Bài giảng Điện tử cơ bản Chương 6 Bộ Khuếch Đại Thuật Toán OpAmp

Khái Niệm: Mạch khuếch đại thuật toán thực chất là một loại mạch điện tử được sử dụng trong các máy tính, nhiệm vụ của mạch này là thực hiện các thuật toán như: cộng, trừ, tích phân, vi

CHƯƠNG 6 MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN OP-AMP GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Các điơt và transistor tuy rất nhỏ nhưng khi ghép với nhiều linh kiện thụ động để thực hiện một chức năng nào đĩ thì nĩ vẫn thành một khối lớn Ngồi ra, do chế tạo rời rạc nên các tham số của transistor cũng khơng giống nhau tuy cùng ký hiệu Do đĩ, khi ghép nhiều linh kiện rời rạc sẽ khơng bảo đảm độ tin cậy cao và khơng kinh tế Vì vậy hướng phát triển của kỹ thuật điện tử sau bán dẫn là kỹ thuật vi điện tử

Chương 6 trình bày về đặc điểm và các tính chất của một vi mạch tích hợp hiện đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử là Op-amp

NỘI DUNG

6.1 Khái Niệm:

Mạch khuếch đại thuật toán thực chất là một loại mạch điện tử được sử dụng trong các máy tính, nhiệm vụ của mạch này là thực hiện các thuật toán như: cộng, trừ, tích phân, vi phân …

Mạch khuếch đại thuật toán được viết tắt là Op – Amp (Operational – Amplifier) là một bộ khuếch đại DC có hệ số khuếch đại Av rất cao và thường được chế tạo dưới dạng tích hợp IC (Integrated Circuit)

Ngày nay, KĐTT được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau và có tần số hoạt động rất rộng từ tín hiệu DC đến tín hiệu có tần số vài GHz

Thông thường một khuếch đại thuật toán có ít nhất là 5 chân: hai chân cấp điện một chiều Vcc, chân ngõ vào đảo Vi- , chân ngõ vào không đảo Vi+ và một chân ngõ ra Vo

6.2 Cấu Tạo Của Mạch OP-AMP:

Cấu trúc cơ bản của một bộ khuếch đại thuật toán bao gồm: Ngõ vào là tầng khuếch đại vi sai, tiếp theo là tầng khuếch đại trung gian ( có thể là tầng đệm hoặc khuếch đại vi sai), tiếp theo nữa là tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ

ra và cuối cùng là tầng đệm ngõ ra để có để khuếch đại dòng và có trở kháng ra thấp Các tầng khuếch đại đều ghép trực tiếp với nhau

Trong thực tế khi sử dụng thường ta chỉ quan tâm đến khối vào và khối ra của bộ khuếch đại thuật toán

Hình vẽ dưới đây giới thiệu sơ đồ chi tiết của một bộ khuếch đại thuật toán Cặp transistor Q1, Q2 tạo thành mạch khuếch đại vi sai ở ngõ vào Tín hiệu lấy

ra từ cực C của Q1, Q2được đưa đến cực B của transistor Q3 và Q4, cặp transistor này tạo thành mạch khuếch đại vi sai thứ hai Tín hiệu lấy ra từ cực C của Q4 được đưa vào cực B của Q5 hai transistor Q5 và Q6 tạo thành mạch ghép Darlington để tăng hệ số khuếch đại dòng và chúng có kiểu mắc C chung để có trở kháng ngõ ra thấp Tín hiệu ngõ ra được lấy trên điện trở R4 là điện trở phân cực cho cực E của Q6

Q7 là nguồn dòng cho cặp vi sai Q1 và Q2 Điện trở R5, R6, R7 và điôt tạo thành mạch phân cực và ổn định nhiệt cho Q7 Điện trở R8, R9, R10 và điôt tạo thành mạch phân cực và ổn định nhiệt cho Q8

Điện áp ngõ ra Vo cùng dấu (hoặc cùng pha) với điện áp vào Vi+ trên cực B của Q1, khác dấu (hoặc ngược pha) với điện áp vào trên cực B của Q2 Vì vậy hai ngõ vào này lần lượt được gọi là ngõ vào đảo và ngõ vào không đảo

6.3 Đặc Tính Và Các Thông Số Của Một Bộ OP-AMP Lý Tưởng:

Trên hình vẽ là ký hiệu của một bộ khuếch đại thuật toán thông dụng, nó bao gồm: một ngõ vào đảo Vi-, một ngõ vào không đảo Vi+, một ngõ ra Vo và hai ngõ cấp nguồnVcc

