụng - Trương Văn Tám

ào (-) xuống mass. 
7.4.3. Điện thế offset ngõ vào 
a. Định nghĩa và mô hình 
Trong mạch điện hình 7.65a, ngõ ra không phải là 0V như lý tưởng mà có một trị số 
nào đó. Điện thế này tạo ra do sự mất cân bằng bên trong của một op-amp thực tế. Trị số vo 
này thay đổi tùy op-amp, thường ở hàng μv đến mv. Để tiện trong phân giải, người ta có thể 
coi như có một nguồn điện thế vio mắc nối tiếp ở ngõ vào (+) của một op-amp lý tưởng 
(hình 7.65b) và vio này được gọi là điện thế offset ngõ vào 
-
+ 
Op-Amp 
thực tế 
(a) 
vo=2mv 
(thí 
d )
-
+ 
(b) 
vo=vio=2m
v
vio=2mv 
0V 
Hình 7.65 
Nếu ngõ ra v0<0 thì đổi cực vio lại 
b. Ảnh hưởng của điện thế offset ngõ vào lên điện thế ngõ ra 
- Trong mạch vòng hở, nếu A khá lớn và vio cũng khá lớn, ngõ ra của op-amp có thể bị 
bảo hòa. 
-
+ 
vo=|vosat|=A.
|E |
vio
|Ed | 
Hình 7.66 
• 
A 
Trương Văn Tám VII-34 Mạch Điện Tử 
Chương 7: OP-AMP_Khuếch đại và ứng dụng 
- Ta có thể dùng mạch sau để đo vio 
Rf không được qúa lớn để giảm thiểu ảnh hưởng của dòng điện phân cực ngõ vào 
Tụ .01 để giảm nhiễu ở tần số cao 
Nhà sản xuất thường chỉ dẫn cách làm để giảm thiếu ảnh hưởng của vio .01 
- 
+ 
vio
Ei=0v 
Ri
Rf 
Trương Văn Tám VII-35 Mạch Điện Tử 
7.4.4. Sự trôi (drift) 
Ở phần trước ta đã thấy, sai số ngõ ra vo do hai nguyên nhân chính là dòng điện phân 
cực ngõ vào và điện thế offset ngõ vào. hai tác nhân này lại thay đổi theo phân cực và nhất 
là nhiệt độ. Sự thay đổi điện thế ngõ ra này theo thời gian gọi là sự trôi. 
Nhà sản xuất thường cho biết độ thay đổi của dòng điện phân cực dưới dạng nA/oC và 
độ thay đổi của điện thế offset dưới dạng μv/oC. Như vậy để giảm thiểu sai số vo và độ trôi, 
ngoài việc bổ chính dòng điện phân cực và hiệu chỉnh điện thế offset (theo chỉ dẫn của nhà 
sản xuất) ta nên dùng mạch ổn áp để phân cực cho op-amp và nên lựa chọn các op-amp có 
độ trôi nhỏ và đặt ở môi trường có nhiệt độ ít thay đổi. 
7.4.5. Đáp ứng tần số của op-amp 
a. Bổ chính tần số bên trong 
Độ lợi vòng hở A có trị số lớn và đều đến một trị số nào đó rồi giảm dần theo tần số. 
Đây là chủ đích của nhà chế tạo với 2 lý do: một là op-amp ít khi sử dụng dạng vòng hở mà 
thường có hồi tiếp, như vậy độ lợi thực tế Av thường nhỏ hơn A, hai là để tránh hiện tượng 
dễ dao động ở tần số cao. Muốn vậy, cấu trúc bên trong của op-amp luôn có các tụ bổ chính 
tần số (có giá trị trên dưới 30pF). Thường độ giảm của A được chọn là –20dB/decade. 
Đối với những op-amp có băng tần tự nhiên rộng hơn và độ giảm nhỏ hay lớn hơn 
-20dB/decade thường làm cho op-amp dễ bị dao động khi dùng mạch hồi tiếp (theo định 
luật Nyquist). Trong trường hợp đó nhà chế tạo sẽ chỉ dẫn phương pháp sửa chữa đáp ứng 
bằng các mạch hồi tiếp bên ngoài (thường là tụ điện, tụ điện-điện trở) 
10P3 P 
10 
10P2 P 
104
105
106
2.105
120 
A (dB) 
A 
Hình 7.68. Đáp ứng tần số 
tự nhiên của Op-Amp 741 
741 
Hình 7.67 
f
o vio
iR
R
v )1( +=
Chương 7: OP-AMP_Khuếch đại và ứng dụng 
* Băng tần độ lợi đơn vị (unity-gain bandwidth) 
Là băng tần của op-amp có độ lợi vòng hở bằng 1. Thí dụ ở op-amp 741 là B=1MHz. 
* Thời gian chyển tiếp (thời gian quá độ - Rise time) 
Ở mạch có độ lợi vòng hở bằng 1, nếu tín hiệu vào là một xung vuông lý tưởng (có 
biên độ từ 0 → Ei) thì ngõ ra không thay đổi ngay từ 0 đến Ei khi có xung vào mà phải mất 
một thời gian gọi là đáp ứng thời gian tăng quá độ (transient response rise time). Thường 
thời gian này được tính từ khi ngõ ra đạt 10% giá trị cực đại đến 90% giá trị cực đại. 
