Điện điện tử - Các thông số của Op amp

Các thông số của Op amp Nguyễn Quốc Cường – 3I 2Giới thiệu 3Giới thiệu 4Điện áp lệch không đầu vào • Điện áp lệch không (input offset voltage): do sự không cân bằng của các mạch điện tử trong op amp, khi điện áp đầu vào bằng không thì điện áp đầu ra khác không. • Điện áp offset là điện áp cần đặt vào đầu vào để cho đầu ra bằng 0. Ký hiệu VIO. • Thường các op amp đầu vào bipolar có các thông số điện áp offset đầu vào tốt hơn các op amp đầu vào JFET hoặc CMOS Mạch kiểm tra điện áp offset đầu vào 1000 OUT IO V V = 5Ảnh hưởng của VIO ideal op-amp - + Z2 VIO Z1Vi Vo I1 I2 1 2 1 2 2 2 1 1 1 i IO IO o o i IO I I V V V V Z Z Z Z V V V Z Z = − − =   → = − + +    6Hiệu chỉnh VIO IC op amp có sẵn mạch hiệu chỉnh VIO R3 R2 - + Vo Vi R1 10M 10K +- offset Mắc mạch hiệu chỉnh VIO bên ngoài 7Dòng vào • Theo mô hình op amp lý tưởng thì dòng vào tại các chân đảo vả không đảo đều bằng 0. Tuy nhiên thực tế thì các mạch đầu vào của các op amp đều tồn tại một dòng điện. • Dòng bias trung bình đầu vào (input bias current) được tính – Với IN và IP là dòng bias vào tại các đầu đảo và không đảo. • Hiệu dòng điện vào tại đầu không đảo và đầu đảo được gọi là dòng điện offset (input offset current) 2 N P IB I I I + = IO P N I I I= − 8Dòng vào 9Ảnh hưởng của dòng vào • Xem xét một mạch khuếch đại đảo như hình vẽ. • Dòng định thiên IN gây ra một điện áp ra 2 1 2 1 2 2 1 2 2 2 1 1 1 2 1 0 1 N o i N o i N i N V V I I I V V I Z Z Z Z Z Z Z V V Z I V I Z Z Z Z Z − += = = + − = +   → = − − = − − + +   ( ) 21 2 1 // 1 N Z I Z Z Z   − +    ideal op-amp - + Z2Z1Vi Vo I1 I2 IN 10 Bù dòng vào ideal op-amp - + R2R1Vi Vo I1 I2 R3 IN IP 11 Dải điện áp đồng pha đầu vào • Điện áp đồng pha đầu vào (Input Common Mode Voltage Range) được định nghĩa như là điện áp trung bình của điện áp tại đầu vào đảo và đầu vào không đảo, ký hiệu VICR. • Nếu điện áp đồng pha quá lớn hoặc quá nhỏ thì các đầu vào của op amp có thể bị cắt và op amp hoạt động không còn đúng nữa. • VICR quy định vùng điện áp trong đó op amp hoạt động đúng. V o+ - VCM V d = 0 12 Điện áp đầu ra cực đại 13 Các phần tử ký sinh đầu vào • Cả hai đầu vào đều có các trở kháng ký sinh. • Thường thì các đầu vào được mô hình bởi các phần tử và tụ điện (ảnh hưởng điện cảm ký sinh là rất nhỏ khi op amp làm việc ở tần số thấp). • Các trở kháng ký sinh được sử dụng khi mà nguồn áp tín hiệu có điện trở lớn, ảnh hưởng của trở kháng vào khi đó là đáng kể. • Cd và Rd: tụ điện và điện trở vi sai giữa hai nối vào. • Cn, Cp, Rn, Rp là tụ điện và điện trở của các nối vào (so với đất) Mô hình đơn giản cho các trở kháng vào của op amp 14 Tụ và điện trở đầu vào • Tụ đầu vào (input capacitance) Ci được đo giữa các đầu vào, Ci thường cỡ vài pF. – Nếu đầu không đảo nối đất thì Ci = Cd // Cn – Tụ đầu vào trong chế độ đồng pha Cic (commommode input capacitance): Nếu VN và VP có điện áp bằng nhau thì Cic = Cn//Cp • Điện trở: Điện trở được đo giữa hai nối vào của op amp – Nếu đầu