Chương 1. Khuếch đại thuật toán. Thiết kế mạch điện tử tương tự từ biểu thức toán. Thiết kế mạch điện tử tương tự từ sơ đồ cấu trúc điều khiển.
Thiết kế mạch điện tử tương tự từ đồ thị Bode. Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1 CHƢƠNG 1. KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Ngày nay IC analog sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử. Khi sử dụng chúng cần đấu thêm các điện trở, tụ điện, điện cảm tùy theo từng loại và chức năng của chúng.
Sơ đồ đấu cũng như trị số của các linh kiện ngoài được cho trong các sổ tay IC analog. Các IC analog được chế tạo chủ yếu dưới dạng khuếch đại thuật toán (như một mạch khuếch đại lý tưởng) thực hiện nhiều chức năng trong các máy điện tử một cách gọn - nhẹ - hiệu suất cao. Chương này sẽ giới thiệu về IC khuếch đại thuật toán (Mục 1.1), đặc tính truyền đạt (Mục 1.2), mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng (Mục 1.3), các cấu hình được thực hiện bởi khuếch đại thuật toán (Mục 1. Giới thiệu chung Khuếch đại thuật toán [1]; [2]; [3]; [5]; [7]; [8] (tiếng Anh: operational amplifier), thường được gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai và thông thường có đầu ra đơn.
Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra. Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều các thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa học. Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất rẻ. Các thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đâyvà một số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không làmhư hỏng.
Danh từ "Khuếch đại thuật toán" (OA- Operational Amplifier) thuộc về bộ khuếch đại dòng một chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai và một đầu ra chung. Tên gọi này có quan hệ tới việc ứng dụng đầu tiên của chúng chủ yếu để thực hiện các phép tính cộng, trừ, tích phân, vi phân… Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực. Ký hiệu quy ước của một bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) cho trên Hình 1.1với đầu vào không đảo (ký hiệu bằng dấu “+”) và đầu thứ hai là đầu vào đảo (ký hiệu bằng Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.Ký hiệu khuếch đại thuật toán trong sơ đồ mạch điện tử Khi có tín hiệu đưa vào đầu không đảo thì gia số tín hiệu ra cùng dấu (cùng pha) với gia số tín hiệu vào.Nếu tín hiệu được đưa vào đầu vào đảo thì gia số tín hiệu ra ngược dấu (ngược pha) so với gia số tín hiệu vào. Đầu vào đảo thường được dùng để thực hiện phản hồi âm bên ngoài cho KĐTT.
Cấu tạo cơ sở của KĐTT là các tầng vi sai dùng làm tầng vào và tầng giữa của bộ khuếch đại. Tầng ra của KĐTT thường là tầng lặp phát (CC) đảm bảo khả năng tải yêu cầu của các sơ đồ.Vì hệ số khuếch đại của tầng lặp phát gần bằng 1 nên hệ số khuếch đại đạt được nhờ tầng vào và các tầng khuếch đại trung gian mắc giữa tầng vi sai và tầng ra.Tuỳ thuộc vào hệ số khuếch đại của KĐTT mà quyết định số lượng tầng trung gian.Ngoài ra KĐTT còn có các tầng phụ như tầng dịch mức điện áp một chiều, tầng tạo nguồn ổn dòng, mạch hồi tiếp. Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.Sơ đồ cấu tạo bên trong của khuếch đại thuật toán µA741 Mặc dù các thiết kế có thể khác nhau giữa các sản phẩm và các nhà chế tạo, nhưng tất cả các mạch khuếch đại thuật toán đều có chung những cấu trúc bên trong, bao gồm 3 tầng: Mạch khuếch đại vi sai: Tầng khuếch đại đầu vào, tạo ra độ khuếch đại tạp âm thấp, tổng trở vào cao, thường có đầu ra vi sai. Mạch khuếch đại điện áp: Tầng khuếch đại điện áp, tạo ra hệ số khuếch đại điện áp lớn, độ suy giảm tần số đơn cực, và thường có ngõ ra đơn.
Mạch khuếch đại đầu ra: 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. Gƣơng dòng điện: Các phần mạch điện được tô màu đỏ cam là các gương dòng điện. Dòng điện ban đầu để có thể sinh ra các dòng điện khác được xác định bởi điện áp cấp nguồn và điện trở 39kΩ cùng với 2 mối nối pn tạo ra. Dòng điện được tính gần đúng bằng: (𝑉𝑠+ − 𝑉𝑠− − 2𝑉𝑏𝑒 )/39𝑘𝛺.
Trạng thái của tầng khuếch đại đầu vàođược điều khiển bởi hai gương dòng Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 điện bên phía trái. Q10 and Q11 hình thành một nguồn dòng Widlar trong đó điện trở 5kΩ 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 gương dòng điện Q8 và Q9 sẽ cố bám theo độ lớn của dòng cực thu Q3 và Q4. Dòng nay 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 gương 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 hướngđồng 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. Gương dòng điện ở góc trái trên Q12/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: Phần mạch điện tô màu xanh dương đậm là một tầng khuếch đại vi sai. 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 của Vbe rating cho các transistor đầu vào.
Mạch khuếch đại vi sai Q1 - Q4 sẽ kéo một tải tích cực là gương dòng điện Q5 - 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 cộng lại với nhau.
Đối với nguồn vi sai đầu vào, tín Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 hiệu của Q3 và Q4 bằng và ngược dấu với nhau. Như thế, tổng 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. Điện áp tín hiệu hở mạch xuất hiện ở điểm này do tổng dòng điện trên, các điện trở cực thu của Q4 và Q6 nối song song.
Do điện trở cực thu của Q4 và Q6 đối với tín hiệu sẽ rất lớn, nên độ li75 của điện áp hở mạch của tầng này sẽ rất lớn. 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 2MΩ. Chân "offset null" có thể được dùng để lắp các điện trở ngoài song song với điện trở 1kΩ (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: Phần nằm trong khối màu tím là một mạch khuếch đại lớp A.
Nó bao gồm 2 transistor NPN nối Darling ton 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.Kỹ thuật này gọi là bù kiểu Miller và chức năng của nó giống như một mạch tích phân dùng mạch khuếch đại thuật toán. Đặc tuyến biên độ tần số của nó có độ dốc bắt đầu từ 10Hz và giảm 3dB/bát độ theo tần số. Nó sẽ kết thúc khi độ lợi giảm xuống một.
Mạch định thiên đầu ra: Khối màu xanh lá cây (Q16) là một mạch dời mức điện áp hoặc một mạch nhân Vbe, một dạng của nguồn điện áp. Trong mạch điện như hình vẽ, 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. 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.
Do đó, nó sẽ duy trì điện áp trên 2 đầu transistor và 2 điện trở là 0. Nó sẽ định thiên cho 2 transistor đầu ra ở vùng dẫn gần và giảm méo xuyên tâm.Trong một số mạch khuếch đại linh kiện rời, chức năng này được thực Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.