BAI GIANG VI MACH TUYEN TINH

bài giảng vi mạch là tài liệu giới thiệu chung về các loại vi mạch trong ngành điện tử và nó bao gồm các bài tập giúp người học có thể hiểu sâu hơn về các loại mạch điện tử.ví dụ như các bài tập về mạch đảo mạch, mạch không đảo , mạch khuếch đại, mạch cộng đảo dấu,...

CHƯƠNG 1GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI MẠCH VÀ

KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN1.1 Giới thiệu vi mạch tương tự.

Các hệ thống số làm việc bằng cách vận dụng các cổng logic AND, NAND, OR, NOR, NOT và các flip-flop, các bộ chuyển đổi Analog sang digital hoặc ngược lại, các dụng cụ dùng để giao tiếp giữa thiết bị tương tự và số, các bộ đệm được thiết kế chủ yếu cho các ứng dụng số cũng thuộc các dụng cụ số

Phần lớn các dụng cụ khác sẽ được coi như vi mạch tương tự Chúng bao gồm mạch khuếch đại, các bộ so sánh, ổn áp, dao động và các vi mạch thông tin, audio, video như các bộ thu AM, FM, tách sóng FM, giải điều chế stereo, điều khiển âm thanh, equalizer, khuếch đại video TV, tách sóng đồng bộ )

1.1.2 Đóng gói các vi mạch (packaging of Integrated circuits).

Có nhiều dạng đóng gói như: TO – 5, DIP – 8, TO – 3, SIP – 9

Dạng vỏ kim loại TO – 5 có dạng như hình 1.1, 8, 10, hay 12 chân thường dùng cho các IC cũ

Dạng DIP (Dual In Line Package) như hình 1.2 là dạng đóng gói có hai hàng chân, các cấu trúc thường gặp: 8, 14, 16, 18, 20, 24, 28 và 40 chân Đối với các lọai DIP8, 14,

16, 18, 20, các hàng chân cách nhau 0,3 inch và đối với DIP40 thì khoảng giữa hai hàng chân gấp đôi so với DIP8 Các chân kề nhau thì cách nhau 0,1 inch

Hình 1.1: Dạng vỏ TO-3, TO-5

Hình 1.2: Dạng vỏ DIP-8, DIP-16

Những năm gần đây, người ta chế tạo các loại vỏ gắn trên bề mặt (surface mount package) dùng để gắn IC lên bề mặt mạch in không cần khoan lỗ như hình 1.3

Ví dụ: SO – 8, SO–14.

Hình 1.3: Dạng SO -8, SO -16

Dạng gắn trên bề mặt PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) 20 tiếp xúc

Các mạch xử lý công suất như ổn áp, khuếch đại công suất thường dùng dạng đóng gói khác Đối với loại tiêu tán công suất từ 20 W trở lên người ta thường dùng dạng TO–3 Ổn áp đơn giản chỉ có hai chân với chân thứ 3 (thường là chân mass) là vỏ Đối với công suất tiêu tán nhỏ hơn 15W thì dạng TO – 220 là phổ biến nhất TO – 39 cho ổn

áp với công suất nhỏ hơn 2W, TO – 92 cho ổn áp với công suất nhỏ hơn 0,5W Các mạch khuếch đại công suất đôi khi ở dạng vỏ một hàng chân (SIP: Single in line package) Ví dụ: SIP – 9

Hình 1.4: Dạng vỏ SIP-9 1.1.3 Nhận dạng các vi mạch tương tự.

Dựa vào các tiếp đầu ngữ (prefix) ví dụ như µA741 Ta có bảng tiếp đầu ngữ thông thường cho vi mạch tương tự dùng bởi các hãng sản xuất chính:

Bảng 1.1 tiếp đâu ngữ kí hiệu của các hãng

Fauchild linear Division Intersil, Inc µA, UA

National Semiconductor Corp LF, LH, LM, TBA

Số linh kiện theo sau tiếp đầu ngữ hãng sản xuất

Theo sau số linh kiện thường là một hay nhiều chữ

Thí dụ:

C: Cấp thông mại (commercial)

M: Cấp quân đội (Military)

I: Cấp công nghiệp (Industrial)

Chữ thứ hai tiếp theo là chỉ lọai vỏ, tùy theo hãng.

Thí du:

P: Vỏ DIP Plastic đối với Motorola

N: Vỏ DIP Plastic đối với national semiconductor

Ngày xuất xưởng thường người ta phân biệt nó với số linh kiện nhờ vào số linh kiện có tiếp đầu ngữ của nhà sản xuất Ta sẽ thấy có tổ hợp chữ và số thường là 4 chữ số: YYWW

WW: tuần thứ mấy trong năm

YY: năm sản xuất

Ví dụ:

Hình 1.5 TL081C

Op –amp TL081C

C: cấp thương mại

9102: Sản xuất vào tuần thứ hai trong năm, năm sản suất: 1991

Logo biểu tượng của các hãng sản xuất:

Sau đây là logo của một số hãng chính:

Analog Devices

Exar Corporation Intersil, Inc

Motorola Semiconductor Product

National Semiconductor Corporation

Precision Monolithics, Inc

Signetics CorporationTexas Instruments.

SONY

Hình 1.6 logo các hãng

1.2 Giới thiệu chung về bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier: Op-Amp).

Một trong những dụng cụ cơ bản nhất trong các mạch điện tử analog là các mạch khuếch đại (amplifier) Nó là khối xây dựng cho các mạch điện tử phức tạp hơn

Các mạch khuếch đại transistor đơn giản thường dùng các tụ điện để ngăn các dòng phân cực DC Các tụ khó đưa vào IC Từ đó có một loại khuếch đại đặc biệt – Khuếch đại vi sai (differential amplifier) được dùng trong mạch để tránh dùng tụ và vấn

đề trôi (drift) Bởi vì các mạch khuếch đại vi sai đã từng được dùng để mô phỏng các phép toán nên chúng thường gọi là Op-Amp

Op-amp là một loại mạch tích hợp rất linh động, có thể dùng nó làm các mạch khuếch đại đơn giản, khuếch đại vi sai, khuếch đại đo lường hay khuếch đại dòng Nó có thể được dùng để lấy tổng, tích, bình phương hay logarithm các tín hiệu tương tự Nó là phần tử chính của nhiều mạch lọc, dao động và ổn áp

Hình 1.7 Các dạng vỏ của Op - Amp

KĐTT vốn dùng để thực hiện các phép toán, các thuật toán trong máy tính tương

tự cho nên có tên gọi như vậy Ngày nay, KĐTT được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, với tần số rất rộng từ DC đến hàng GHz

Hình 1.8 Cấu trúc chân của Op – Amp LM 741

Chân 1: Offset hoặc null

Chân 2: Ngõ vào đảo

Chân 3: Ngõ vào không đảo

Chân 4: Cấp nguồn âm

Chân 5: Offset hoặc null

Chân 6: Ngõ ra

Chân 7: Cấp nguồn dương

Chân 8: NC (không sử dụng)