Trạng thái ngõ ra không có mạch hồi tiếp trở về ngõ vào như trên hình vẽ được gọi là trạng thái vòng hơ ûvà lúc này bộ khuếch đại thuật toán sẽ có hệ số khuếch đại điện áp vòng hở là Avo

Tùy theo cách đưa tín hiệu ở ngõ vào Vi mà ta sẽ có được tín hiệu ở ngõ ra Vo như sau:

- Đưa tín hiệu đến ngõ vào đảo: Vo = - Avo.Vi

- Đưa tín hiệu ở ngõ vào không đảo: Vo = Avo.Vi

Đưa tín hiệu đồng thời ở cả hai ngõ vào gọi là tín hiệu vào vi sai:

Vo = Avo.(Vi+ - Vi-) = Avo Vi

Ở trạng thái tĩnh, Vi+ = Vi- = 0 suy ra Vo = 0

Hình vẽ trên minh họa đặc tính truyền đạt điện áp vòng hở (Avo) của khuếch đại thuật toán Theo đặc tuyến này có ba vùng làm việc:

- Vùng khuếch đại: Vo = Avo.Vi ( Vi = Vi+ - Vi- nằm trong khoảngVs)

- Vùng bảo hòa dương: Vo = +Vcc ,Vi > Vs

- Vùng bảo hòa âm: Vo = -Vcc ,Vi < Vs

±Vs là các mức ngưỡng của điện áp vào, giới hạn phạm vi mà quan hệ Vo (Vi)

Trong thực tế, ta ít sử dụng khuếch đại thuật toán ở trạng thái vòng hở

Trong chế độ khuếch đại tuyến tính, người ta phải dùng hồi tiếp âm để giúp bộ KĐTT làm việc ổn định đồng thời vùng làm việc của tín hiệu vào tương ứng sẽ được mở rộng hơn Trạng thái KĐTT có thêm mạch hồi tiếp âm như vậy được gọi là trạng thái vòng kín và có hệ số khuếch đại vòng kín là Avf

Một bộ KĐTT lý tưởng có các thông số cơ bản sau:

- Hệ số khuếch đại vòng hở: Avo 

- Tổng trở vào ri 

- Tổng trở ra Ro  0

6.4 Các Mạch Ứng Dụng Cơ Bản Của Op-amp:

Các bộ KĐTT có hệ số khuếch đại vòng hở Avo rất lớn từ 20.000 đến 100.000 và hệ số khuếch đại Avo này chỉ được sử dụng trong các mạch so sánh Còn đối với các mạch ứng dụng khác đều phải kết hợp với phương pháp hồi tiếp âm để giảm hệ số khuếch đại, các mạch ứng dụng cơ bản này được chia thành hai loại: đảo pha và không đảo pha Đặc tính của các mạch này gần như chỉ phụ thuộc vào các linh kiện kèm theo bên ngoài

6.4.1 Mạch so sánh:

Đây là mạch không có hồi tiếp âm Hệ số khuếch đại lúc này là hệ số khuếch đại vòng hở Avo

Do Avo quá lớn, cho nên chỉ cần có một điện áp rất nhỏ Vin ở ngõ vào thì điện áp ở ngõ ra Vo sẽ nhanh chóng đạt đến giá trị giới hạn Vcc

Ví dụ: cho Vcc = 12V và Avo = 30.000 thì lúc này chỉ cần Vin = 0.4 mV cũng đủ làm cho Ua = ub

6.4.2 Mạch Khuếch đại đảo:

Ở mạch cơ bản này hệ số khuếch đại sẽ được làm giảm xuống nhờ điện áp hồi tiếp lấy từ ngõ ra qua một cầu phân áp và đưa ngược trở lại ở ngõ vào đảo

Tín hiệu ra đảo pha so với tín hiệu vào:

Do KĐTT có Ri  nên Ii = 0 và Vi+ = Vi- = 0 Từ đó:

- Dòng điện qua R1:

I = VinR1 = -VoR2

- Hệ số khuếch đại:

Av =Vin = -Vo R2R1

- Tổng trở vào:

Zin =VinI = R1

Từ công thức trên ta nhận thấy: Hệ số khuếch đại Av của mạch khuếch đại đảo chỉ phụ thuộc vào các linh kiện ngoài đó là các điện trở R1, R2 Còn dấu trừ chứng tỏ điện áp ra lệch pha so với điện áp vào 180

