Mạch khuếch đại thuật toán pdf

- Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép Op-Amps khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng, phản

Đây là một vi mạch tương tự Mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amps) có một ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật điện tử hiện đại Có thể nói không ngoa rằng: "Nếu học vi mạch mà chưa biết Op-Amps coi như chưa học vi mạch!" Nội dung chương này được trình bày dưới các đề mục sau:

BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

- Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép Op-Amps khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt

độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng, phản ứng hoá-điện, dòng điện sinh học thường là nguồn có tính đối xứng)

- Ngõ ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào nên Op-Amps có

độ miễn nhiễu rất cao vì khi tín hiệu nhiễu đến hai ngõ vào cùng lúc sẽ

không thể xuất hiện ở ngõ ra Cũng vì lý do này Op-Amps có khả năng

khuếch đại tín hiệu có tần số rất thấp, xem như tín hiệu một chiều

- Hệ số khuếch đại của Op-Amps rất lớn do đó cho phép Op-Amps khuếch đại

cả những tín hiệu với biên độ chỉ vài chục mico Volt

- Do các mạch khuếch đại vi sai trong Op-Amps được chế tạo trên cùng một phiến do đó độ ổn định nhiệt rất cao

- Điện áp phân cực ngõ vào và ngõ ra bằng không khi không có tín hiệu, do

đó dễ dàng trong việc chuẩn hoá khi lắp ghép giữa các khối (module hoá)

- Tổng trở ngõ vào của Op-Amps rất lớn, cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé

- Tổng trở ngõ ra thấp, cho phép Op-Amps cung cấp dòng tốt cho phụ tải

- Băng thông rất rộng, cho phép Op-Amps làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau

2 Op-Amps lý tưởng - Op-Amps thực tế

Để đơn giản trong việc tính toán trên amps, có thể tính toán trên

op-amps lý tưởng sau đó thực hiện bổ chính các thông số trong mạch Để có được một cái nhìn tổng quan giữa op-amps thực tế và op-amps lý tưởng, có thể so sánh một vài thông số giữa op-amps lý tưởng và op-amp thông dụng (general purpose) như bảng sau

(*) Trên thực tế có những op-amps được chế tạo với mục đích chuyên dụng (trong kỹ thuật hàng không vũ trụ, quân sự, y tế, công nghiệp ), các đặc tính của nó rất gần với đặc tính của op-amps lý tưởng Ở đây chỉ so sánh với loại phổ dụng giá thành thấp  chất lượng cũng không cao

3 Hệ số nén tín hiệu kiểu chung (CMRR: Common Mode Rejection Ratio)

Do op-amps có ngõ vào là mạch khuếch đại vi sai nên có một chỉ số rất quan trọng khi đánh giá chất lượng của mạch khuếch đại vi sai cũng dùng được

cho op-amps: đó là hệ số CMRR Giá trị CMRR càng cao mạch có tính triệt nhiễu đồng pha càng tốt Thông số này được định nghĩa như sau:

Với A vd là hệ số khuếch đại vi sai và A vCM à hệ số khuếch đại common mode Kết hợp với các công thức khi tính trong mạch khuếch đại vi sai, ta có:

Từ công thức này ta thấy: R E càng lớn càng tốt cho việc triệt nhiễu đồng pha nhưng làm như vậy lại làm giảm hệ số khuếch đại áp của mạch Do đó để được lợi đôi đường người ta sử dụng nguồn dòng thay thế cho R E

- Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ

khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào v+ và v- Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn

- Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhay cho Op-Amps Trong tẩng này còn có tầng dịch mức DC

để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra

- Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, tần này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp Op-Amps phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau

Op-Amps thực tế vẫn có một số khác biệt so với Op-Amps lý tưởng Nhưng

để dễ dàng trong việc tính toán trên Amps người ta thường tính trên Amps lý tưởng, sau đó dùng các biện pháp bổ chính (bù) giúp Op-Amps thực