Hình 1.8 Cấu trúc chi tiết của Op – Amp LM 741

Điện áp ra V0 cùng dấu hoặc cùng pha với điện áp vào 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 theo thứ

tự gọi là ngõ vào không đảo tương ứng với chân có kí hiệu dấu “+” và ngõ vào đảo tương ứng với chân có kí hiệu dấu trừ “-” trên kí hiệu của Op – Amp

Với Op – Amp lý tưởng, khi tín hiệu vào vi sai ∆Vi = V+ I – V - I = 0, thì điện áp ra V0 = 0 Nhưng trong thực tế, do các linh kiện bên trong mạch không hoàn toàn đối xứng, nhất là ở mạch khuếch đại vi sai một ngõ vào, nên ngõ ra vẫn xuất hiện một điện áp nhỏ khác không, gọi là điện áp lệch không ngõ ra (output offset voltage) Để điều chỉnh điện

áp ngõ ra bằng không trở lại, ta phải đặt một điện áp nhỏ giữa hai ngõ vào ∆Vi = Vio ≠ 0 Vio gọi là điện áp lệch ngõ vào (input offset voltage) Trong thực tế, các Op – Amp thường có hai chân ký hiệu là null hoặc offset cho phép mắc thêm một biến trở bên ngoài

− Mạch khuếch đại đầu ra là tầng khuếch đại đầu ra, tạo ra khả năng tải dòng lớn, tổng trở đầu ra thấp, có giới hạn dòng và bảo vệ ngắn mạch.

Nguồn dòng phân cực:

Mạch tạo nguồn dòng phân cực cho các transistor trong các khối gồm Q8 và Q9, Q10 và Q11, Q12 và Q13 Dòng điện ban đầu có thể sinh ra các dòng điện khác được xác định bởi điện áp cấp nguồn và điện trở 39 kΩ cùng với 2 mối nối pn tạo ra Dòng điện được tính gần đúng bằng:

(VS+ − VS− − 2Vbe)/39 kΩ

Trạng thái của tầng khuếch đại đầu vào được điều khiển bởi hai nguồn dòng Q10

và Q11 hình thành một nguồn dòng trong đó điện trở 5 kΩ sẽ đặt dòng điện của cực thu Q10 đến một trị số có tỷ lệ rất nhỏ so với dòng điện ban đầu Dòng điện cố định của Q10 cấp dòng cực nền cho transistor Q3 và Q4 nhưng cũng cấp dòng cực thu cho Q9, trong khi nguồn dòng điện do Q8 và Q9 sẽ cố bám theo độ lớn của dòng cực thu Q3 và Q4 Dòng này cũng bằng với dòng điện yêu cầu cho đầu vào, và sẽ là một tỷ lệ nhỏ của dòng điện Q10 vốn đã nhỏ Một cách khác để nhìn nhận vấn đề là nếu dòng điện của đầu vào có khuynh hướng tăng cao hơn dòng điện Q10, thì nguồn dòng điện Q8, Q9 sẽ tháo bớt dòng điện ra khỏi cực nền chung của Q3 và Q4, hạn chế dòng đầu vào, và ngược lại Như vậy, điều kiện về một chiều của tầng đầu vào sẽ được ổn định nhờ một hệ thống hồi tiếp âm có độ lợi cao Vòng hồi tiếp này cũng loại trừ những thay đổi theo hướng đồng pha của các thành phần khác trong mạch bằng cách làm cho điện áp cực nền của Q3, Q4 bám theo 2Vbe thấp hơn trị số của điện áp đầu vào Nguồn dòng do Q12 và Q13 tạo ra dòng điện cố định cho tầng khuếch đại điện áp lớp A qua cực thu của Q13, và độc lập với điện áp ngõ ra

Tầng khuếch đại vi sai đầu vào:

Q1 và Q2 là transistor đầu vào, lắp theo kiểu theo cực phát (hay kiểu cực thu chung) phối hợp bởi đôi transistor Q3 và Q4 nối cực gốc chung thành mạch vi sai đầu vào Ngoài ra, Q3 và Q4 cũng tác động như một bộ dời mức điện áp và tạo ra một độ lợi để kéo tầng khuếch đại lớp A Chúng cũng tăng cường khả năng chịu điện áp ngược cho các transistor đầu vào Mạch khuếch đại vi sai đầu vào sẽ kéo một tải tích cực là gương dòng điện Q5, Q6, Q7 Q7 làm tăng độ chính xác của gương dòng điện bằng cách giảm trị số dòng điện tín hiệu cần thiết đi từ Q3 để kéo cực nền của Q5 và Q6 Gương dòng điện này

sẽ biến đổi tín hiệu vi sai thành tín hiệu đơn theo cách sau: Dòng điện tín hiệu của Q3 sẽ

là đầu vào của gương dòng điện trong khi đầu ra của gương dòng điện (cực thu của Q6) được nối đến cực thu của Q4 Ở đây, dòng tín hiệu của Q3 và Q4 sẽ được trừ với nhau Đối với nguồn vi sai đầu vào, tín hiệu của Q3 và Q4 bằng và ngược dấu với nhau Như thế, hiệu này sẽ bằng hai lần dòng điện tín hiệu Mạch này đã hoàn tất quá trình biến từ tín hiệu vào vi sai thành tín hiệu ra đơn Cần lưu ý rằng dòng điện cực nền của đầu vào khác không, và tổng trở đầu vào vi sai của 741 sẽ xấp xỉ 2 MΩ Chân "offset null" có thể được dùng để lắp các điện trở ngoài song song với điện trở 1 kΩ (thông thường đó sẽ là 2 đầu cuối của 1 biến trở tinh chỉnh) để điều chỉnh cân bằng cho gương dòng điện Q5, Q6, và như thế sẽ gián tiếp điều chỉnh điện áp ra khi tín hiệu đầu vào = 0

Tầng khuếch đại điện áp lớp A:

Nó bao gồm 2 transistor NPN nối Darlington và sử dụng đầu ra của một gương dòng điện làm tải cực thu nhằm có độ lợi lớn Tụ điện 30pF tạo ra hồi tiếp âm chọn lọc tần số cho tầng khuếch đại này, hình thành một bộ bù tần số để tạo sự ổn định

Mạch định thiên đầu ra:

Q16 là một mạch dời mức điện áp, hoặc một mạch nhân Vbe, một dạng của nguồn điện áp Trong mạch điện, Q16 tạo ra một sụt áp không đổi giữa cực thu và cực phát bất

kể dòng điện qua mạch Nếu dòng điện cực nền gần bằng không, điện áp giữa hai cực phát và cực nền là 0.625V (trị số tiêu chuẩn của BJT trong miền tích cực), Do đó dòng điện đi qua điện trở 4.5KΩ sẽ bằng với dòng đi qua điện trở 7.5KΩ, và sẽ gây ra giảm áp trên đó là 0.375V Do đó nó sẽ duy trì điện áp trên 2 đầu transistor và 2 điện trở là 0.625 + 0.375 = 1V Nó sẽ định thiên cho 2 transistor đầu ra ở vùng gần dẫn và giảm méo xuyên tâm Trong một số mạch khuếch đại linh kiện rời, chức năng này được thực hiện với chỉ 2 diode.

