Bài Giảng Mạch Điện Tử
Biên soạn: Ths. Ngơ Sỹ
66 4.1 CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN
4.1.1 Tổng quan về Op - Amp
Op-Amp (Operational Amplifier) còn gọi là khuếch đại thuật tốn là một mạch
khuếch đại được chế tạo ở dạng tích hợp (Integrated Circuit – IC). Các vi mạch Op-Amp
thuộc thế hệ đầu tiên là 702, 709 và 741 do hãng Faichild chế tạo trong khoảng thời gian từ
1964 đến 1968. Trong thời gian này hãng National Semiconductor cũng cho ra đời các Op-
Amp số hiệu 101 và 301. Các Op-Amp thuộc thế hệ đầu như 741, 301 ngày nay vẫn còn
được sử dụng khá phổ biến. Op-amp là một linh kiện khơng thể thiếu trong hầu hết các
thiết bị điện tử. Vì vậy việc khảo cứu các tính năng và ứng dụng của vi mạch Op-Amp là
cần thiết.
a) Ký hiệu của Op-amp :
-
+
+V
-V
Inverting input terminal
(Đầu vào đảo)
Noninverting input terminal
(Đầu vào không đảo)
Output terminal
(đầu ra)
Negative supply termianal
(đầu cấp điện âm)
Positive supply termianal
(đầu cấp điện dương)


Cheỏ ủoọ caỏp nguon keựp

Hỡnh 4.3 : Cp ngun kộp hoc ngun n cho Op-Amp.
in ỏp cỏc ngừ vo/ ra v in ỏp vi sai:
in ỏp tỏc ng lờn ngừ vo khụng o ký hiu l U
(+)

in ỏp tỏc ng lờn ngừ vo o ký hiu l U
(-)

Hiu in th : U
d
= U
(+)
U
(-)
gi l in ỏp vi sai (Differential Voltage).
in ỏp ngừ ra ký hiu l U
0
.
Cỏc ch in hoa trong ký hiu cỏc in ỏp trờn c vit bng ch thng nu chỳng
l cỏc giỏ tr tc thi.
-
+
+V
-V
U(+)
+
-
Ud

+Usat
-Usat
-Ucc
Khoảng giá trò
của điện áp ra
1 đến 2v
Time

Hình 4.5 : Điện áp ngõ ra của Op-Amp giới hạn giữa mức -U
sat
và +U
sat

khi Op-Amp hoạt động ở chế độ cấp nguồn kép.

0v
+Ucc
+Usat
Khoảng giá trò
của điện áp ra
1 đến 2v
Time

Hình 4.6 : Điện áp ngõ ra của Op-Amp giới hạn giữa mức 0v và +U
sat

khi Op-Amp hoạt động ở chế độ cấp nguồn đơn.
Ví dụ về các thơng số giới hạn của Op-Amp
Absolute Maximum Ratings (T
a

-
U(-)
+
-
I(+)
I(-)

Hình 4.7:
Tổng trở ngõ vào được định nghĩa là:
)(
)(
)(in
I
U
Z




;
)(
)(
)(in
I
U
Z





V0
thường có giá trị cực lớn (20000 lần trở lên).
Như vậy chỉ cần một điện áp vi sai rất nhỏ (ví dụ 100V) thì điện áp ngõ ra U
o
cũng
có giá trị đáng kể (20000x100V = 2V). Nếu tính bình thường như thế thì khi điện áp vi
sai tăng lên 1000V = 1mV, điện áp ngõ ra là U
o
= 20V. Tuy nhiên vì điện áp ngõ ra
không thể lớn hơn mức bão hoà (+) hoặc (-) nên điện áp ngõ ra lúc đó không phải là 20V
mà chỉ bằng mức bão hoà dương của Op-Amp (tức U
o
= +U
sat
) nếu mức +U
sat
< 20v.
Tương tự như vậy nếu điện áp vi sai có giá trị -1mV thì U
o
= -U
sat
.
Một cách gần đúng khi phân tích mạch Op-Amp ở chế độ vòng hở là xem:
U
o
= +U
sat
khi U
d
> 0 (thực tế thì phải có U

= U
(+)
– U
(-)
thì:
U
d
> 0  U
(+)
> U
(-)
và
U
d
< 0  U
(+)
< U
(-)
.
Do đó ta viết theo nguyên tắc gần đúng là: Nguyên tắc gần đúng trên đây được áp dụng với điều kiện các tín hiệu U
(+)
và U
(-)
có
giá trị nằm trong khoảng cấp nguồn từ –U
cc
đến +U