Op-tế tiệm cận với Op-Amps lý tưởng Do đó để thuận tiện cho việc trình bày nội dung trong chương này có thể hiểu Op-Amps nói chung là Op-Amps lý tưởng sau đó sẽ thực hiện việc bổ chính sau

2 Nguyên lý làm việc

Dựa vào ký hiệu của Op-Amps ta có đáp ứng tín hiệu ngõ ra V o theo các cách đưa tín hiệu ngõ vào như sau:

- Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass: V out = A v0 V +

- Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo, ngõ vào đảo nối mass: V out = A v0 V

Đưa tín hiệu vào đổng thời trên hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với

mass): V out = A v0 (V + -V - ) = A v0 (ΔV in )

Để việc khảo sát mang tính tổng quan, xét trường hợp tín hiệu vào vi sai so với mass (lúc này chỉ cần cho một trong hai ngõ vào nối mass ta sẽ có hai trường hợp kia) Op-Amps có đặc tính truyền đạt như hình sau

Trên đặc tính thể hiện rõ 3 vùng:

- Vùng khuếch đại tuyến tính: trong vùng này điện áp ngõ ra V o tỉ lệ với tín hiệu ngõ vào theo quan hệ tuyến tính Nếu sử dụng mạch khuếch đại điện áp vòng hở (Open Loop) thì vùng này chỉ nằm trong một khoảng rất bé

- Vùng bão hoà dương: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở +V cc

- Vùng bão hoà âm: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở -V cc

Trong thực tế, người ta rất ít khi sử dụng Op-Amps làm việc ở trạng thái vòng hở vì tuy hệ số khuếch đại áp A v0 rất lớn nhưng tầm điện áp ngõ vào

mà Op-Amps khuếch đại tuyến tính là quá bé (khoảng vài chục đến vài trăm micro Volt) Chỉ cần một tín hiệu nhiễu nhỏ hay bị trôi theo nhiệt độ cũng đủ làm điện áp ngõ ra ở ±V Do đó mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ dùng

trong các mạch tạo xung, dao động Muốn làm việc ở chế độ khuếch đại

tuyến tính người ta phải thực hiện việc phản hồi âm nhằm giảm hệ số

khuếch đại vòng hở A v0 xuống một mức thích hợp Lúc này vùng làm việc tuyến tính của Op-Amps sẽ rộng ra, Op-Amps làm việc trong chế độ này gọi

là trạng thái vòng kín (Close Loop)

3 Nguồn cung cấp

Op-Amps không phải lúc nào cũng đòi hỏi phải cung cấp một nguồn ổn áp đối xứng ±15VDC, nó có thể làm việc với một nguồn không đối xứng có giá trị thấp hơn (ví dụ như +12VDC và -3VDC) hay thậm chí với một nguồn đơn +12VDC Tuy nhiên việc thay đổi về cấu trúc nguồn cung cấp cũng làm thay đổi một số tính chất ảnh hưởng đến tính đối xứng của nguồn như Op-amps

sẽ không lấy điện áp tham chiếu (reference) là mass mà chọn như hình sau:

Mặc dù nguồn đơn có ưu điểm là đơn giản trong việc cung cấp nguồn cho amps nhưng trên thực tế rất nhiều mạch op-amps được sử dụng nguồn đôi đối xứng

op-4 Phân cực cho op-amps làm việc với tín hiệu ac

Cũng như mạch khuếch đại nối tầng RC, các op-amps dùng trong khuếch đại tín hiệu ac cần có tụ liên lạc để tránh ảnh hưởng của thành phần dc giữa các

tầng khuếch đại Dưới đây là sơ đồ một mạch khuếch đại âm tần có độ lợi 40dB Sử dụng nguồn đơn

dụ trong mạch điện sau

Rõ ràng tín hiệu ngõ ra bị dao động mỗi khi chuyển trạng thái, điều này rất nguy hiểm cho các mạch phía sau Để khắc phụ nhược điểm trên người ta sử dụng mạch Schmitt Trigger

b Mạch Schmitt Trigger

Mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh có phản hồi như hình sau

Lúc này do v in so sánh với tín hiệu ngõ vào v + là điện thế trên mạch phân áp

R 4 -R 2 , nên theo sự biến thiên giữa hai mức điện áp của v out , mạch Schmitt Trigger cũng có hai ngưỡng so sánh là V H và V L