Tầng xuất:

Tầng xuất là một mạch khuếch đại đầy kéo lớp AB (Q14, Q20) được định thiên bằng

bộ nhân điện áp Vbe Q16 và các điện trở cực thu của nó Tầng này được kéo bằng cực thu của Q13 và Q19 Dải điện áp ra khoảng thấp hơn 1 volt so với nguồn cấp ứng bao gồm phần điện áp Vbe của transistors Q14 và Q20

Điện trở 50 Ω trong mạch ra tác động như một mạch nhạy dòng, để tạo chức năng giới hạn dòng ra của transistor Q14 đến trị số khoảng 25mA đối với 741 Giới hạn cho dòng điện ra âm bằng cách sử dụng điện áp ngang qua điện trở cực phát của Q19 và dùng điện áp này để giảm bớt dòng điện kéo cực nền của Q15 Với các phiên bản mới hơn có thể thấy những sai biệt nhỏ trong mạch giới hạn dòng ra này

Điện trở ra không bằng 0 nhưng nếu sử dụng hồi tiếp thì có thể tiến đến gần 0 nếu

có sử dụng hồi tiếp âm

Ghi chú: Vi mạch 741 đã từng được dùng trong các thiết bị âm thanh và các thiết

bị nhạy cảm khác, nhưng giờ đây nó ít được dùng hơn, vì những mạch khuếch đại đời mới hiện đại đã có nhiều tiến bộ trong việc loại trừ tạp âm Bên cạnh những tạp âm phát sinh, 741 và các mạch cũ hơn cũng có tỷ số nén tín hiệu đồng pha không tốt lắm nên chúng cũng sinh ra tiếng ù và những tương tác đồng pha khác thí dụ như tiếng "click" khi đóng ngắt nguồn trong những thiết bị nhạy cảm

1.3 Đặc tính của khuếch đại thuật toán:

Dạng phổ biến nhất của mạch khuếch đại dùng IC là mạch khuếch đại thuật toán (operational Amplifier) hay đơn giản hơn dùng từ Op-amp Mạch Op-amp được tích hợp

về cơ bản gồm một mạch khuếch đại vi sai có chất lượng cao để tổng trở vào của op-amp

vô cùng lớn, tổng trở ra thấp, độ lợi vi sai rất cao và tỉ số triệt cách chung rất cao Giống như một bộ khuếch đại vi sai thật, Op-amp có hai ngõ vào, ngõ vào đảo và không đảo và một ngõ ra Các Op-amp thường hoạt động trên một tầm nguồn cấp điện rất rộng Băng thông độ lợi đơn vị tiêu biểu cho một op-amp là từ 1MHz trở lên

Từ op-amp có từ thời máy tính analog, do chủ yếu lúc đó nó được dùng để thực hiện các phép toán như cộng, bình phương, vi phân hay tích phân

Hầu hết các thiết kế mạch dùng op-amp có thể được hiểu bằng cách ghi nhận 3 đặc tính chính Các đặc tính này quan trọng

− Cả hai ngõ vào đảo và không đảo có tổng trở vào rất cao và từ đó hoạt động như mạch ngoài hở đối với bất cứ tín hiệu vào nào

− Với hồi tiếp âm, điện áp ở ngõ đảo bằng với điện áp ở ngõ vào không đảo

− Khi ngõ vào không đảo nối đất thì ngõ vào đảo sẽ hoạt động như đất giả

Chúng ta sẽ sử dụng các đặc tính này để phát triển các công thức trong các thiết kế

và phân tích mạch dùng op-amp

1.3.1 Các kiểu op-amp.

Có hai kiểu op-amp chính:

Op-amp lưỡng cực (bipolar) được xây dựng từ công nghệ lưỡng cực, tiêu biểu là µA741C

Op-amp ngõ vào FET hay BiFET: mạch về cơ bản là khuếch đại vi sai nhưng ngõ vào dùng FET để cho tổng trở vào rất cao và BJT dùng để khuếch đại trung gian và ngõ

ra, tiêu biểu như TL081C Vì FET là linh kiện họat động bằng áp nên dòng phân cực rất nhỏ, về cơ bản có thể bỏ qua So với op-amp lưỡng cực thì op-amp BIFET có băng thông rộng hơn và cho công suất ra lớn hơn

Hình 1.9 Kí hiệu Op-amp

Giới hạn nguồn cấp điện:

Một đặc tính quan trọng của op-amp là nó có khả năng hoạt động trên một dải rộng nguồn cấp điện Giống như các mạch khuếch đại vi sai, hầu hết op-amp cần hai nguồn cấp điện Các op-amp thường làm việc ở ±15V hay ±12V Tuy nhiên, tiêu biểu chúng có thể làm việc từ bất cứ nguồn cấp điện kép nào trong tầm từ ±3V đến ±20V, mặc

dù thường dùng nguồn cấp điện cân bằng, các điện áp không cần giống nhau cho hai nguồn cấp

Op-amp được thiết kế sẽ không nhạy với những thay đổi trong nguồn cấp điện Đặc tính này trong sổ tay gọi là tỉ số triệt nguồn cấp điện (supply voltage rejection ratio), bằng logarithm cơ số 10 của sự thay đổi điện áp ra chia cho sự thay đổi nguồn cấp

Mặc dù op-amp không nhạy với sự thay đổi trong nguồn cấp, nhưng điện áp nguồn cấp ảnh hưởng đến biên độ ra tối đa của điện áp ra Điện áp tối đa mà op-amp có thể cho ra thì tiêu biểu là nhỏ hơn nguồn cấp điện 1V Ví dụ: op-amp làm việc với nguồn

±15V thì điện áp ra sẽ xấp xỉ 14V hay -14V hay 28Vp-p các điện áp cực đại ở ngõ ra gọi

là các điện áp bão hòa (saturation voltage) của op-amp và kí hiệu là Vsat+ hay Vsat-

Sự giới hạn băng thông:

Vì op-amp được ghép trực tiếp nên đáp ứng tần số như hình 1.10:

Hình 1.10 Đáp ứng tần số thực của một op-amp

Hình 1.11 Đáp ứng tiệm cận tần số

Để ý là tần số 3dB chỉ vào khoảng 5Hz, ở những tần số lớn hơn, độ lợi giảm ở tốc

độ 20dB/decade, đạt được 1 đơn vị ở xấp xỉ 1MHz BW-3dB là 5 Hz thì không hữu dụng lắm, nhưng ta có thể cải thiện BW-3dB bằng hồi tiếp

Sự giảm 20dB ở độ lợi trong hầu hết các op-amp là do một tụ nhỏ (tiêu biểu là từ

15 dến 30pF tạo thành một phần của vi mạch) Tụ này được gọi là tụ bổ chính Nó góp phần vào sự ổn định của op-amp tránh tiến tới dao động Nếu bỏ tụ đi thì mạch khuếch đại có băng thông rộng hơn, nhưng sẽ không ổn định, dễ dao động Một số op-amp được chế tạo không có tụ bên trong này nhưng do bổ chính bên ngoài, đôi khi có thể đạt băng thông rộng hơn

