KHAI THÁC. Op-amps lý tưởng

Op-amps lý tưởng

Phần này sử dụng một hệ thống cách tiếp cận để trình bày các nguyên tắc cơ bản của Bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng. Do đó, chúng tôi coi op-amp là một khối với các đầu vào và đầu ra. Chúng tôi hiện không quan tâm đến các thiết bị điện tử riêng lẻ trong op-amp.

Op-amp là một bộ khuếch đại thường được cung cấp bởi cả điện áp cung cấp tích cực và tiêu cực. Điều này cho phép điện áp đầu ra xoay cả tiềm năng trên và dưới mặt đất. Op-amp tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống điện tử tuyến tính.

Tên bộ khuếch đại hoạt động được bắt nguồn từ một trong những sử dụng ban đầu của mạch op-amp; để thực hiện toán học hoạt động trong máy tính tương tự. Ứng dụng truyền thống này sẽ được thảo luận sau trong chương này. Op-amps đầu tiên sử dụng một đầu vào đảo ngược duy nhất. Thay đổi điện áp dương ở đầu vào gây ra thay đổi âm ở đầu ra.

Do đó, để hiểu hoạt động của op-amp, trước tiên cần phải làm quen với khái niệm nguồn được kiểm soát (phụ thuộc) vì chúng tạo thành cơ sở của mô hình op-amp.

Nguồn phụ thuộc 1.1

Các nguồn phụ thuộc (hoặc được kiểm soát) tạo ra một điện áp hoặc dòng điện có giá trị được xác định bởi một điện áp hoặc dòng điện tồn tại ở một vị trí khác trong mạch. Ngược lại, các thiết bị thụ động tạo ra một điện áp hoặc dòng điện có giá trị được xác định bởi một điện áp hoặc dòng điện hiện có tại cùng một vị trí trong mạch. Cả điện áp độc lập và phụ thuộc và nguồn hiện tại là các yếu tố hoạt động. Đó là, chúng có khả năng cung cấp năng lượng cho một số thiết bị bên ngoài. Các phần tử thụ động không có khả năng tạo ra năng lượng, mặc dù chúng có thể lưu trữ năng lượng để cung cấp sau đó, như trường hợp của tụ điện và cuộn cảm.

Hình dưới đây minh họa một cấu hình mạch tương đương của một thiết bị khuếch đại thường được sử dụng trong phân tích mạch. Bên phải nhấtđiện trở là tải. Chúng tôi sẽ tìm thấy điện áp và mức tăng hiện tại của hệ thống này. Độ lợi điện áp, Av được định nghĩa là tỷ lệ của điện áp đầu ra so với điện áp đầu vào. Tương tự, mức tăng hiện tại, Ai là tỷ lệ của dòng điện đầu ra với dòng điện đầu vào.

Op-amps lý tưởng

Hình 1- Mạch tương đương của thiết bị khuếch đại trạng thái rắn

Dòng điện đầu vào là:

Dòng điện trong điện trở thứ hai, i1, được tìm thấy trực tiếp từ định luật Ohm:

(2)

Điện áp đầu ra sau đó được đưa ra bởi:

(3)

Trong phương trình (3), biểu thị sự kết hợp song song của các điện trở. Dòng điện đầu ra được tìm thấy trực tiếp từ định luật Ohm.

(4)

Điện áp và mức tăng hiện tại sau đó được tìm thấy bằng cách hình thành các tỷ lệ:

(5)

(6)

 1.2 Mạch tương đương hoạt động khuếch đại
Op-amps lý tưởng

Hình 2- Mạch khuếch đại hoạt động và mạch tương đương

Figure 2 (A) trình bày biểu tượng cho bộ khuếch đại hoạt động và Hình 2 (b) hiển thị mạch tương đương của nó. Các thiết bị đầu cuối đầu vào là v+v. Thiết bị đầu cuối là vra. Các kết nối cung cấp điện là tại +V, -V và thiết bị đầu cuối mặt đất. Các kết nối cung cấp điện thường bỏ qua từ bản vẽ sơ đồ. Giá trị của điện áp đầu ra được giới hạn bởi +V-V vì đây là những điện áp dương và âm nhất trong mạch.

Mô hình chứa nguồn điện áp phụ thuộc có điện áp phụ thuộc vào chênh lệch điện áp đầu vào giữa v+v. Hai thiết bị đầu cuối đầu vào được gọi là không nghịch đảo đảo ngược đầu vào tương ứng. Lý tưởng nhất là đầu ra của bộ khuếch đại không phụ thuộc vào độ lớn của hai điện áp đầu vào, mà chỉ phụ thuộc vào sự khác biệt giữa chúng. Chúng tôi xác định điện áp đầu vào vi sai, vd, như sự khác biệt,

(7)

Điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với điện áp đầu vào vi sai và chúng tôi chỉ định tỷ lệ là mức tăng của vòng hở, G. Do đó, điện áp đầu ra là

(8)

Ví dụ, một đầu vào của  (E thường là một biên độ nhỏ) được áp dụng cho đầu vào không đảo ngược với đầu cuối đảo ngược được nối đất, tạo ra  ở đầu ra. Khi tín hiệu nguồn tương tự được áp dụng cho đầu vào đảo ngược với đầu cuối không đảo ngược được nối đất, đầu ra là .