Qua hình trên ta nhận thấy, mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh v in theo hai ngưỡng V H và V L Khi điện áp v in vượt qua V H thì giá trị của v out là 0V và khi v in thấp hơn V L thì vout sẽ ở +V cc (nghĩa là có sự đảo pha) Để minh hoạ trực quan cho dạng mạch này người ta thường sử dụng ký hiệu

Mạch Schmitt Trigger còn có một dạng ký hiệu khác ngược chiều với ký hiệu trên khi ta thay đổi cực tính ngõ vào v in , lúc này v in và v out sẽ đồng pha

điện áp ngõ vào rất bé cũng đủ đưa ngõ ra ở trạng thái bão hoà Minh họa qua mạch điện sau

Với ±V cc =±15 VDC, chì cần V + −V - khoảng 1 miliVolt cũng đủ đưa V o ở bão hoà (vùng làm việc phi tuyến) Điều này dẫn đến mạch khuếch đại sai dạng: bất ổn Để giảm thiểu sự bất ổn này người ta thực hiện phản hồi

Thông thường, OP-AMP sử dụng phản hồi theo 2 dạng:

§ - Phản hồi dương

§ - Phản hồi âm

•

• Thoạt nhìn có vẻ phản hồi dương là tốt (làm tăng độ lợi), nhưng thật

ra phản hồi âm mới thật sự làm hệ thống ổn định

Ví dụ, ngay sau khi dùng xong một món có nhiều đường làm cho nồng độ đường trong máu sẽ tăng lên Để xử lý hiện tượng này người ta tiêm vào máu một liều INSULIN kích thích sự tích tụ đường trong máu làm nồng độ đường trong máu giảm xuống Hiện tượng này gọi là phản hồi âm ?

Như vậy nhờ vào phản hồi âm ta có thể lựa chọn được hệ số khuếch đại của mạch thông qua việc hiệu chỉnh các giá trị điện trở xung quanh Op-Amps Tuỳ vào tính chất mạch, người ta sẽ chỉnh định lại các thông số của các linh kiện để đưa Op-Amps vào vùng làm việc tương ứng Điều này tương tự như khi phân cực transistor

2 Bổ chính điện áp lệch

a Điện áp lệch không

Trong Op-Amps lý tưởng khi ΔV in =0 thì V out =0 Nhưng với Op-Amps thực tế thì không được như vậy Do các linh kiện bện trong mạch không hoàn toàn đối xứng, ảnh hưởng lớn nhất trong op-amps đó là mạch khuếch đại vi sai ở ngõ vào nên lúc này ngõ ra vẫn xuất hiện một điện áp khác 0, gọi là điện áp lệch không ngõ ra V offset (output offset voltage)

b Bổ chính điện áp lệch không

Để điều chỉnh lại điện áp ngõ ra giống như Op-Amps lý tưởng, người ta đặt một điện áp nhỏ giữa hai ngõ vào sao cho khi ΔV in =0 thì V out =0

Đối với một số vi mạch có sẵn chân hai chân đưa ra để hiệu chỉnh (thường là

Null hay Offset) cho phép mắc thêm vào một biến trở để hiệu chỉnh điện áp

lệch ngõ vào Minh hoạ trên hình sau

Với các vi mạch không có hai chân trên, ta có thể mắc thêm mạch chỉnh bên ngoài như hình

