CHƯƠNG 2. CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG MÁY PHÁT TẦN SỐ
2.3 Công nghệ khuếch đại điện áp dải rộng dùng phần tử khuếch đại thuật toán
Bộ khuếch đại hoạt động ( Op Amp ) là một trong những thiết bị điện tử được dùng phổ biến và đa dạng nhất cho các ứng dụng tuyến tính. Trong bộ khuếch đại này, mạch phản hồi điều khiển toàn bộ các đặc trưng của nó. Các Op Amp phổ biến bởi vì giá của chúng thấp, dễ sử dụng và khá hấp dẫn khi làm việc với chúng.
Cấu tạo các mạch hữu ích không cần phải biết về mạch bên trong vô cùng phức tạp của chúng. Thuật ngữ “ hoạt động” trong bộ khuếch đại hoạt động thay thế cho các phép tính toán học, những phép tính này phù hợp cho các máy tính kỹ thuật số do bởi tốc độ, độ chính xác và tính đa dạng của chúng.
2.3.1 Các khối của OP - AMP
Hình 2.11 Sơ đồ khối của OP- AMP
Tầng nhập: bao gồm 2 ngừ vào hoạt động theo kiểu khuếch đại vi sai, ngừ ra cân bằng. Tầng này cung cấp hầu như toàn bộ độ lợi về điện áp và quyết định trở kháng vào của OP-AMP.
Tầng trung gian: là một mạch khuếch đại vi sai khỏc được điều khiển bởi ngừ ra của tầng đầu tiờn, cú ngừ ra khụng cõn bằng, hai ngừ vào. Do ghộp trực tiếp nờn ngừ ra của tầng trung gian là một mức DC nào đú.
Tầng dịch mức: dời mức DC của tầng trung gian đưa tới gần bằng 0V.
Tầng xuất: làm tăng độ dao động của điện áp và khả năng cấp dòng của OP- AMP.
Tầng dịchmức
Tầng trunggian
Tầng nhập
Ngừ vào đảo Ngừ vào không đảo
Tín hiệu ra
Tầng xuất
2.3.2 Bộ khuếch đại vi sai
Chức năng của bộ khuếch đại vi sai là để khuếch đại hiệu giữa hai tín hiệu lối vào. Bộ khuếch đại này được sử dụng trên một dải tần số tương đối rộng từ tín hiệu không đổi ( DC ) cho đến dải biến đổi ( hàng MHz ). Nó cũng là một tầng cơ sở của bộ khuếch đại thuật toán vi mạch với các lối vào vi sai.
Hình 2.12 Sơ đồ khối bộ khuếch đại vi sai
Hình 2.12 mô tả một thiết bị hoạt động tuyến tính với hai tín hiệu vào v1, v2 và một tín hiệu lối ra v0 ( mỗi cái được đo so với đất ). Đối với bộ khuếch đại lý tưởng
thì tín hiệu lối ra v0 phải được biểu diễn bằng:
v0 = Ad( v1-v2)
Trong đó Ad là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại vi sai. Như vậy có thể thấy rằng bất kỳ một tín hiệu nào tác động chung lên cả hai lối vào sẽ không có mặt ở lối ra. Tuy nhiên, trên thực tế, bộ khuếch đại vi sai không được biểu thị bởi phương trình trên bởi vì tính hiệu lối ra phụ thuộc không chỉ vào hiệu của các tín hiệu vào vd
mà còn phụ thuộc vào mức trung bình hay còn gọi là tín hiệu mốt chung vc : vd ≡ v1 và vc ≡ (1/2) (v1 + v2)
Chẳng hạn, nếu tín hiệu là +50 uV và tín hiệu thứ hai là -50uV, thì lối ra sẽ không phải hoàn toàn chính xác như v1 = 1050uV và v2 = 950uV, mặc dù vd = 100uV là như nhau trong hai truờng hợp.
Đặc trưng cho độ tin cậy của một bộ khuếch đại vi sai, người ta dùng một đại lượng gọi là “ tỷ số thoát mốt - cộng “.
c d
A CMRR =ρ= A
Ad hệ số khuếch đại thế đối với tín hiệu vi sai.
Ac hệ số khuếch đại thế đối với tín hiệu mốt – công Thiết bị hoạt
động tuyến tính
V1 V2
V0 = Ad (V1 – V2)
Người ta có thể đi Ad một cách trực tiếp bằng cách cho v1 = - v2 = 0.5V, như vậy vd = 1V và vc bằng 0V. Dưới điều kiện này thế lối ra v0 đo được chính là hệ sô khuếch đại Ad cho tín hiệu vi sai. Tương tự v1 = v2 =1V khi đó vd =0V và vc = Ac. Thế lối ra bây giờ là số đo trực tiếp của hệ số khuếch đại mốt - cộng Ac.