1.3.2 Đặc tính và các thông số của một bộ KĐTT lý tưởng

Hình 1.12 Op-amp ở trạng thái vòng hở

Hình 1.12 minh họa của một bộ KĐTT thông dụng ở trạng thái vòng hở Ta thấy

có hai ngõ vào (ngõ vào đảo có điện áp Vin-, ngõ vào không đảo có điện áp V+ in) một ngõ

ra (có điện áp V0), và nguồn cấp điện ± Vcc Trạng thái ngõ ra không có mạch hồi tiếp về ngõ vào như hình ở hình 1.12 gọi là trạng thái vòng hở Hệ số khuếch đại điện áp của KĐTT trong trạng thái đó, ký hiệu Avo, được gọi là hệ số khuếch đại vòng hở (Opened – loop gain)

Ta có đáp ứng tín hiệu ra V0 theo các cách đưa tín hiệu vào như sau:

− Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo thì V0 = - AvoVi

-− Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo thì V0 = AvoVi+

− Đưa tín hiệu vào đồng thời cả hai ngõ thì Vo = Avo (V+ i – V - i) = Avo∆Vi ở trạng thái tĩnh, V+ i = V - i , suy ra V0 = 0.

Hình 1.13 Đặc tuyến truyền đạt

Hình 1.13 minh họa đặc tuyến truyền đạt điện áp vòng hở của KĐTT Theo đặc tuyến này, có 3 vùng làm việc:

− Vùng khuếch đại: V0 = Avo∆Vi , -Vs ≤ ∆Vi ≤ Vs , (∆Vi=V+ i – V - i).

− Vùng bão hòa dương: V0 = +Vsat , ∆Vi > Vs

− Vùng bão hòa âm: V0 = - Vsat , ∆Vi < - Vs

±Vs là các mức ngưỡng của điện áp vào, giới hạn phạm vi mà quan hệ V0(∆Vi) còn

là tuyến tính Các KĐTT thường có Vs khoảng từ vài chục µV đến vài trăm µV

Trong thực tế, người ta rất ít sử dụng KĐTT ở trạng thái vòng hở vì tuy Avo rất lớn nhưng tầm điện áp vào bị giới hạn quá bé (trong khoảng ±Vs) chỉ cần trôi nhiệt, hoặc nguồn không ổn định, hoặc nhiễu biên độ rất bé cũng đủ tạo ra được ∆Vi vượt ra ngoài tầm ±Vs làm ngõ ra bão hòa dương hoặc bão hòa âm Mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ sử dụng hồi tiếp âm để tạo sự làm việc ổn định cho bộ khuếch đại, đồng thời vùng

làm việc của tín hiệu vào tương ứng sẽ được mở rộng hơn (hình 1.14) Trạng thái KĐTT

có thêm mạch hồi tiếp âm như vậy được gọi là trạng thái vòng kín

Hình 1.14 Đặc tuyến truyền đạt khi có hồi tiếp âm

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

− Hệ số khuếch đại vòng hở: Avo →∞ (thực tế Avo >10000)

− Tổng trở vào Ri →∞ (loại BJT Ri > 1 MΩ, loại FET Ri> 109 Ω)

− Tổng trở ra R0 ≈ 0 (thường R0<1Ω)

− Dòng phân cực ngõ vào: Iib = 0 (thực tế Iib từ vài chục nA đến hàng trăm nA)

Để đơn giản trong việc lập các công thức tính toán ở phần sau, ta xem bộ KĐTT là

lý tưởng

Các công thức tính chỉ là gần đúng nhưng kết quả khá chính xác, thường được áp dụng trong thực tế

1.4 Hồi tiếp trong op-amp.

Ta thấy một op-amp điển hình có độ lợi 200.000, rất ít khi ta dùng một mạch có độ lợi như thế Phần lớn các mạch khuếch đại điển hình có độ lợi giữa 10 và 100 Người ta xây dựng op-amp có độ lợi rất cao để cho phép đạt bất cứ độ lợi nào bằng hồi tiếp Hồi tiếp là đưa một phần tín hiệu ngõ ra ngược về ngõ vào

1.4.1 Hồi tiếp dương (Positive Feedback).

Nếu tín hiệu hồi tiếp đồng pha với tín hiệu vào ta có hồi tiếp dương Tín hiệu hồi tiếp cộng thêm vào tín hiệu vào, làm cho tín hiệu vào lớn hơn và được khuếch đại bởi op-amp làm cho tín hiệu ra lớn hơn Chu trình này được lặp lại cho tới khi nào đạt được biên

độ ra ổn định hay cho đến khi mạch bắt đầu dao động Hiệu ứng hồi tiếp dương sẽ được xét ở các mạch dao động Ngoại trừ việc tạo dao động, một cách tổng quát là ta không mong muốn hồi tiếp dương Hồi tiếp dương có khuynh hướng tăng độ méo trong mạch khuếch đại, giảm băng thông hiệu dụng và làm cho mạch dễ bị dao động

1.4.2 Hồi tiếp âm ( Negative Feedback).

Nếu tín hồi tiếp lệch pha 1800 so với tín hiệu ngõ vào thì ta có hồi tiếp âm Tín hiệu này được trừ vào ngõ vào, cho giá trị vào nhỏ hơn mà được khuếch đại bởi op-amp cho tín hiệu ra nhỏ hơn Chu trình này tiếp tục lặp lại, hiển nhiên là ngõ ra sẽ đạt được mức ra ổn định Độ lợi khuếch đại bị giảm, nhưng độ méo cũng giảm, BW tăng và độ ổn định mạch tăng

Hình 1.15 Op-amp với hồi tiếp âm

Hồi tiếp âm được thực hiện trong mạch op-amp bằng cách nối ngõ ra trở về ngõ vào đảo, thường là qua cầu chia áp dùng điện trở gồm điện trở hồi tiếp RF được nối từ ngõ ra về ngõ vào đảo và một điện trở vào RI được nối hoặc giữa ngõ vào đảo và nguồn (đối với khuếch đại đảo) hoặc giữa ngõ vào đảo và đất (đối với khuếch đại không đảo)

Cầu chia áp hồi tiếp về một phần của tín hiệu ra về ngõ vào Ta gọi phần hồi tiếp này là β, β khác nhau giữa mạch khuếch đại đảo hoặc không đảo

Mạch khuếch đại có hai độ lợi, độ lợi vòng hở (Open Loop Gain) là độ lợi không

có hồi tiếp, AVOL, và độ lợi vòng kín (Closed Loop Gain) là độ lợi khi có hồi tiếp, AVF Hình 1.16 bên dưới minh họa hồi tiếp Có 4 tín hiệu trong hình này: tín hiệu vào Vin, tín hiệu ra Vout, tín hiệu hồi tiếp VF và tín hiệu vào hiệu dụng VE, tín hiệu ra Vout = AVOLVE, với tín hiệu vào hiệu dụng VE = Vin – VF = Vin - βVout

