Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Bài 7 - Lưu Đức Trung cung cấp cho học viên các kiến thức về khuếch đại thuật toán và ứng dụng; khuếch đại vi sai; khuếch đại thuật toán lý tưởng; phân tích khuếch đại thuật toán lý tưởng; bộ khuếch đại thuật toán không lý tưởng; đáp ứng tần số và dải tần; mô hình tín hiệu nhỏ;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG 7.1 Khuếch đại vi sai 7.2 Khuếch đại thuật tốn lý tưởng 7.3 Phân tích khuếch đại thuật tốn lý tưởng 7.4 Bộ khuếch đại thuật tốn khơng lý tưởng 7.5 Đáp ứng tần số và dải tần 7.6 Mơ hình tín hiệu nhỏ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG Các khuếch đại thuật toán (op amp – operation amplifier) là thành phần cơ bản trong thiết kế các mạch điện logic tương tự Cái tên “khuếch đại thuật toán” bắt nguồn từ việc sử dụng các bộ khuếch đại kiểu này để thực hiện các hoạt động và chức năng xác định như điều chỉnh khoảng, tính tổng, và tích phân trong các máy tính tương tự BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG 7.1 Khuếch đại vi sai Các bộ khuếch đại vi sai đáp ứng lại sự sai khác giữa tín hiệu vào (và đơi cịn gọi bộ khuếch đại khác biệt) là một lớp các mạch điện rất hữu dụng Bộ khuếch đại có 2 đầu vào nối với hai điện áp v+ và v, và đầu ra là vo, tất cả các điện áp được tham chiếu đến đất chung giữa hai nguồn cung cấp là VCC và VEE BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Trong hầu hết các ứng dụng, VCC 0 và VEE 0, và các hiệu điện thế này thường là đối xứng, ví dụ ±5V, ±12V, ±15V,±18V,±22V, v…v… Những điện áp cung cấp này sẽ giới hạn điện áp ra – VEE VO VCC Một cách đơn giản, các bộ khuếch đại thường được vẽ mà khơng chỉ rõ nguồn cung cấp, như trong Hình 7.1.2(a), nối đất, Hình 7.1.2(b)nhưng phải nhớ rằng BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG nguồn và nối đất ln phải có trong khi triển khai mạch thực tế Hình 7.1.1 Khuếch đại vi sai cộng với nguồn cung cấp BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Hình 7.1.2 (a) Khuếch đại (khơng bao gồm nguồn cung cấp) (b) Khuếch đi vi sai mặc định đã nối đất BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Mơ hình mạch khuếch đại vi sai Với mục đích phân tích tín hiệu, mạch khuếch đại vi sai có thể được biểu diễn bởi trở kháng vào Rid, trở kháng ra Ro, và nguồn điều khiển Avid như hình 7.1.3 Hình 7.1.3 Khuếch đại vi sai BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG A = hệ số khuếch đại điện áp (hệ số khuếch đại điện áp hở mạch) vid = (v+ v) = điện áp vào vi sai (7.1.1) Rid = trở kháng vào bộ khuếch đại R0 = trở kháng ra bộ khuếch đại Tín hiệu điện áp tạo ra ở đầu ra bộ khuếch đại có cùng pha với đầu vào + và ngược pha 1800 với đầu vào BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Hai đầu v+ và v do đó được xem như là đầu vào thuận và đảo Hình 7.1.4 Khuếch đại được nối với nguồn và tải BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Trong ứng dụng tiêu biểu, khuếch đại được điều khiển bởi một nguồn tín hiệu có điện áp tương đương Thévenin vs và trở kháng Rs và được kết nối đến một tải được biểu diễn bởi RL, như trong hình 7.1.4 Với mạch đơn giản này, điện áp ra có thể được viết phụ thuộc nguồn đầu vào như sau: vo Avid RL Ro RL (7.1.2) Và điện áp vid là BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 10 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Trong đó ID và VD thể hiện là các giá trị của điểm phân cực một chiều, vd id là các thay đổi nhỏ so với điểm Q. Các thay đổi về điện áp và dịng điện được chỉ ra bằng hình vẽ trên hình 7.6.2. Khi điện áp diode tăng nhẹ, thì dịng điện cũng tăng lên một chút. Xét với những thay đổi nhỏ, id được coi là tuyến tính (nghĩa là tăng theo cùng tỷ lệ) với sự thay đổi của vd và tỷ lệ khơng đổi này được gọi là hằng số điện dẫn của diode gd: id g d vd (7.6.2) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 88 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 89 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Hình 7.6.2 Quan hệ giữa lượng tăng nhỏ của điện áp và dịng điện xét tại điểm hoạt động của diode (ID, VD). Đối với thay đổi nhỏ id = gdvd Như được chỉ ra trên hình 7.6.2, độ điện dẫn gd của diode thực chất thể hiện đường đặc trưng diode tại điểm Q. gd được viết như sau: gd iD vD Q po int vd I S exp vD VT Q po int BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 90 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Trong đó chúng ta đã sử dụng mơ hình tốn hoc cho iD và gd IS v exp D VT VT Q po int IS V exp D VT VT Khi phân cực thuận với ID ID IS VT (7.6.3) IS độ dẫn của diode trở thành gd ID hoặc g d VT ID 0.025V 40 I D BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ (7.6.4) 91 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG Tại nhiệt độ phòng. Chú ý rằng gd là nhỏ nhưng sẽ khơng về 0 khi ID = 0 bởi vì đường đặc trưng của diode khác khơng tại gốc, như được