Chương 5: KHUẾCH ĐẠI VI SAI, KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
5.2. Khuếch đại thuật toán (OPAM)
5.2.1. Khái niệm về khuếch đại thuật toán
Bộ khuếch đại thuật toán (OPAM- Operational Aplifier) được ứng dụng để thiết kế mạch thực hiện các phép toán như: cộng, trừ, tích phân, vi phân …, ngoài ra bộ khuếch đại thuật toán còn được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử để thiết kế mạch điều khiển, mạch tạo xung, mạch ổn áp, mạch lọc tích cực…
a. Ký hiệu
OPAM có 2 đầu vào tín hiệu và một đầu ra:
Đầu vào không đảo (Positive) ký hiệu là VP (hoặc V+), trên sơ đồ ký hiệu dấu cộng (+), Đầu vào đảo (Negative) ký hiệu là VN ( hoặc V-), trên sơ đồ ký hiệu dấu trừ (-),
Đầu ra (out) ký hiệu là Vr ( hoặc V0 ).
Phương trình đặc tính khuếch đại của OPAM:
0( ) 0. 0
r P N
V K V V K U (5.30)
K0 là hệ số khuếch đại điện áp của OPAM ở chế độ tĩnh.
U0 là hiệu điện thế giữa hai đầu vào OPAM hay gọi điện áp vào vi sai.
P N
+
- VP
VN
Vr
+Vcc
-Vcc
OPAM
Hình 5.7. Ký hiệu OPAM b. Đặc tuyến truyền đạt
Xét bộ khuếch đại thuật toán từ biểu thức (5.30) và ký hiệu của OPAM ta có đáp ứng tín hiệu ngõ ra Ur theo các cách đưa tín hiệu ngõ vào như sau:
- Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass:
0( ) 0.
r P N N
U K V V K V (5.31)
điện áp ra ngược pha điện áp vào đảo
- Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo, ngõ vào đảo nối mass:
0( ) 0.
r P N P
U K V V K V (5.32)
điện áp ra cùng pha điện áp vào thuận
- Đưa tín hiệu vào đổng thời trên hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với mass):
0( ) 0 0.
r P N
U K V V K V (5.33)
Hệ số khuếch đại K0 còn được gọi hệ số khuếch đại riêng hay hệ số khuếch đại không có phản hồi hay hệ số khuếch đại mạch hở của bộ khuếch đại thuật toán, hệ số này có trị hữu hạn ở tần số thấp và nó có giá trị trong khoảng 104 đến 105.
Hình 5.8 là đặc tuyến truyền đạt mô tả sự phụ thuộc giữa điện áp ra và điện áp vào vi sai. Đặc tuyến chia làm 2 miền:
Hình 5.8. Đặc tuyến truyền đạt của OPAM
- Miền khuếch đại (Miền dốc): Điện áp ra phụ thuộc tuyến tính theo điện áp vào. Lúc này OPAM làm việc ở chế độ khuếch đại
Hệ số khuếch đại: K= r
v
UU
Ur, Uv: biến thiên điện áp tương ứng ở đầu ra, đầu vào. Nếu đặc tuyến càng dốc thì K càng lớn.
- Miền chuyển mạch (miền nằm ngang):Ứng điện áp vào thay đổi lớn, điện áp ra chỉ đạt hai giá trị +Urmax hoặc -Urmax, gọi là giá trị điện áp cực đại (thường nhỏ hơn giá trị nguồn cấp từ 1V đến 3V). Lúc này OPAM làm việc ở chế độ bão hòa hoặc cắt dòng.
Khi điện áp ra +Urmax, ứng OPAM làm việc ở miền bão hòa dương, điện áp ra là -Urmax, ứng miền bão hòa âm.
Trong thực tế, người ta rất ít khi sử dụng OPAM làm việc ở trạng thái vòng hở (mạch hở) vì tuy hệ số khuếch đại áp K rất lớn nhưng giới hạn điện áp ngõ vào mà OPAM 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 ± vcc. 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 K xuống một mức thích hợp. Lúc này vùng làm việc tuyến tính của OPAM sẽ rộng ra, OPAM làm việc trong chế độ này gọi là trạng thái vòng kín (close loop).
c. Cấu trúc bên trong của bộ khuếch đại thuật toán
Cấu trúc bên trong của bộ khuếch đại thuật toán như hình 5.9.
Hình 5.9. Cấu trúc bên trong của bộ khuếch đại thuật toán d. Đặc điểm của bộ khuếch đại thuật toán
Ur
-Ec2 +Ec1
UP UN
T9
T8 T7
T4 T3
T6
T1 T2
T5
R9 R1 R2
R10
R12 R11 R4
R8
R7 R3
R6 R5
Bộ khuếch đại thuật toán là một phần tử tích cực lý tưởng được sử dụng rộng rãi có các đặc điểm sau:
- Điện trở vào rất lớn có thể đạt hàng trăm đến hàng nghìn
- Điện trở ra nhỏ,
- Hệ số khuếch đại rất lớn,
- Làm việc ổn định, độ tin cậy cao,
- Khi muốn thay đổi tham số làm việc của mạch chỉ cần thay đổi các trị số của các linh kiện ở bên ngoài OPAM.
*/ Trong trường hợp coi OPAM là lý tưởng:
P N
V V I0 0
ZV , Zr 0’ K0
e. Giới thiệu một số vi mạch khuếch đại thuật toán thông dụng Vi mạch OPAM 741:
Hình 5.10. Sơ đồ chân của vi mạch 741 Vi mạch LM 324 (IC 324)
Hình 5.11 Sơ đồ chân vi mạch LM324
Vi mạch LM339