R 1 phải lớn hơn nhiều lần so với R 2 nhằm tránh sự phân dòng qua R 1

3 Bổ chính dòng lệch

a Dòng phân cực ngõ vào và dòng lệch không

Trong Op-Amps lý tưởng, do tổng trở ngõ vào vô cùng lớn do đó dòng phân cực ngõ vào bằng 0 Nhưng với Op-Amps thực tế thì không được như vậy, dòng điện ngõ vào vẫn tồn tại khá nhỏ (hàng trăm nA) Mặt khác do các linh kiện bện trong mạch không hoàn toàn đối xứng nên giá trị hai dòng này cũng không bằng nhau và lượng chênh lệch giữa chúng được gọi là dòng chênh lệch ngõ vào (input offset current) Minh hoạ qua hình sau

Hình a Hình b

Hình a trình bày áp lệch ngõ ra do Iib - gây ra và hình b đưa thêm dòng Iib +

nhằm bù lại áp lệch 0 do Iib - gây ra

Với nguồn V in có biên độ 1VAC, thay đổi tần số nguồn theo tần số làm việc của mạch khuếch đại Do hệ số nén tín hiệu kiểu chung (CMRR) ổn định ở 80

đến 100 dB, nên với biên độ tín hiệu ngõ ra (chính là V cm ) < 10μV là đạt Với Op-Amps thực tế điện áp này luôn hiện hữu và không phải là hằng khi tần số làm việc thay đổi trong khoảng rộng Để giảm thiểu giá trị V cm có thể thực hiện theo nhiều cách, cách đơn giản thực hiện như hình sau

Giá trị của RCM1 và RCM2 phải đủ lớn để không ánh hưởng bởi tổng trở vào của Op-Amps Với một số op-amps chuyên dụng, người ta trang bị thêm các mạch triệt giảm common mode ngay bên trong vi mạch, ví dụ với vi mạch LH0026 có thể mắc thêm mạch triệt giảm common mode như sau

Ở đây nguồn v CM được chọn có biên độ là 1V và tần số nằm trong vùng tần số làm việc của mạch khuếch đại, sau khi cấp nguổn chỉnh lại giá trị của R 3 sao cho v out = 0V là được

Ngoài ra còn có một số phương thức triệt giảm common mode khác triệt bỏ điện áp này ngay từ nguồn tín hiệu vào minh hoạ qua hình

Sử dụng hai cuộn dây cảm ứng cùng thông số và mắc hỗ cảm với nhau như hình c Dòng tín hiệu (không đồng pha) có thể qua dễ dàng (do XL=L.ω rất nhỏ) minh hoạ trên hình a, nhưng khi tín hiệu C.M đi qua sẽ bị dòng cảm ứng của chính nó trừ khử hình b

Cách lắp cuộn dây triệt giảm C.M và đặc tuyến triệt giảm như hình sau

Các dạng cuộn dây C.M được chế tạo để triệt giảm C.M hiện có trên thị

Điều này có nghĩa op-amps không khuếch đại được khi tần số nguồn tín hiệu

ở ngõ vào quá cao Điều này có thể lý giải dễ dàng do điện dung ký sinh của các transistor và các điện trở trong mạch tạo thành các mạch lọc thông thấp, minh hoạ qua hình

Ở đây xét một op-amps lý tưởng có ngõ vào là một mạch khuếch đại vi sai (KĐVS) có hệ số khuếch đại A=A 0 (hệ số khuếch đại vòng hở); Các khâu +1

và mạch RC đặc trưng cho điện trở và điện dung tạp tán của mạch (các khâu +1 đặc trưng cho khâu ghép điện không phụ thuộc vào tần số và có hệ số truyền đạt bằng 1) Từ đây có thể tính được hệ số khuếch đại:

Với fα1 , fα2 , fα3 là tần số tới hạn của 3 khâu lọc thông thấp

Từ công thức này có thể thấy khi tần số tăng thì góc lệch pha giữa ngõ ra và ngõ vào sẽ tăng theo, khi góc lệch pha này đạt đến 180 độ thì có thể xảy ra hiện tượng dao động (nếu thoả thêm điều kiện về biên độ) Như vậy mạch khuếch đại sử dụng op-amps sẽ dạo động khi tần số nguồn tín hiệu vào đạt đến một giá trị tần số nào đó mạch bất ổn

b Các biện pháp bù đặc tuyến tần số (bù pha)

Độ dự trữ về biên độ và pha càng lớn thì hệ thống càng ổn định Nhưng do hai thông số này liên quan chặc chẽ với nhau nên trong thực tế chỉ cần xét một trong hai tham số là đủ Thông thường người ta sử dụng hệ số dự trữ về pha

Với bộ khuếch đại có mạch hồi tiếp âm không phụ thuộc tần số nghĩa là

mạch hồi tiếp không gây ra một góc lệch pha nào, thì độ dự trữ chỉ cần 45 độ

là đủ Nhưng khi mạch hồi tiếp không phải là thuần trở, nghĩa là có làm lệch pha thì yêu cầu dự trữ về pha phải lớn hơn (thậm chí có khi người ta chọn đến 90 độ)

Về nguyên tắc, bù tần số hay còn gọi là bù pha thực chất là làm thay đổi đặc tính tần số của hệ số khuếch đại vòng kín sao cho |A v |=|A 0 A feedback |<1 trước khi góc lệch pha φ = −180 độ Để thực hiện được điều này, có thể thay đổi A 0

gọi là bù trong hay A feedback gọi là bù ngoài còn thay đổi cả A 0 và A feedback gọi

là bù hổn hợp Thông thường người ta cho bù trong vì khi thay đổi A 0 sẽ ít ảnh hưởng đến hàm truyền chung của mạch khuếch đại có hồi tiếp

Các mạch bù có thể mắc ở ngõ ra, ngõ vào hay giữa các tầng khuếch đại amps như hình

op-Tuỳ vào đặc tuyến truyền đạt của các mạch bù người ta tạo ra nhiều dạng mạch bù khác nhau, các mạch bù có tính chất chung là làm giảm độ dốc của đặc tính biên độ theo tần số của hệ số khuếch đại xung quanh tần số cắt f c , nghĩa là giảm góc lệch pha tại thời điểm có khả năng xảy ra dao động

(|A A |=1) Cụ thể các dạng mạch bù là

BÀI 4: CÁC MẠCH CƠ BẢN

Do giáo trình chỉ đặt nặng phần ứng dụng, do đó ở đây chỉ trình bày nguyên

lý làm việc và công thức quan hệ giữa ngõ ra với ngõ vào

1 Mạch khuếch đại đảo

Tín hiệu ngõ ra đảo pha so với tín hiệu ngõ vào

2 Mạch khuếch đại không đảo

Tín hiệu ngõ ra cùng pha so với tín hiệu ngõ vào

3 Mạch theo điện áp

Mạch này không khuếch đại điện áp, chỉ khuếch đại dòng

4 Mạch cộng đảo

Tín hiệu ngõ ra là tổng giữa các thành phần ngõ vào nhưng trái dấu

5 Mạch khuếch đại vi sai (mạch trừ)

Mạch chỉ khuếch đại khi giữa hai tín hiệu ngõ vào có sự sai lệch về điện áp

Sau đó tuần tự thực hiện ba bước sau:

- Viết phương trình Kirchhoff cho đầu vào V +

- Viết phương trình Kirchhoff cho đầu vào V -

- Cho V + =V - , ta tìm được mối quan hệ giữa V in và V o

2 Các bài toán điển hình

a Bài toán 1: Phân tích mạch điện sau

- Viết phương trình Kirchhoff cho đầu vào V +

out

R

v v R