Hình 1.16 Sơ đồ khối mạch hồi tiếp fùng op-amp

Độ lợi với hồi tiếp được cho bởi:

VOL

V

)VV(

A

β+Nếu độ lợi vòng hở AVOL đủ lớn, độ lợi với hồi tiếp AVF xấp xỉ β

1

và chỉ phụ thuộc vào đặc tính của vòng hồi tiếp Điều này giải thích cho lý do tại sao người ta thiết kế op-amp

có độ lợi rất cao

Ví dụ: Một op-amp có hệ số hồi tiếp 0,1

a Giả sử độ lợi vòng hở là 200 000 lần Tính độ lợi

b Giả sử độ lợi vòng hở là 100 000 lần Tính độ lợi

Ở chế độ hồi tiếp âm:

- Dòng phân cực ngõ vào vô cùng nhỏ có thể xem như bằng không, vì vậy hoạt động của op-amp có thể xem như hở mạch đối với tín hiệu vào

- Điện thế ngõ vào đảo bằng điện thế ngõ vào không đảo

- Khi một ngõ vào không đảo nối đất thì ngõ vào không đảo được xem như đất ảo

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1

1 Trình bày cách phân loại vi mạch

2 Trình một số ứng dụng của vi mạch số và vi mạch tương tự

3 Trình bày đặc tính lý tưởng của op-amp

4 Vì sao người ta thường sử dụng op-amp ở chế độ hồi tiếp âm trong các mạch khuếch đại?

Chương 2

CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI

2.1 Mạch khuếch đại đảo.

Tín hiệu ra đảo pha với tín hiệu vào (Hình 2.1)

Hình 2.1 Mạch khuếch đại đảo cơ bản

i

RV

R V

V

(2.2)Tổng trở vào:

Băng thông của mạch:

WB

vf +

′

Ví dụ: Mạch khuếch đại đảo pha có các thông số như hình 2.2 Tính:

Hình 2.2

a Điện áp ngõ ra khi KĐTT là lý tưởng.

100R

RA

i

f

V =− =− =V0 = -10 x 0.2 = -2V

b Tổng trở vào

Zi = Ri = 10K

c Theo công thức về hệ số khuếch đại của mạch có hồi tiếp

voA1voAvf

A

β+

=

Avo: Hệ số khuếch đại vòng hởβ: Hệ số hồi tiếp

Avf: Hệ số khuếch đại có hồi tiếp

Vì mạch trên hình 2.2 là mạch hồi tiếp âm nên trong công thức trên ta phải thêm dấu “-“

VO 2 1

VO Vf

AR

R1

AA

VO 2 1

VO Vf

AR

R1

AA

Từ đó ta tính được:

995

920000x100

101

ε = 2 – 1,999 = 0,001V = 1mVε% = 0,0012 x 100 = 0,05%

Khuếch đại đảo dùng op-amp lưỡng cực:

Hình 2.3 Mạch khuếch đại đảo dùng op-amp lưỡng cực

Đối với op-amp lưỡng cực chẳng hạn như LM741C cần dòng phân cực cho mỗi ngõ vào (tiêu biểu cho LM741C là 80nA) Dòng này chảy vào ngõ vào đảo qua Ri và RF tạo ra một điện áp DC âm ở ngõ vào đảo và bằng dòng phân cực nhân cho Ri//RF

Vậy để loại bỏ sai số này ta thêm RK = Ri//RF ở ngõ vào không đảo

RK =

F i

F i

RR

R.R

b Tính giá trị các linh kiện trong mạch

c Tính băng thông, biết băng thông độ lợi đơn vị là 1MHz

Giải

a Mạch thiết kế:

b Tính các giá trị linh kiện:

Tổng trở vào: Ri = 10KΩAVF = -

⇒ RK = Ri // RF = 1010+.250250 = 9,61 (KΩ)Chọn các giá trị điện trở theo tập giá trị chuẩn:

VF + = 25 1

1

+ = 0,0385 (MHz)Khuếch đại đảo dùng op-amp BIFET:

Hình 2.4 Mạch khuếch đại đảo dùng op –amp BIFET

Mạch khuếch đại đảo dùng op-amp BIFET điển hình như TL081C có dòng vào rất nhỏ, tiêu biểu cở 30pA Do đó không cần điện trở RK ở chân vào không đảo

Ví dụ:

Thiết kế mạch khuếch đại đảo dùng op-amp TL081C cho độ lợi -11, tổng trở vào 12KΩ, dùng nguồn cung cấp ±15V

a Vẽ mạch thiết kế

b Tính các giá trị linh kiện trong mạch

c Tính BW biết băng thông độ lợi đơn vị là 1MHz

Giải

a Mạch thiết kế:

Danh sách linh kiện:

RiRF

TL 081C

b Tính các giá trị linh kiện trong mạch:

Ri = Rin = 12KΩ

RF = - AVF Ri = 11.12 = 132 (KΩ)chọn RF = 120KΩ

c Tính băng thông: BW = A 1

'BW

VF + = 111+1 = 0,083(MHz)

2.2 Khuếch đại không đảo (đồng pha)

Hình 2.5 Mạch khuếch đại không đảo

Hệ số khuếch đại:

Do nội trở Ri →∞, Ii = 0 nên dòng qua R1, R2 là bằng nhau

2 1

0 1

i

RR

VR

VI

+

=

= −Mặc khác, coi Vi- = V+ i Từ đó rút ra:

1

2 1

2 1 1

0

R1R

RRV

V

(2.6)Vậy hệ số khuếch đại được xác định bằng các linh kiện bên ngoài

Tổng trở vào: để tính Zi vẽ lại mạch như hình 2.6

Hình 2.6 Mạch tính tổng trở vào

Vi = Vin + βV0Với:

v 2 1

1

A

1RR

R

=+

=βV0 = AvoVinVin = IiRiRi: tổng trở bộ KĐTT

Thay vào biểu thức Vi

Vi = IiRi +

V

VO

AA

IiRi

=

V

vo i

i

i

A 1 R I

V Z

(2.7)Vậy mạch có tổng trở vào rất lớn

2.2.1 Mạch khuếch đại không đảo dùng op-amp lưỡng cực.

Hình 2.7 Mạch khuếch đại không đảo

RK = R1 // R2 =

2 1

2 1

RR

RR

b Tính các giá trị linh kiện trong mạch

c Tính băng thông, biết băng thông độ lợi đơn vị 1MHz

RK = Ri // RF =

F i

F i

RR

RR

+ = 9,6 (KΩ)chọn RK = 10 KΩ

c Băng thông BW =

V

A

'BW

2.2.2 Mạch khuếch đại không đảo dùng op-amp BIFET.

Hình 2.8: Khuếch đại không đảo dùng op-amp BIFET

Nếu nguồn có tổng trở vào rất cao, nên thêm một điện trở giữa ngõ vào không đảo

và đất Do tổng trở rất lớn ở cực cổng của FET, có khuynh hướng tích điện Thông thường, nó xả điện qua một nguồn có tổng trở thấp Đối với một nguồn có tổng trở cao hay ngõ vào được ghép tụ thì việc xả điện không thể xảy ra Khi đó, nên đặt một điện trở

có giá trị rất cao ở ngõ vào không đảo và đất để cho phép xả điện xuống đất Nếu điện trở này được sử dụng thì nó cũng chính là tổng trở vào của mạch Vì vậy, trong thiết kế người ta thường chọn giá trị điện trở này từ 1MΩ trở lên