+
-
Uo = -Usat
= -11v
+
-
9v
+
-
+12v
-12v

Hình 4.8 : Một ví dụ về hoạt động ở chế độ vòng hở của Op-Amp với
nguồn cấp điện kép đối xứng.
Chế độ vòng hở và Op-Amp hoạt động với nguồn cấp điện đơn :
Trong trường hợp Op-Amp làm việc ở chế độ vòng hở với nguồn cấp điện đơn, điện
áp ngõ ra sẽ tiến tới giá trị bão hoà dương (+U
sat
) khi U
(+)
> U
(-)
và tiến tới 0v khi U
(+)
< U
(-
)
. Ở đây cũng có một điều kiện là các điện áp U
(+)
và U

-
-2v
+
-
Uo = 0v
+
-
8v
+
-
+12v

Hình 4.9 : Ví dụ về hoạt động của Op-Amp ở chế độ vòng hở
với nguồn cấp điện đơn.
Chế độ vòng kín :
Chế độ vòng kín là chế độ có hồi tiếp từ ngõ ra về ngõ vào. Phần tử hồi tiếp thông
thường là điện trở, tụ điện hoặc R mắc nối tiếp C, R // C .v.v. Nếu mạch hồi tiếp nối từ ngõ
ra ngược về ngõ vào (-), ta có hồi tiếp âm, ngược lại là hồi tiếp dương (xem Hình 4.9).
U
o
= +U
sat
khi U
(+)
> U
(-)

U
o
= -U

kể. Lúc này hoạt động của mạch chủ yếu do mạch hồi tiếp quyết định. Điện áp giữa ngõ
vào đảo và khơng đảo có giá trị bằng nhau: U
(+)
= U
(-)
. Đây là một đặc điểm quan trọng cần
nhớ khi phân tích mạch Op-Amp vòng kín (có hồi tiếp). Ngồi ra do tổng trở các ngõ vào
của Op-Amp rất lớn nên hầu như khơng có dòng điện chảy vào các ngõ vào này, trong tính
tốn ta xem các dòng I
(+)
và I
(-)
bằng 0.
4.2 CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG OP - AMP
4.2.1 Mạch khuếch đại đảo
a) Sơ đồ mạch:
b) Đặc điểm:
Mạch khuếch đại điện áp đảo dấu có sơ đồ ngun lý trên Hình 4.11. Điện áp ngõ ra
của mạch là :
U
o
= Av.U
in

Trong đó Av có giá trị âm (-) và do mạch hồi tiếp quyết định, độ lợi vòng hở của Op-
Amp ảnh hưởng khơng đáng kể và có thể bỏ qua. Trong mạch này, điện trở hồi tiếp cũng
được nối từ ngõ ra về ngõ vào đảo (hồi tiếp âm giống như mạch KĐ khơng đảo). Tín hiệu
cần được khuếch đại được đưa đến ngõ vào đảo qua điện trở Ri. Ngõ vào (+) được nối
mass. Chú ý là nếu nhầm lẫn lấy hồi tiếp dương thì mạch sẽ khơng làm việc và ngõ ra
nhanh chóng bị bão hồ.

và sau đó qua R
f
đến ngõ ra. Dòng
này không chảy vào ngõ vào (-) do ngõ vào (-) có nội trở rất lớn. Cường độ của dòng i
in
là:
i
in
i
)(in
in
R
u
R
uu
i 




Do dòng i
in
chảy từ điểm mass giả (ngõ vào -) qua R
f
đến ngõ ra nên ta có:
f
o
f
o)(
in

>1 thì tín hiệu ra lớn hơn tín hiệu vào (KĐ áp)
Nếu tỉ số R
f
/R
i
= 1 thì ta có mạch đảo dấu (u
o
= -u
in
).
Tín hiệu vào và tín hiệu ra có cùng tính chất nhưng ngược dấu. Nếu tín hiệu vào là
điện áp một chiều (DC) thì tín hiệu ra cũng là điện áp một chiều có dấu ngược lại. Nếu tín
hiệu vào là thuần tuý AC dạng sin thì tín hiệu ra cũng là thuần tuý AC dạng sin nhưng
ngược pha 180
0
. Trong trường hợp tín hiệu vào là phức hợp gồm cả DC và AC nhưng chỉ
muốn riêng thành phần AC được KĐ thì dùng thêm tụ điện để loại bỏ thành phần DC
giống như đã thực hiện trong mạch KĐ không đảo.
Mạch khuếch đại đảo dấu có một tính chất đáng chú ý là tổng trở ngõ vào thấp : Z
in
=
u
in
/i
in
= R
i
. Do đó tín hiệu u
in
sẽ bị sụt áp so với khi chưa đưa vào mạch KĐ. Tính chất này