Đôi khi nhà sản xuất không cho ta biết đáp ứng tần số tự nhiên (tức không biết băng 
tần độ lợi đơn vị B) mà lại cho biết thời gian quá độ này (rise time). Băng tần đơn vị B được 
tính từ công thức: (7.39) 
risetime
35.0B = 
b. Độ lợi điện thế và đáp ứng tần số 
Độ lợi thực tế Av của mạch khuếch đại có hồi tiếp không những tùy thuộc các điện trở 
bên ngoài mà còn tùy thuộc vào độ lợi vòng hở A. Do A theo tần số nên Av cũng thay đổi 
theo tần số. ta xem lại hai mạch khuếch đại căn bản: 
* Mạch khuếch đại không đảo 
 + 
-
Ri
741 
Hình 7.69 
vo
Rf
vi
va
• 
Ta có: 
ai
o
vv
v
A −= 
i
a
f
ao
R
v
R
vv =− 
Giải hệ thống ta tìm được: (7.40) 
R
R
1
R
R1
v
v
A
i
f
i
f
i
o
v
+
+
== 
Trong đó: 
i
f
R
R1+ là độ lợi Av khi xem op-amp là lý tưởng. 
Từ công thức thực tế này ta thấy: Nếu vi là tín hiệu điện thế một chiều (tần số f=0) 
hoặc vi là tín hiệu xoay chiều tần số rất thấp thì A khá lớn nên 
i
f
v R
R1A +≅ . Khi vi có tần số 
lớn, do A giảm nên Av giảm theo. 
Trương Văn Tám VII-36 Mạch Điện Tử 
* Mạch khuếch đại đảo: 
-
+ 
v BoB 
RBi B 
Rf
741 
v BiB 
v BaB •
Chương 7: OP-AMP_Khuếch đại và ứng dụng 
a
o
v
v
A −= 
f
oa
i
ai
R
vv
R
vv −=− 
Giải, ta tìm được: (7.41) 
R
RR
A
11
R
R
v
v
A
i
fi
i
f
i
o
v
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ++
−
== 
Nhận xét ta cũng thấy Av có tính chất như mạch không đảo (thay đổi theo A tức theo 
tần số). 
c. Độ rộng băng tần - giới hạn tần số cao 
Băng tần cũng được định nghĩa là giới hạn của hai tần số fL và fH mà tại đó độ lợi của 
mạch giảm 2 lần so với độ lợi cực đại. 
Với op-amp có tần số giới hạn phía thấp fL thường rất nhỏ (vài Hz) nên băng tần xem 
như bằng giới hạn tần số cao fH. 
Hình 7.71. Băng tần của mạch có độ lợi Av
fH B f0 
AV
A 
A 
Để xác định gần đúng băng tần của mạch khuếch đại dùng op-amp ta có 2 cách: 
- Một là có thể dùng đáp ứng tự nhiên (vòng hở) được mô tả ở hình 7.71 
- Hai là có thể tính từ công thức: (7.42) 
R
RR
Bf
i
fi
H += 
7.4.6. Vận tốc tăng thế (slew rate) 
Định nghĩa 
Điện thế của op-ampkhông thể tăng đột ngột lên trị số cao mà phải mất một thời gian 
đủ để nạp điện vào các tụ bổ chính tần số bên trong của op-amp. Đặc tính này được đo bằng 
vận tốc tăng thế và có đơn vị là v/μs. Nếu I là dòng nạp tối đa và C là điện dung của tụ bổi 
chính, ta có: 
Trương Văn Tám VII-37 Mạch Điện Tử 
Chương 7: OP-AMP_Khuếch đại và ứng dụng 
C
I
gian Thôøi
 rangoõ theá ñieän ñoåi thay Ñoä rateSlew == 
Thí dụ ở op-amp 741: I=15μA ; C=30pF ⇒ slew rate = 0,5V/μs. 
Vận tốc tăng thế tùy thuộc vào độ lợi điện thế, tụ bổ chính tần số và điện thế ngõ ra 
dương hay âm, thường được nhà sản xuất cho biết. 
Giới hạn của vận tốc tăng thế trên sóng sin 
Gọi vi là tín hiệu vào có dạng sin với biên độ đỉnh vip của một mạch khuếch đại dùng 
op-amp. Sự thay đổi tối đa của vi tùy thuộc vào tần số, biên độ đỉnh và cho bởi 2πf.vip. Nếu 
độ thay đổi này lớn hơn vận tốc tăng thế của op-amp thì tín hiệu ra vo sẽ bị biến dạng. 