Trở kháng đầu vào của op-amp được hiển thị dưới dạng trở kháng trong Hình 2 (b).
Trở kháng đầu ra được biểu diễn trong hình dưới dạng điện trở, Ro.

Một bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng được đặc trưng như sau:

Đây thường là các xấp xỉ tốt cho các tham số của op-amps thực. Các thông số điển hình của op-amps thực là:

Do đó, sử dụng op-amps lý tưởng để ước tính op-amps thực là một sự đơn giản hóa có giá trị để phân tích mạch.
Hãy để chúng tôi khám phá ý nghĩa của việc đạt được vòng mở là vô hạn. Nếu chúng ta viết lại phương trình (8)
như sau: 

(9)

và để G tiếp cận vô cùng, chúng ta thấy rằng

(10)

Kết quả phương trình (10) bằng cách quan sát rằng điện áp đầu ra không thể là vô hạn. Giá trị của điện áp đầu ra được giới hạn bởi các giá trị cung cấp điện dương và âm. Phương trình (10) chỉ ra rằng các điện áp ở hai cực giống nhau:

(11)

Do đó, sự bằng nhau của phương trình (11) khiến chúng ta nói rằng có một mạch ngắn ảo giữa các thiết bị đầu vào.

Do điện trở đầu vào của op-amp lý tưởng là vô hạn, dòng điện vào mỗi đầu vào, đầu cuối đảo ngược và đầu cuối không đảo, bằng không.
Khi op-amps thực được sử dụng trong chế độ khuếch đại tuyến tính, mức tăng rất lớn và phương trình (11) là một xấp xỉ tốt. Tuy nhiên, một số ứng dụng cho op-amps thực sự sử dụng thiết bị ở chế độ phi tuyến. Giá trị gần đúng của phương trình (11) không hợp lệ cho các mạch này. 

Mặc dù op-amps thực tế có mức tăng điện áp cao, mức tăng này thay đổi theo tần số. Vì lý do này, op-amp thường không được sử dụng ở dạng như trong Hình 2 (a). Cấu hình này được gọi là vòng lặp mở vì không có phản hồi từ đầu ra đến đầu vào. Sau này chúng ta sẽ thấy rằng, trong khi cấu hình vòng mở hữu ích cho các ứng dụng so sánh, cấu hình phổ biến hơn cho các ứng dụng tuyến tính là mạch vòng kín có phản hồi.

Các phần tử bên ngoài được sử dụng để "phản hồi" một phần của tín hiệu đầu ra tới đầu vào. Nếu các phần tử phản hồi được đặt giữa đầu ra và đầu vào đảo ngược, thì hệ số khuếch đại vòng kín sẽ giảm vì một phần của đầu ra trừ đi đầu vào. Chúng ta sẽ thấy sau đó rằng phản hồi không chỉ làm giảm độ lợi tổng thể mà còn làm cho độ lợi đó ít nhạy cảm hơn với giá trị G. Với phản hồi, độ lợi vòng kín phụ thuộc nhiều hơn vào các phần tử mạch phản hồi và ít hơn vào op- độ lợi điện áp amp, G. Trong thực tế, độ lợi vòng kín về cơ bản không phụ thuộc vào giá trị của G-nó chỉ phụ thuộc vào giá trị của các phần tử mạch ngoài. 

Hình (3) minh họa một mạch op-amp phản hồi âm giai đoạn duy nhất.
Op-amps lý tưởng

Hình 3- op-amp đảo ngược

Do đó, chúng tôi sẽ phân tích mạch này trong phần tiếp theo. Bây giờ, lưu ý rằng một điện trở duy nhất, RF, được sử dụng để kết nối điện áp đầu ra, vra đến đầu vào đảo ngược, v.  

Một điện trở khác, Ra được kết nối từ đầu vào đảo ngược, v, đến điện áp đầu vào, va. Một điện trở thứ ba, R được đặt giữa đầu vào không đảo và mặt đất.
Mạch sử dụng op-amps, điện trở và tụ điện có thể được cấu hình để thực hiện nhiều hoạt động hữu ích như tính tổng, trừ, tích hợp, phân biệt, lọc, so sánh và khuếch đại.

1.3 Phương pháp phân tích

Chúng tôi phân tích các mạch bằng hai thuộc tính op-amp lý tưởng quan trọng:

  • Điện áp giữa v+v bằng không, hoặc v+ = v.
  • Hiện tại vào cả v+v thiết bị đầu cuối bằng không.

Những quan sát đơn giản này dẫn đến một quy trình phân tích bất kỳ mạch op-amp lý tưởng nào như sau:

  • Viết phương trình nút luật hiện hành Kirchhoff tại thiết bị đầu cuối không đảo, v+.
  • Viết phương trình nút luật hiện hành Kirchhoff tại thiết bị đầu cuối đảo ngược, v.
  • Thiết lập v+ = v và giải quyết cho lợi ích của vòng khép kín mong muốn.

Khi áp dụng định luật Kirchhoff, hãy nhớ rằng dòng điện vào cả hai v+v thiết bị đầu cuối bằng không.