Ví dụ: Thiết kế mạch khuếch đại không đảo dùng TL081C cho độ lợi bằng 40 Dùng nguồn cung cấp là ± 15V

a Vẽ mạch thiết kế và chuẩn bị danh sách linh kiện

b Tính trị số của các linh kiện trong mạch

c Tính băng thông của mạch, biết băng thông độ lợi đơn vị là 3MHz

= 39

100

= 2,56 (KΩ)Chọn R1 theo giá trị chuẩn là: 2,7KΩ

c Tính băng thông của mạch:

Danh sách linh kiện :

R 1

R 2 TL081C

BW =

V

A

'BW

= 40

3

= 0,075 (MHz)

2.3 Mạch đệm (mạch theo điện áp – voltage follower):

Mạch đệm đơn thuần là mạch khuếch đại có độ lợi đơn vị dùng để bảo vệ tải hay

để nâng công suất đưa đến tải Chúng thường là mạch khuếch đại không đảo, đặc điểm quan trọng là tổng trở vào rất cao, tổng trở ra rất bé và không có sự đảo pha giữa tín hiêu

ra so với tín hiệu vào

2.3.1 Mạch khuếch đại đệm không đảo.

Hình 2.9 Khuếch đại đệm không đảo

-Hệ số khuếch đại: với mạch theo điện áp hình 2.9, có hồi tiếp âm điện áp 100%: V0=Vi, do đó:

1 V

V A

0

i

(2.9)Với cấu trúc mạch này thì độ lợi của mạch luôn luôn có độ lợi là 1 đơn vị Tổng trở vào đạt giá trị lớn nhất và tổng trở ra bé nhất gần bằng zero Băng thông là băng thông

độ lợi đơn vị Đây là mạch khuếch đại đơn giản và được sử dụng rộng rãi

Tổng trở vào: từ (2.7) ta suy ra

Do độ lợi là đơn vị và là mạch khuếch đại không đảo, tín hiệu điện áp ra đồng nhất với tín hiệu điện áp vào Mạch khuếch đại hoạt động như mạch khuếch đại dòng Do tổng trở vào rất cao, nó hầu như không kéo dòng từ nguồn, nhưng nó có thể cấp dòng ra đáng

kể Nó đệm hữu hiệu giữa tải và nguồn

2.3.2 Mạch khuếch đại đệm đảo.

a Mạch khuếch đại đệm đảo dung TL081C b Mạch khuếch đại đệm đảo dùng LM741C

Hình 2.10 Mạch đệm áp

Vì AV = -1 nên RF = Ri, thông thường mạch này cần tổng trở nhập rất cao, điển hình là Ri = 1MΩ Do là mạch khuếch đại đệm đảo nên băng thông luôn luôn bằng ½ băng thông độ lợi đơn vị

2.4 Mạch khuếch đại dùng nguồn đơn (Single-supply Amplifier).

Khuếch đại vi sai dùng trong op-amp được phân cực để các mức 0 của tín hiệu input và output là 0V Một tín hiệu AC có thể thay đổi âm dương so với mức 0.

Đôi khi cần sử dụng khuếch đại dùng nguồn đơn, ví dụ như các thiết bị xách tay dùng pin Có nhiều cách thực hiện mạch khuếch đại dùng nguồn đơn Cách giải quyết thông thường là dùng các op-amp thông dụng như TL081C hoặc LM741C, khi đó cần đặt thêm một cầu chia áp qua nguồn để tạo đất nổi

Ví dụ: Mạch khuếch đại đảo sau:

Hình 2.11 Khuếch đại đảo dùng một nguồn đơn.

Ngõ vào không đảo được nối vào tâm của cầu chia áp được dùng như đất nổi Chân 4 (chân cấp nguồn âm) được nối vào đất nguồn thật Bởi vì đất hiệu dụng của op-amp lệch so với đất thật, cả tín hiệu vào và tín hiệu ra lệch so với đất thật Do đó, cả nguồn và tải phải được ghép bằng tụ vào mạch khuếch đại Đây là giá phải trả khi sử dụng mạch khuếch đại dùng một nguồn đơn

Các điện trở Ri và RF được tính như đối với mạch dùng nguồn kép Thường điện

áp đất nổi chọn bằng ½ điện áp nguồn cung cấp để cho phép điện áp ra thay đổi cực đại

Do đó, ta phải chọn RD1 = RD2 Đối với op-amp lưỡng cực như LM741C thì cầu chia áp cũng phải dùng như RK để điều khiển lệch phân cực Tuy nhiên, đối với mạch một nguồn thì RK = RF chứ không bằng Ri//RF Lý do là ngõ vào ghép tụ cho nên dòng phân cực ngõ vào không chạy qua Ri Mỗi điện trở cầu chia áp phải bằng 2RF để RD1//RD2= RF

Để tính Cin, ta phải xác định tần số cắt dưới fL Theo định nghĩa là tần số ở đó dùng kháng bằng trở nguồn RS cộng với tổng trở vào Ri (thường RS << Ri)

XC =

in

LCf2

1

π = RS + RiCin =

)RR(f2

1

i S

L +

Luôn luôn chọn một giá trị tụ lớn hơn giá trị tính toán Ngõ ra của khuếch đại thuật toán sẽ luôn luôn có điện áp lệch DC ở ngõ ra Tụ ra Cout được xác định tương tự như Cin

XCout =

out

LCf2

1

π = Rout + RL (thường Rout << RL)

⇒ Cout = 2 f (R1 R )

L out

L +

Tụ thật sự được chọn phải lớn hơn giá trị này

Đất nổi phải là đất AC hiệu dụng Điều này đạt được bằng cách nối tụ CD giữa điểm đất nổi của cầu chia áp và đất tín hiệu Dung kháng của tụ CD ở tần số cắt dưới phải nhỏ hơn nhiều lần điện trở RD1 / / RD2.