-10V
0V
10V
uo
uin

Bi Ging Mch in T
Biờn son: Ths. Ngụ S
73
Hỡnh 4.12 : Quan h gia tớn hiu ra v tớn hiu vo trong mch khuch i o
dựng Op-Amp LM324, ngun cp in

12v; R
i
= 10k; R
f
= 50k; u
in
= 2v (nh).
Chỳ ý: Khi tớn hiu vo ln hn mc cho phộp thỡ tớn hiu ra cng b xộn ngang nh do
hin tng bóo ho ging nh trng hp mch K khụng o.
4.2.2 Mch khuch i khụng o
a) S mch:
S nguyờn lý ca mch khuch i in ỏp khụng o du trỡnh by trờn Hỡnh
4.13. tớn hiu ra ca mch l :
U
o
= Av.U
in


(tớn hiu sin)
-
+
+V
-V
-Ucc
+Ucc
Input
Rf
Ri
Tớn hieọu vaứo (uin)
Tớn hieọu ra (uo)
Doứng hoi tieỏp (if)
Hỡnh 4.13 : Mch khuch i in ỏp khụng o du.

Bài Giảng Mạch Điện Tử
Biên soạn: Ths. Ngô Sỹ
74
Điện trở ngõ vào của Op-Amp rất lớn nên dòng điện chảy vào các ngõ vào xem như
bằng 0. Do đó R
f
và R
i
tạo thành mạch cầu phân áp lấy một phần điện áp ngõ ra đưa đến
ngõ vào (-). Điện áp tại ngõ vài (-) là:
o
f
i
i
)(

i
f
o
u
R
R
1u









biểu thức cho thấy tín hiệu ra luôn lớn hơn tín hiệu vào và đồng
pha với tín hiệu vào.
b) Các vấn đề khi thực hiện mạch khuếch đại không đảo dấu.
Nếu tín hiệu vào không phải là sóng sin mà là một mức điện áp nào đó (tín hiệu DC) thì
điện áp ra cũng được tính theo công thức trên và khi đó ta có mạch khuếch đại DC
không đảo dấu. Ví dụ tín hiệu vào là U
in
= 10mV; R
f
= 100k; R
i
= 1k thì tín hiệu ra là :
V01,1mV1010mV10.
k1

cũng có tính chất như vậy. Trong trường hợp này nếu muốn loại bỏ thành phần một
chiều (DC) và chỉ khuếch đại thành phần xoay chiều (AC), ta mắc thêm một tụ C nối
tiếp trên đường tín hiệu đến ngõ vào (+). Khi đó chỉ có thành phần AC là đi qua được
tụ C đến ngõ vào (+) của Op-Amp và được khuếch đại, thành phần DC bị giữ lại, ta có
mạch khuếch đại AC.
Khi tín hiệu vào tăng thì tín hiệu ngõ ra cũng tăng theo. Tuy nhiên vì tín hiệu ra không
thể vượt mức bão hoà (+) và (-) nên nếu tín hiệu vào lớn hơn mức cho phép thì tín hiệu
ra bị cắt ngang ở phần đỉnh dương và âm do hiện tượng bão hoà (xem Hình 4.15).
Mạch khuếch đại không đảo pha có một tính chất rất quan trọng là tín hiệu cần khuếch
đại (tín hiệu u
in
) được đưa trực tiếp đến ngõ vào (+) của Op-Amp mà ngõ vào này có
tổng trở rất lớn nên hầu như không có dòng đi vào mạch khuếch đại, nhờ vậy mạch
không làm ảnh hưởng đến tín hiệu u
in
hay tín hiệu u
in
không bị sụt áp so với lúc chưa
đưa đến mạch KĐ. Nhờ tính chất này mạch KĐ không đảo được chọn để KĐ các tín
hiệu từ các cảm biến, làm mạch đệm tín hiệu trong các trường hợp cần phối hợp trở
kháng giữa các tầng KĐ v.v. Để làm mạch KĐ đệm tức là mạch KĐ có độ lợi áp bằng
1, người ta cho R
f
= 0 và như thế ta có; u
o
= u
in
. Điện trở R
i
lúc này sẽ có một đầu nối