chỉ ra trên hình 7.6.3 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 92 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Hình 7.6.3 Độ điện dẫn diode khác khơng khi ID = 0 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 93 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG 7.6.2 Mơ hình hóa tín hiệu nhỏ của diode Bây giờ chúng ta sẽ sử dụng biểu thức của diode để tìm hiểu một cách đầy đủ hơn về hoạt động với tín hiệu nhỏ của diode và định nghĩa một cách cụ thể vd id lớn đến mức nào trước khi biểu thức (7.6.2) khơng cịn chính xác Sự liên hệ giữa các giá trị một chiều và xoay chiều có thể được dẫn ra trực tiếp từ biểu thức của diode: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 94 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG iD I S exp vD VT (7.6.5) Thay thế (7.6.1) vào (7.6.5) ta được: I D id I S exp VD vd VT I S exp v VD exp d VT VT (7.6.6) Và khai triển Maclourin ở vế thứ hai ta được: ID id IS exp VD VT vd VT vd VT vd VT BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ (7.6.7) 95 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Gộp các thành phần một chiều và xoay chiều với nhau ta có: ID id V I S exp D VT V I S exp D VT vd VT vd VT vd VT (7.6.8) Chúng ta nhận ra thành phần thứ nhất vế bên phải của biểu thức (7.6.8) chính là giá trị dịng một chiều của diode ID: ID V I L exp D VT VD và I S exp VT ID IS BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ (7.6.9) 96 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Loại bỏ ID khỏi hai vế của biểu thức ta được một biểu thức thể hiện sự liên hệ của id tính theo vd: id ID IS vd VT vd VT vd VT (7.6.10) Ta muốn rằng dịng của tín hiệu id phải là một hàm tuyến tính của tín hiệu điện áp vd. Sử dụng chỉ 2 thành phần đầu tiên của biểu thức (7.6.10), ta sẽ thấy rằng tính chất tuyến tính như u cầu: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 97 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG vd VT vd VT hoặc vd 2VT 0.05V (7.6.11) Nếu mối quan hệ trong (7.6.11) được thỏa mãn, biểu thức (7.6.10) có thể được viết lại: id ID IS vd VT hoặc id g d vd và iD BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ID g d vd (7.6.12) 98 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Hình 7.6.4 (a) diode. (b) mơ hình tín hiệu nhỏ cho diode Trong đó gd là độ điện dẫn tín hiệu nhỏ của diode được nhắc đến đầu tiên biểu thức (7.6.3) Biểu thức BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 99 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG (7.6.12) khẳng định rằng dịng điện tổng của diode sẽ bằng dịng một chiều ID (tại điểm Q) cộng với một thay đổi nhỏ (id = gdvd) mà liên hệ tuyến tính với điện áp thay đổi vd trên diode Giá trị gd độ dẫn của diode, hay là điện trở tương đương rd của diode, được xác định bởi điểm hoạt động của diode như trong biểu thức (7.6.4): gd ID IS VT ID VT 40 I D và rd gd BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ (7.6.13) 100 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Diode và mơ hình tín hiệu nhỏ tương ứng của nó, thể hiện bởi điện trở rd, được đưa ra trên hình 7.6.4 Biểu thức (7.6.11) xác định u cầu cho hoạt động với tín hiệu nhỏ của diode. Sự dịch chuyển của điện áp diode ra khỏi giá trị điểm Q cần phải nhỏ hơn nhiều so với 50mV Tỷ số 10 là một giá trị thích hợp được chọn cho u cầu này có nghĩa là vd 0.005V cho hoạt động với tín hiệu nhỏ. Thực ra đây là một thay đổi khá nhỏ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 101 BÀI 7 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Tuy nhiên cần chú ý rằng thay đổi lớn nhất của tín hiệu nhỏ đối với điện áp diode tạo ra một thay đổi đáng kể cho dịng điện của diode: id g d vd 0.005V ID 0.0025V 0.2 I D (7.6.14) Thay đổi 5mV của điện áp diode tương ứng với thay đổi 20% giá trị dòng trên diode. Sự thay đổi này là do liên hệ hàm số mũ giữa dòng điện và điện áp trên diode BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 102 ... hình? ?7. 3.3 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 31 BÀI? ?7? ?KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Hình? ?7. 3.3 Dịng thử được đưa vào khuếch đại để tính? ?điện? ? trở ra: Rout = vx/ix BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 32 BÀI? ?7? ?KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG... v1 (7. 3. 17) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 37 BÀI? ?7? ?KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG Hình? ?7. 3.4 Mạch khuếch đại khơng đảo Tuy nhiên, giả thiết 1 u cầu rằng vid = 0, vì vậy: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ... tương tự như công thức (7. 3.6) cho i2: i2 v vo R2 vo R2 (7. 3.9) Thay công thức (7. 3.6) (7. 3.9) vào công thức (7. 3.3) tạo ra: vs R1 vo R2 (7. 3.10) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 27 BÀI? ?7? ?KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN VÀ ỨNG DỤNG