XCd =

C

LCf2

1

π << D1 D2

2 D 1 D

RR

RR

+Giải cho CD, ta được:

CD >>

)R//

R(f2

1

2 D 1 D L

Điển hình ta sẽ chọn CD lớn hơn ít nhất 100 lần so với giá trị tính toán được

Mạch khuếch đại này làm việc như mạch khuếch đại nguồn kép bình thường với một khác biệt là nó chỉ có thể dùng cho các tín hiệu AC Nó không thể dùng như khuếch đại tín hiệu DC

Ví dụ:

Thiết kế một mạch khuếch đại ghép AC dùng TL081C để chạy với nguồn 12V Mạch khuếch đại có độ lợi -20, tổng trở vào 2000Ω và tần số cắt dưới là 75Hz Giả sử rằng ngõ vào được lái bởi nguồn 50Ω và ngõ ra lái một đường truyền 50Ω Biết phân cực khuếch đại cho một swing AC cực đại

Giải

Mạch thiết kế:

Vì Rin = Ri ⇒ Ri= 2000Ω

RF = - AVRi = 20.2= 40 (KΩ ) Chọn RF = 39 KΩ để trùng với giá trị chuẩn

Vì ta muốn swing điện áp tối đa, nên ta đặt đất nổi là 2

Tính Cout sao cho XCout ≤ RL ở 75Hz Ta sẽ giả sử rằng Rout = 0 cho mạch khuếch đại đảo có hồi tiếp.

Cout = 2 f (R R )

1

L out

RD1//RD2 = 5 (KΩ)Cout >> 2 f (R //R )

1

2 D 1 D L

π = 2 .75.5000

1

π = 0,42 (µF)

Ta sẽ chọn CD bằng 100 lần giá trị này, và chọn tụ hóa có giá trị 47µF

2.5 OP-AMP DÙNG NGUỒN ĐƠN TL321C.

Một số op-amp được thiết kế đặc biệt để hoạt động với nguồn đơn Chúng thuận lợi hơn op-amp thông thường vì có thể ghép trực tiếp Do đó có thể dùng để khuếch đại tín hiệu DC Ví dụ như op-amp TL321C

TL321C có đặc tính làm việc của op-amp lưỡng cực chuẩn như LM741C, nhưng

nó được thiết kế để làm việc với nguồn đơn từ 3V đến 30V Nó cũng có thể làm việc với nguồn kép nếu như hiệu điện áp của nguồn kép nằm trong phạm vi 3V đến 30V

Giống như op-amp chuẩn, TL321C có thể được dùng để tạo khuếch đại đảo, không đảo Hai kiểu khuếch đại này hoàn toàn khác với op-amp chuẩn và chỉ có khuếch đại không đảo có khả năng ghép trực tiếp

2.5.1 Khuếch đại không đảo dùng op-amp nguồn đơn TL321C

Hình 2.12 Khuếch đại đảo dùng TL321C

Điện trờ RK dùng để hiệu chỉnh offset (RK = Ri//RF) Sự khác biệt duy nhất ở đây là chỉ có các tín hiệu vào dương tạo ra output Với input bằng zero thì output bằng zero Với tín hiệu vào dương thì tín hiệu ra được khuếch đại, với tín hiệu vào âm thì tín hiệu ra không được khuếch đại và bằng zero Đối với nhiều ứng dụng, hoạt động này hoàn toàn thỏa Phần lớn các tín hiệu từ các bộ chuyển đổi (cảm biến công nghiệp) chỉ có một cực tính Ví dụ một cảm biến nhiệt độ chuẩn sẽ tạo ra điện áp dương tỉ lệ với nhiệt độ

Để khuếch đại tín hiệu Ac thuần, như tín hiệu âm thanh, cần thêm vào một offset dương để tín hiệu vào không bao giờ xuống âm Offset này sẽ xuất hiện và khuếch đại ở ngõ ra Khuếch đại không đảo không thích hợp lắm cho các ứng dụng như vậy Tuy nhiên khuếch đại đảo thì được

Ví dụ: Thiết kế một mạch khuếch đại không đảo được ghép DC với độ lợi 50 và ngõ vào tổng trở cao Dùng TL321C với nguồn 24V

Giải

Mạch thiết kế:

RK = R1//R2 = 9,8 (KΩ)Chọn R2 = 470KΩ, RK = 10KΩ theo giá trị chuẩn.

2.5.1 Khuếch đại đảo dùng op-amp nguồn đơn TL321C.

Hình 2.13 Mạch khuếch đại đảo dùng TL321C

Cầu chia áp RD1, RD2 hoạt động khác với op-amp chuẩn dùng nguồn đơn Trong trường hợp này, cầu chia áp cung cấp một điện áp offset DC được cộng thêm vào tín hiệu được đưa đến từ ngõ vào đảo Cả điện áp offset và tín hiệu được đưa vào ngõ đảo được khuếch Giá trị offset tối ưu ở ngõ ra là VCC

2

1

để cho phép maxswing tín hiệu điện áp AC

ở ngõ ra Để được giá trị offset ở ngõ ra này thì điện áp DC ở ngõ vào không đảo là

2

D VRR

R

VA21

⇒

2 D 1 D

2 D

RR

R

+ = 2AV

1

(2.14)Đối với offset phân cực như trong bất kỳ op-amp lưỡng cực nào, cần có điện trở

RK Trong mạch này RK = RD1//RD2 và phải bằng điện trở mà dòng phân cực chạy vào ngõ vào đảo Do dòng phân cực không qua R1 vì ngõ vào được ghép tụ nên RK = R2 Vậy:

2 RRR

R

−

Ta sẽ có offset DC ở ngõ vào và ra, vì vậy cả tín hiệu vào và ra phải được ghép

AC Các tụ ghép được thiết kế chính xác bằng các phương trình cho các op-amp chuẩn Như vậy:

Cin =

)RR(f2

1

i S

L +

C0 =

)RR(f2

1

L out

L +

Ví dụ: Thiết kế 1 mạch khuếch đại đảo dùng TL321C với độ lợi bằng 8 và dùng nguồn 12V Mạch khuếch đại có tổng trở vào 3KΩ Phân cực mạch khuếch đại để có maxswing ngõ ra Giả sử điện trở nguồn 0Ω, tổng trở tải 10KΩ và tần số cắt thấp 60Hz

2 RRR

R

− = 384 24384

24

− = 25,6 (KΩ)Chọn R1= 3,3KΩ, RD1 = 390KΩ, RD2 = 27KΩ theo giá trị chuẩn

Tính các giá trị tụ ghép:

Cin = 2 f (R R )

1

i S

L +

π = 2 60.3000

1

π = 0.884 (µF)C0 = 2 f (R R )

1

L out

L +

1

Chọn Ci = 1µF, Co = 0,27µF theo giá trị chuẩn

Bài tập chương 2:

1 Thiết kế mạch khuếch đại có điện áp ngõ vào Vi, điện áp ngõ ra V0 = -10Vi, mạch có tổng trở vào 10KΩ, bằng thông độ lợi đơn vị là 1Mhz, sử dụng op-amp lưỡng cực hoạt động với nguồn ±12V

a Vẽ hình mạch thiết kế

b Tính các giá trị linh kiện trong mạch

c Tính băng thông của mạch

2 Thiết kế mạch khuếch đại dùng op-amp bifet TL081C, hoạt động với nguồn đôi, biết mạch có độ lợi áp là -15

a Vẽ mạch thiết kế

b Tính các giá trị linh kiện trong mạch

3 Thiết kế mạch khuếch đại dùng op-amp, mạch có 1 ngõ vào, độ lợi áp là AV = 9, amp hoạt động với nguồn ±12V, băng thông độ lợi đơn vị bằng 1Mhz

op-a Vẽ hình mạch thiết kế

b Tính các giá trị linh kiện trong mạch

c Tính băng thông của mạch

4 Thiết kế một mạch khuếch đại ghép AC dùng TL081C để chạy với nguồn 12V Mạch khuếch đại có độ lợi -17, tổng trở vào 8KΩ và tần số cắt dưới là 60Hz Giả sử rằng ngõ vào được lái bởi nguồn 50Ω và ngõ ra lái một đường truyền 75Ω Biết phân cực khuếch đại cho một swing AC cực đại

