CHƯƠNG 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.
Ở bài này ta xét các khái niệm cơ bản về khuếch đại thuật toán và hình dạng, thông số kỹ thuật của chúng. Khuếch đại vi sai a. Khái niệm Để khuếch đại tín hiệu có tần số rất thấp hay các tín hiệu biến thiên chậm và không có tính chu kỳ, người ta thường dùng mạch khuếch đại DC theo kiểu liên lạc trực tiếp. Mạch này có đáp ứng tần số rất thấp tốt nhưng lại có hiện tượng điện áp trôi.
Do đó để tránh hiện tượng điện áp trôi và tăng khả năng chống nhiễu ở các tầng khuếch đại đầu tiên người ta dùng mạch khuếch đại vi sai ( Differential Amplifier ). Dạng mạch căn bản: một mạch khuếch đại vi sai căn bản ở trạng thái cân bằng có dạng như hình 1. + +V VCCCC RRc1 C1 RC2 Rc2 v1 v2 v1 va va vb vb v2 Q1 Q2 RB2 RB1 Rb1 Rb2 R E -VEE -VEE Hình 1. Mạch khuếch đại vi sai căn bản - Mạch đối xứng theo đường thẳng đứng.
Các phần tử tương ứng giống nhau về mọi đặc tính: Rb1 = Rb2; Rc1 = Rc2 VCC = VEE 4 Q1 giống hệt Q2, thường được chế tạo trên cùng một mẫu tinh thể. - Mạch có hai ngõ vào là v1, v2 và hai ngõ ra là va, vb. - Có hai phương pháp lấy tín hiệu ra: + Phương pháp ngõ ra vi sai: tín hiệu được lấy ra giữa hai cực thu (C) + Phương pháp ngõ ra đơn cực: tín hiệu được lấy ra giữa một cực thu (C) và mass. - Mạch được phân cực bằng hai nguồn điện thế đối xứng ( âm, dương ) để có các điện thế ở cực nền bằng 0 volt.
Chế độ đồng pha - Khi tín hiệu vào v1 = v2 (cùng biên độ và cùng pha). Do mạch đối xứng, tín hiệu ở ngõ ra va = vb Như vậy: va = AC.v2 Trong đó AC là độ khuếch đại của một transistor và được gọi là độ lợi cho tín hiệu chung (common mode gain). Do v1 = v2 nên va = vb. Vậy tín hiệu ngõ ra vi sai va - vb =0.
- Khảo sát thông số của mạch: ta có v1 = v2 và va = vb Do mạch hoàn toàn đối xứng, ta chỉ cần khảo sát nửa mạch, nên chú ý vì có 2 dòng ie chạy qua nên phải tăng gấp đôi RE. ib +VCC + RC + .ib va vi RB ib RC va Q1 vi + - RB 2RE 2RE - -VEE ZC Z’C Hình 1. Sơ đồ mạch tương đương ở chế độ đồng pha Phân giải mạch ta tìm được: v RC R AC a C v1 re 2 RE 2.RE vi Z C RB // Z 'C với Z 'C (re 2 RE ) ib 5 c. Chế độ vi sai Lúc này v1 = -v2 (cùng biên độ nhưng ngược pha).
Do v1 = -v2 nên khi Q1 chạy mạnh thì Q2 chạy yếu và ngược lại nên va≠ vb. Người ta định nghĩa: va - vb = AVS( v1 - v2 ) AVS được gọi là độ lợi cho tín hiệu vi sai (differential mode gain). Như vậy ta thấy với ngõ ra vi sai, mạch chỉ khuếch đại tín hiệu vào vi sai (khác nhau ở hai ngõ vào) mà không khuếch đại tín hiệu vào chung (thành phần giống nhau). - Khảo sát thông số của mạch: Như vậy dòng điện tín hiệu luôn luôn ngược chiều trong 2 transistor và do đó không qua RE nên ta có thể bỏ RE khi tính AVS và ZVS.
ib1 ib2 v1 v2 RC RC .re va vb . Sơ đồ mạch tương đương ở chế độ vi sai va Ta có: .ib1 0 RC v v v v R và ib1 1 a 1 a C .re RC re v1 re va vb 2va va R Ngoài ra: AVS C v1 v2 2v1 v1 re Người ta thường để ý đến tổng trở giữa 2 ngõ vào cho tín hiệu vi sai hơn là giữa một ngõ vào với mass. Giá trị này gọi là Z’VS. Khi có RB thì ZVS = Z’VS //2RB v2 Cần chú ý là ib 2 ib1 .re Hệ thức này chứng tỏ giữa 2 ngõ vào chỉ có một dòng điện duy nhất chạy qua.