6.4.3 Mạch khuếch đại không đảo:

Tín hiệu cần khuếch đại sẽ được đưa đến ngõ vào không đảo và điện áp hồi tiếp sẽ là một phần của điện áp ra được đưa trở về ngõ vào đảo

Do KĐTT có Ri  nên Ii = 0 và Vi+ = Vi- = 0 Từ đó:

- Dòng điện qua R1, R2:

I =Vi-R1 =R1 + R2Vo

- Hệ số khuếch đại:

Av =Vin =Vo R1 + R2R1 = 1 +R2R1

- Tổng trở vào: Zin

Để tính Zin ta cần vẽ lại mạch điện như sau:

Ta có:

Vin=Vin +.Vo

Với:

 =R1 + R2 =R1 Av1

Vo = Avo.Vi

Vin = Iin.Rin

Rin: tổng trở bộ KĐTT

Thay vào biểu thức Vin:

Vin = Iin.Rin +AvoAv Iin.Rin

Zin =VinIin = R1.(1 + AvoAv )

Vậy mạch này có tổng trở rất lớn

Nhận xét: hệ số khuếch đại Av chỉ phụ thuộc vào R1, R2 và Av luôn có trị số dương và điều này chứng tỏ tín hiệu vào và tín hiệu ra đồng pha nhau

6.4.4 Mạch điều khiển theo thời gian:

Sơ đồ mạch điện:

Ta có: K là cuộn dây rờ le trung gian

Khi vừa cấp nguồn cho mạch điện thì R2, R3 tạo cầu phân áp đặt 6V vào chân số 3 đầu vào không đảo

Ở đầu vào đảo số 2, Uc đang bằng

Đầu ra chân 6 sẽ duy trì ở trạng thái bảo hòa dương +Vcc, T ngưng dẫn và K cũng ngưng hoạt động

Sau một thời gian, tụ C nạp tới trị số điện áp lớn hơn điện áp ở đầu vào không đảo thì lúc này đầu ra của OPAM sẽ ở trạng thái bảo hòa âm làm cho transistor T dẫn bảo hòa và rờ le K hoạt động đóng mở các tiếp điểm mạch điều khiển

Để đảm bảo rờ le hoạt động chính xác ở các lần hoạt động tiếp theo thì yêu cầu điện áp trên tụ C phải bằng 0 Chính vì vậy, khi ngắt mạch thì tụ C sẽ xả điện qua D1, R2 và R3

Do ngắt điện đột ngột nên trong cuộn dây sẽ xuất hiện một điện áp cảm ứng có trị số rất lớn có thể làm hỏng transistor Để tránh hiện tượng này, ta cần mắc một điôt D2 để triệt tiêu điện áp cảm ứng đó

Đây là mạch duy trì thời gian khi đóng mạch hay khi tác động

Ngược lại, khi ta thay đổi vị trí của chân số 2 và chân số 3 thì mạch sẽ hoạt động theo nguyên tắc ngược lại nghĩa là mạch duy trì thời gian khi ngắt

6.4.5 Điều khiển theo nhiệt độ:

Sơ đồ mạch điện:

Nhiệt trở NTC có tính chất khi nhiệt độ tăng thì trị số điện trở giảm Mạch có nguyên lý hoạt động như sau:

Khi đóng điện nguồn vào thì R1, R2 tạo ra cầu phân áp đặt điện áp 6V vào chân số 3 Do nhiệt độ trong lò lúc này chưa cao cho nên NTC có trị số điện trở lớn điện áp đặt vào chân số 2 nhỏ hơn 6V nên đầu ra chân số 6 có trạng thái bảo hòa dương nên T dẫn điện, rờle K hoạt động đóng tiếp điểm làm cho lò nhiệt hoạt động

Khi nhiệt độ trong lò tăng cao làm trị số điện trở NTC giảm, cầu phân áp R5, R6 tạo ra điện áp lớn hơn 6V đưa vào chấn số 2 nên mạch lật trạng thái chuyển sang

trạng thái bảo hòa âm làm T ngưng dẫn rờle ngưng hoạt động ngắt tiếp điểm dẫn đến lò nhiệt ngưng hoạt động

R5 được điều chỉnh sao cho khi nhiệt độ trong lò thấp hơn nhiệt độ yêu cầu thì R6 > R5 và ngược lại khi nhiệt độ lò lớn hơn nhiệt độ yêu cầu thì R6 < R5