5 Thiết kế 1 mạch khuếch đại đảo dùng TL321C với độ lợi bằng 10 và dùng nguồn 15V Mạch khuếch đại có tổng trở vào 8KΩ Phân cực mạch khuếch đại để có maxswing ngõ

ra Giả sử điện trở nguồn 0Ω, tổng trở tải 10KΩ và tần số cắt thấp 80Hz

6 Cho mạch điện như hình, biết op-amp có điện áp bão hòa ±12V, Vi = 1V Tính V0 trong các trường hợp sau:

8 Cho mạch điện như hình 2.15, biết op-amp có điện áp bão hòa ±12V, Vi = 1V Tính V0 trong các trường hợp sau:

10 Cho mạch điện như hình 2.16a:

Biết op-amp có ±Vsat = ± 12V, R1=R2=R3=R4=R, dạng sóng điện áp Vi(t) được cho như hình 2.16b

a Tính V0 theo Vi, độ lợi áp AV

b Vẽ lại dạng sóng điện áp V0(t) khi Vm=

3

8

V

c Vẽ lại dạng sóng điện áp V0(t) khi Vm = 5V

11 Cho mạch điện như hình 17

R1R

R1V

b Tìm điều kiện về mối liên hệ giữa các điện trở trong mạch để V0 = (1+

Chương 3

CÁC MẠCH ỨNG DỤNG CỦA KHUẾCH ĐẠI

THUẬT TOÁN

3.1 Mạch khuếch đại cộng đảo dấu:

Mạch khuếch đại cộng là sự kết hợp 2 hay nhiều tín hiệu ở ngõ vào để được khuếch đại ở ngõ ra Ví dụ như mạch mixer audio, mạch cần điện áp offset ở ngõ ra

Hình 3.1 Mạch khuếch đại cộng đảo dấu

Dùng phương pháp xếp chồng, lần lượt tính V01, V02, V03 theo các kích thích ngõ vào độc lập I1, I2, I3 do Vi1, Vi2, Vi3 tạo ra như khuếch đại đảo dấu

V01 = - i 1

11

2 VRR

V02 = - i 2

12

2 VRR

V03 = - i 3

13

2 VRR

−

=++

13

2 2 i 12

2 1 i 11

2 03

02 01

R

RVR

RVR

RV

VV

V

(3.1)Nếu chọn R11 = R12 = R13 = R1 thì:

)VVV(R

Ví dụ: thiết kế mạch khuếch đại tổng đảo ba ngõ vào dùng TL081C Tính tất cả giá trị linh kiện trong mạch

Giải

Vì đây là mạch khuếch đại tổng đảo đơn giản với điện áp ngõ ra:

V0 = -( Vi1 + Vi2 + Vi3 )Mặc khác, theo mạch thiết kế:

= 1

⇒ R11 = R12 = R13 = R2 = 10 (KΩ)

Ví dụ: Thiết kế mạch trộn hai ngõ vào dùng khuếch đại tổng đảo với TL081C Tín hiệu vào thứ nhất có độ lợi bằng 0,5, tín hiệu vào thứ hai có độ lợi bằng 3 Tính tất cả các giá trị linh kiện trong mạch

⇒ 11

3.2 Mạch cộng không đảo dấu.

Tương tự như mạch khuếch đại không đảo, Vi là xếp chồng hai tín hiệu Vi1 và Vi2.Giả sử Vi2 = 0, ta tìm được điện áp ra V01 tương ứng với Vi1:

1 i 12 11

12 1

2

RR

RxR

R1V







+







+

=Tương tự, khi Vi1=0 ta tìm được V02 tương ứng với Vi2:

12 11

11

1

RR

RxR

R1







+







 +

Hình 3.2 Mạch khuếch đại tổng không đảo

Trường hợp tổng quát khi có cả Vi1 và Vi2:

12 11

12 1

RR

RxR

R1







+

12 1

RR

RxR

R1







+







+

=  + 1 

2

R

R1

11 1

i 12 11

RR

RV

RRR

Vậy khi có cả Vi1, Vi2 và giả thuyết R11 = R12 thì:

=+

=

2

VVR

R1VV

1

2 02

01 0

(3.3)Nếu R11=R12 = R1 = R2 thì:

Công thức (3.3), (3.4) có thể được mở rộng đến n ngõ vào tùy ý

3.3 Mạch khuếch đại vi sai (mạch trừ)

Theo hình 3.3, Vi1 áp ngõ vào đảo, Vi2 áp ngõ vào không đảo Áp dụng phương pháp xếp chồng cho từng kích thích ngõ vào, ngắn mạch ngõ vào còn lại, ta được:

Trường hợp 1: Mạch chỉ có tín hiệu vào V1, V2 = 0

1 i 3

4

01 VR

R

Trường hợp 2: Mạch chỉ có tín hiệu vào V2, V1 = 0

2 i 3

4 2

RV







+







+

=

Hình 3.3 Mạch khuếch đại trừ

Trong trường hợp có cả hai tín hiệu vào V1, V2:

1 i 3

4 2 i 3

4 2

1

2 02

01

R

RVR

R1RR

RV







+

=+

=

(3.5)Nếu ta chọn R1 = R2 = R3 = R4 thì:

Ví dụ: Mạch đo nhiệt dùng KĐTT như hình 3.4

RT là một cảm biến nhiệt thay đổi giá trị điện trở theo nhiệt độ:

RT = R0 + ∆RT với R0: Điện trở ở nhiệt độ T0, ∆RT: biến thiên nhiệt điện trở theo nhiệt độ, ∆RT = αT (T: ºC, α= const), chứng minh rằng điện áp ngõ ra là một hàm tuyến tính theo T

Theo (3.5) ta có:

ER

RER

R1RR

RV

3

T 3

T 2

=Nếu chọn R1 = R2 = R3 = R0, ta được:

ER

RRER

RR12

1V

0

T 0

0

T 0

R2

1V

0

T

0 =− ∆Thay ∆RT = αT vào biểu thức trên:

KTRR

E2

1V

1K

0

=α

−

=Vậy điện áp ngõ ra V0 tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ

Hình 3.4

Giải 3.4 Mạch tích phân

⇒ i=−CdVdt0Mặt khc: R

-0.1

dVRC

dVRC

m

VexpII

T

D S

D

T

D s

m

VexpI

ϕ

≈ID: Dòng thuận qua DiodeVD: Áp rơi trên Diode

Từ hình 3.7, ta có:

Tm

ViexpITm

VexpII

D s

m

VexpI

−

=

S T

IlnmV