Với định nghĩa trên, thế lối ra của bộ khuếch đại vi sai được biểu diễn dưới dạng:
1 ) 1
0 (
d c d
d v
v v A
v = + ρ
Từ biểu thức trên ta thấy đối với bộ khuếch đại vi sai phẩm chất cao thì hệ số thoát mốt cộng phải có giá trị lớn. Chẳng hạn, nếu ρ =1000, vc = 1mV, vd = 1uV, thì số thoát mốt - cộng bằng 1000, hiệu thế = 1 V giữa hai lối vào sẽ cho cùng một thế lối ra như khi một tín hiệu = 1mV tác động vào cả hai lối vào với cùng chiều phân cực.
2.3.3 Bộ khuếch đại vi sai liên kết emitơ
Bộ khuếch đại thuật toán hoạt động cả ở tần số bằng không, do vậy các bộ khuếch đại liên kết trực tiếp không thể sử dụng tụ điện được. Hơn nữa trong vi mạch việc thực hiện các tụ điện có điện dung lớn là điều khó khăn. Vì vậy trong bộ khuếch đại liên kết trực tiếp, bất kỳ sự thay đổi nào về giá trị các thông số của mạch, đều dẫn đến sự thay đổi lối ra, thậm chí ngay cả khi thế lối vào được giữ không đổi. Có rất nhiều kỹ thuật để giảm thiểu những sự thay đổi như vậy ở lối ra, trong đó có bộ khuếch đại vi sai liên kết emitơ ở lối vào của các bộ khuếch đại thuật toán có độ trôi dịch ở lối ra rất thấp vì tính chất đối xứng trong cấu trúc của các mạch IC. Ngoài ra bộ khuếch đại này còn cho một điện trở vào có giá trị khá cao và nhiều tính chất khác gần giống với các đặc trưng lý tưởng.
Hình 2.13 Bộ khuếch đại vi sai liên kết emitơ đối xứng
Trong sơ đồ này điện trở RE có giá trị lớn, do vậy tỉ số thoát mốt - cộng có giá trị cao. Điều này được kiểm chứng bằng cách sau:
Nếu Vs1 = Vs2 = Vs, khi đó Vd =Vs1 – Vs2 =0 và V0 = AcVs. Nhưng nếu Rc = ∞ , I0 ≠ 0 và do tính chất đối xứng , ta thu được : Ic1 = Ic2 = 0. Nếu Ib2 << Ic2 thì Ic2 gần bằng Ie2 do đó suy ra rằng V0 = 0. Vì vậy hệ số khuếch đại mốt - cộng Ac sẽ rất nhỏ nên tỉ số thoát mốt - cộng rất lớn đối với các giá trị Re lớn và mach đối xứng tốt.
2.3.4 Dòng và thế sai số offset
Do sự không đồng nhất của các tranzito lối vào đã dẫn đến sự không đồng đều dòng phân cực đi qua các đầu vào bộ khuếch đại thuật toán và do vậy đòi hỏi một thế offset lối vào tác động vào hai lối vào để cân bằng lối ra của bộ khuếch đại.
Trong phần này, ta đề cập đến các dòng và thế sai số có thể đo được ở lối vào và ở lối ra. Kỹ thuật cân bằng tổng hợp được áp dụng để cân bằng thế offset. Có nghĩa là ta phải tác dụng một thế một chiều (DC) nhỏ ở lối vào để sao cho thế lối ra DC bằng 0. Kỹ thuật thiết kế ở đây không phải liên quan đến các mạch ở bên trong bộ khuếch đại .
Hình 2.14 Kỹ thuật cân bằng thế offset tổng hợp
Hình a) nạp thế nhỏ nối tiếp với lối vào không đảo, Nạp thế nhỏ nối tiếp với lối vào không đảo trong một vùng ± V [R2/(R2+R3) ] = ±15mV nếu thế nguồn nạp
±15V được sử dụng và R3 = 100 Ω. Mạch này rất hiệu dụng để cân bằng các bộ khuếch đại đảo ngay cả khi yếu tố phản hồi R’ là một tụ điện hoặc là một phần tử phi tuyến. Nếu bộ khuếch đại thuật toán được sử dụng như một bộ khuếch đại không đảo, thì sơ đồ hình b) được sử dụng để cân bằng thế offset.
Công nghệ khuếch đại điện áp dải rộng dùng phần tử khuếch đại thuật toán được sử dụng rộng rãi trong công nghệ điện tử hiện nay với ưu điểm có khả năng tích hợp cao. Máy phát tần số mà chúng em chế tạo cũng dựa vào công nghệ này, chọn OPA2677 làm phần tử khuếch đại điện áp đầu ra.