không đảo nối đất thì ri = Rd // Rp, tuỳ thuộc vào kiểu vào của op amp ri có thể từ 107 đến 1012 ohm – Nếu điện áp Vp = Vn thì điện trở vào là điện trở đồng pha ric = Rn//Rp 15 Trở kháng đầu ra • Trở kháng đầu ra ZO được định nghĩa như là trở kháng tín hiệu nhỏ giữa đầu ra và đất. • Giá trị ZO thường từ 50 đến 200 ohm. • Ảnh hưởng của trở kháng rr. Ảnh hưởng khi tải điện trở Ảnh hưởng khi tải điện dung 16 Ảnh hưởng của trở kháng vào ( ) ( ) 1 1 2 0 1 2 2 2 0 0 i d d d d o d o d V I Z Z I Z K V I Z I Z Z Z V I Z K V = + + = + + + = − + Sử dụng phương pháp dòng vòng Nếu bỏ qua anh hưởng của Z0 (≈0) thì : 2 1 2 2 0 1 1 1 1 1 o i d V Z V Z Z Z K Z Z = −   + + +    + Zd ZoK0Vd - Z2Z1 I1 I2 V i V o 17 Khuếch đại đồng pha và CMRR • Khi Vd = 0 mà VCM ≠ 0 thì VO vẫn khác không. • Hệ số nén đồng pha (common-mode rejection ratio, CMRR) được định nghĩa bằng tỉ số • Một cách lý tưởng hệ số CMRR là vô cùng lớn tức là hệ số khuếch đại đồng pha là vô cùng nhỏ so với hệ số khuếch đại tín hiệu vi sai. V o+ - VCM V d = 0 DIF COM A CMRR A = ADIF : hệ số khuếch đại tín hiệu vi sai ACOM: hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha 18 Ảnh hưởng của ACM • Xét ảnh hưởng của ACM trong khuếch đại không đảo (mạch khuếch đại đảo vì VCM ≈ 0 nên ảnh hưởng không đáng kể). R2 R1 Vout i1 i2 - + Vin V o+ - VCM Vd 1 1 2 1 1 2 and o N P i d P N i o CM i V V R V V R R R V V V V V R R V V = = + = − = − + ≈ 1 0 0 1 2 2 1 2 0 1 1 1 1 1 o d CM CM i o CM i CM i o R V K V K V K V V K V R R V V R CMRR V R R K R   = + = − + +  +  = +     + +    1/K0 ≈ 0 2 1 1 CM o i VR V V R CMRR   = + +      CMRR càng lớn thì ảnh hưởng của tín hiệu đồng pha càng nhỏ 19 Tỉ số nén điện áp nguồn - PSRR • Tỉ số nén điện áp nguồn (PSRR: Power Supply Voltage Rejection Ratio) hoặc tỉ số nén điện áp cung cấp(kSVR: supply voltage rejection ratio) được định nghĩa bằng tỉ số giữa sư ̣biến thiên của điện áp nguồn cung cấp và sư ̣biến thiên của điện áp đầu ra. – Cho các op-amp có nguồn hai dấu +VCC và –VCC: • Dấu cộng trừ ở đấy muốn nói là nguồn âm và dương là thay đối đối xứng. – Cho nguồn cung cấp một dấu • Nếu giá trị kSVR càng lớn thì ảnh hưởng của nhiễu nguồn càng nhỏ. • Khi tần số tăng thì kSVR giảm. • Khi sử dụng các nguồn cung cấp switching thì tần số nhiễu nguồn thường là từ 50kHz đến 500kHz. Tại tần số này thì kSVR giảm đến 0. Do vậy cần phải có sự chống nhiễu nguồn. CC SVR OS V k V ±∆= ∆ CC SVR OS V k V ∆ = ∆ 20 Slew rate tại hệ số khuếch đại = 1 • Slew rate (SR) là tốc độ biến thiên của tín hiệu đầu ra (V/ms hoặc V/μs) khi đầu vào là tín hiệu bước nhảy. • Thường thì khi dòng bias tăng thì slew rate tăng. dV SR dt = 21 Bandwith • Trong các mạch op-amp thực, hệ số khuếch đại vi sai của mạch là hàm phụ thuộc tần số. – f = 0 hệ số hệ số khuếch đại có thể đạt – Khi tần số tăng thì hệ số khuếch đại giảm. • Dải thông hệ số K = 1 (Unity Gain Bandwith): chỉ ra tần số mà tại đó hệ số khuếch đại bằng 1. • Tích hệ số khuếch đại và dải thông (Gain Bandwith Product):