Time
-12V
0V
12V

Hỡnh 4.15 : Tớn hu vo ln lm tớn hiu ra b xộn nh. Thớ nghim mch khuch i
khụng o vi Op-Amp LM324, ngun

12v; R
f
= 4k; R
i
= 1k; u
in
= 4v (nh).
-
+
+V
-V
-Ucc
+Ucc
Input
Tớn hieọu vaứo (uin)
Tớn hieọu ra
(uo = uin)
Taỷi

Hỡnh 4.16 : Mch m vi tng tr vo rt ln, khụng lm suy gim tớn hiu u
in
. Vi tng

thuyết mạch nói rằng nếu có nhiều tín hiệu cùng tác động lên một mạch thì đáp ứng của
mạch khi đó bằng tổng các đáp ứng riêng. Khi xét đáp ứng riêng của mạch đối với một tín
hiệu thì các tín hiệu khác cho bằng 0. Với mạch ở Hình 4.17, giả sử ta xét điện áp u
o
khi
chỉ có duy nhất nguồn u
in1
thì:
1in1in
1i
f
in
uu
R
R
u 
do R
f
= R
in1
.
Tương tự như vậy điện áp u
o
khi chỉ có duy nhất nguồn áp u
ink
là : u
o
= -u
ink
.

0v
Ri2
Rik
.
.
.
uin1
uin2
uink
uo
Hình 4.17: Mạch cộng đảo dấu.

Bài Giảng Mạch Điện Tử
Biên soạn: Ths. Ngô Sỹ
77
Hình 4.18 : Các tín hiệu ngõ vào u
in1
và u
in2

Time
-4.0V
-2.0V
0V
2.0V
4.0V

Hình 4.19 : Tín hiệu ngõ ra là tổng đảo dấu của các tín hiệu ngõ vào.
Mạch cộng đảo dấu được dùng trong các bộ Mixer (bộ trộn tín hiệu) thường gặp
trong các Amplifier. Trên Hình 4.18 và 5.19 mô tả 2 tín hiệu vào là u


9,15
10.100.100.14,3.2
1
C.f2
1
X
6
c

Tổng trở này khá nhỏ và tín hiệu đi qua tụ dễ dàng.
Nếu cần khuếch đại tín hiệu ngõ vào thứ m lên K lần thì phải chọn R
im
sao cho R
f
=
K.R
im
. Mạch trên Hình 4.20 là mạch cộng đảo dấu có điện áp ra:
u
o
= -(2u
in1
+ u
in2
) vì R
f
= 2R
in1
= R

Mach công không đảo có dạng như hình
4.21
b) Phân tích:
Phân tích như mạch khuếch đại không đảo,
Vi là xếp chồng hai tín hiệu V
i1
và V
i2
.
Sử dụng nguyên lý xếp chồng phân tích
mạch.
Giả sử V
i2
= 0, ta tìm điện áp ngõ ra V
01

tương ứng với V
i1.1
21
2
1
2
01
1
i
ii
i
2
21
1
1
2
02
1
i
ii
i
V
RR
R
R
R
V














2
1
21
1
2
02010
ii
VV
R
R
VVV

Nếu R
i1
= R
i2
và R
1
= R
2
thì

2102010 ii
VVVVV 

4.3.3 MẠCH TRỪ
a) Dạng mạch
Mach trừ có dạng như hình 4.22
b) Phân tích

i
V
RR
R
R
R
V















1
3
4
2
21












-
+
U1A
OP-11
3
2
1
411
-VCC
Ri2
Ri1
Vout
Vin1
Vin2
+VCC
R2
R1
Hình 4.21
Vin2

Vi
+
-
+
-
Nếu chọn R
1
= R
2
= R
3
= R
4
thì:

120 ii
VVV 

4.4 MẠCH VI PHÂN, TÍCH PHÂN
4.4.1 Mạch tính phân
a) Dạng mạch
Mach tích phân có dạng như hình 4.23
b) Phân tích
i
i
+ i
c
= 0

0


0
R
v
dt
dv
C
o
i

Suy ra:

dt
dv
RCv
i
o


4.5 BÀI TẬP
4.5.1 Tính A
V
của toàn mạch sau:
4.5.2 Với Vi = 1V; R1 = R2 = R3 = 1K, R4= 2K.
Tính dòng điện qua R4 của hình 4.26
+VCC
C
-
+
3
2
1
4 11
Hình 4.23
i
r
i
i
R
Vout
-VCC
Vin1
+VCC
C
-
+
3
2
1
4 11
Hình 4.24
R2
Vout
-VCC
Vin