Như vậy, khi sử dụng op-amp phải thoả mãn điều kiện: 
2πf.vip ≤ slew rate 
hay: 
ip
max 2π
rate slewf
v
= 
7.4.7. Nhiễu trên điện thế ngõ ra 
Tín hiệu điện không mong muốn xuất hiện ở ngõ ra gọi là nhiễu. Sự trôi dòng điện và 
điện thế offset cũng được gọi là nhiễu (ở tần số rất thấp). Nếu ta bỏ qua các nhiễu do mạch 
ngoài tạo ra thì bên trong của op-amp cũng tạo ra nhiễu và làm ảnh hưởng đến điện thế ngõ 
ra. Hình 7.72 là mô hình hóa đơn giản nhất của nhiễu trong op-amp (nguồn điện thế En). 
-
+ 
Rf //Ri
En=2μv 
Ri
Rf
3pF 
741 )1(
i
f
no R
R
Ev += 
Hình 7.72 
Nhà sản xuất thường cho biết nguồn nhiễu (khoảng vài μV) trong khoảng tần số nào 
đó với một khoảng thay đổi của Ri. Thí dụ op-amp 741 có En = 2μV trong dải tần số từ 10 
Hz Æ 10 KHz. Nguồn nhiễu này không thay đổi khi 200Ω 20KΩ 
nguồn nhiễu này sẽ tăng lên rất nhanh. 
Từ mô hình hoá của nguồn nhiễu và đặc tính như trên, để giảm nhiễu ta thực hiện : 
- Không dùng Rf và Ri quá lớn. Ri được thiết kế < 10KΩ. 
- Mắc một tụ nhỏ (khoảng 3pF) song song với Rf để giảm nhiễu ở tần số cao. 
Trương Văn Tám VII-38 Mạch Điện Tử 
Chương 7: OP-AMP_Khuếch đại và ứng dụng 
Trương Văn Tám VII-39 Mạch Điện Tử 
- Không bao giờ mắc thêm tụ song song với Ri hoặc từ ngõ vào (-) xuống mass vì như 
thế sẽ làm giảm tổng trở vào và tăng độ lợi điện thế gây nhiễu nhiều ở tần số cao. 
Nhiễu dòng điện (dòng điện offset ở ngõ) vào cũng xuất hiện ở 2 ngõ vào của op-amp. 
Nên mắc thêm điện trở bổ chính để giảm nhiễu dòng điện đưa đến giảm nhiễu ở điện thế 
ngõ ra. 
Chương 7: OP-AMP_Khuếch đại và ứng dụng 
BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG VII 
Bài 1: Xác định v0 trong mạch hình 7.59 
Bài 2: Xác định v0 trong mạch hình 7.60 
Bài 3: Xác định IL trong mạch hình 7.61. Thay RL=5kΩ, tính lại IL. Mạch trên là mạch gì? 
Bài 4: Một op-amp có các đặc tính 
Trương Văn Tám VII-40 Mạch Điện Tử 
Chương 7: OP-AMP_Khuếch đại và ứng dụng 
Bài 5: Cho mạch hình 7.63 
 a/ Tính v0
 b/ I0? 
Bài 6: Cho mạch điện hình 7.64 
 a/ Tính băng thông của mạch 
 b/ Áp dụng bằng số khi: 
 R1=R2=10kΩ 
 C1=0.1μF; C2=0.002μF 
 Rf=10 kΩ; Rg =5 kΩ 
Bài 7: Cho mạch điện hình 7.65 
 - Diode được xem như lý tưởng. 
 - vi có dạng sin biên độ lớn. 
 Tìm dạng tín hiệu ra v0 và biên độ của v0 theo vi. Mạch trên có tác dụng của mạch 
gì? 
Trương Văn Tám VII-41 Mạch Điện Tử 
Chương 7: OP-AMP_Khuếch đại và ứng dụng 
Bài 8: Cho mạch hình 7.66 
 Chứng tỏ rằng: 
Bài 9: Cho mạch hình 7.67 
Chứng tỏ nếu vi là tín hiệu điện thế một chiều thì ngõ ra được xác định bằng phương 
trình: 
Bài 10: Cho mạch hình 7.68 
a. Mạch trên là mạch gì? Nêu chức năng của từng BJT trong mạch. 
Trương Văn Tám VII-42 Mạch Điện Tử 
Chương 7: OP-AMP_Khuếch đại và ứng dụng 
b. Các BJT hoàn toàn giống hệt nhau, được chế tạo bằng Si và được phân cực với 
VBE=0.7v. Mạch hoàn toàn cân bằng và lý tưởng. Ước tính trị số của tất cả các dòng điện 
phân cực IC của các BJT trong mạch và điện thế các chân BJT (xem IC ≈ IE). 
Bài 11: Cho mạch điện như hình 7.69. Giả sử op-amp lý tưởng và được phân cực bằng 
nguồn đối xứng ±15v 
 a. Tìm v0 theo R, RA, v1, v2
 b. Giả sử v1 biến đổi từ 0v →0.8v và V2 biến đổi từ 0→1.3v. Cho R2=2kΩ và ngõ ra 
bảo hòa của op-amp là ±V0Sat=±15v. Hãy ước tính trị số của RA để độ lợi điện thế của mạch 
 đạt trị số tối đa và v0 không biến dạng (chọn RA có giá trị tiêu chuẩn). Tính 
AV trong trường hợp đó. 
Trương Văn Tám VII-43 Mạch Điện Tử