Từ đó người ta định nghĩa: v v 2v Z 'VS 1 2 1 2.re ib1 ib1 6 1. Khái niệm chung về IC khuếch đại thuật toán Vi mạch thuật toán hay còn gọi là khuếch đại thuật toán (KĐTT) là một thuật ngữ được đưa ra để chỉ một bộ khuếch đại đặc biệt có thể có nhiều cấu hình hoạt động khác nhau bằng cách ghép nối thích hợp các thành phần bên ngoài. Các bộ KĐTT được ứng dụng đầu tiên trong các máy tính tương tự với các phép tính số học đơn giản như cộng, trừ, nhân, chia, vi phân và tích phân. Khả năng này là kết quả của sự kết hợp giữa hệ số khuếch đại lớn và hồi tiếp âm.
Cùng với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật điện tử từ cấu tạo bằng những bóng chân không nặng nề, sau đến các BJT rời rạc, tới nay các bộ KĐTT đều ở dạng tích hợp. Việc này làm cho các bộ KĐTT trở nên gọn nhẹ, tiêu thụ ít năng lượng, làm việc ổn định và được ứng dụng rất rộng rãi. Cấu trúc chung của họ IC khuếch đại thuật toán thông dụng 1. Ta xét khuếch đại thuật toán lý tưởng: - Khuếch đại thuật toán có ký hiệu như hình 1.
Một OP-AMP lý tưởng có 2 ngõ vào và một ngõ ra so đất (điểm chung M).VD Ro V+ + N OUT 1 V Rd ~ 2 V D V- - V P N M P - V V V 4 N 0 0 -V+Vcc CC V N M M Hình 1. Ký hiệu OP-AMP lý tưởng Hình 1. Mô hình OP-AMP lý tưởng Ngõ vào có dấu (-) và chữ N gọi là ngõ vào đảo, có điện áp so với đất là VN Ngõ vào có dấu (+) và chữ P gọi là ngõ vào không đảo, có điện áp so với đất là VP Ngõ ra so với đất có điện áp là V0. OP-AMP có hai đường cấp nguồn là +VCC và –VCC, nguồn cung cấp là đối xứng với điểm M.
Trường hợp cấp nguồn đơn thì –VCC = 0V, tức là đầu – VCC nối với điểm chung M. + Mạch điện tương đương của OP-AMP được mô tả như hình 1.5: Trong đó VD là hiệu điện áp trên 2 ngõ vào: VD = VP – VN. Mạch vào có điện trở vào ký hiệu là Rd gọi là điện trở vào vi sai. 7 Mạch ra gồm một nguồn áp lệ thuộc vào Ad.Vd với điện trở ra là R0.
Quan hệ giữa điện áp ra V0 khi hở mạch và điện áp vi sai vào được cho bởi biểu thức: V0 = Ad(VP – VN) = Ad. Ad được gọi là hệ số khuếch đại vi sai - Các thông số lý tưởng của OP-AMP như sau:. Điện trở vào vô cùng lớn: Rd . Điện trở ra bằng 0: R0 0.
Hệ số khuếch đại vi sai vô cùng lớn: Ad . Dải thông tần ký hiệu là BW có độ rộng từ 0Hz đến . Điện áp ra V0 bằng 0 khi VN = VP : V0 0 khi VD = 0. Hệ quả: Vì Rd nên không có dòng vào trên 2 ngõ vào của OP-AMP, nghĩa là IN = IP = 0.
V0 Vì Ad nên VD 0 , nghĩa là luôn tồn tại biểu thức VP = VN. Ad Trạng thái mạch như hình 1.4 gọi là trạng thái khuếch đại vòng hở, có V0 = Ad.VD, với Ad nên V0 = , ta có V0 = + khi VD > 0 và V0 = - khi VD < 0. Nếu VP = 0 thì V0 ngược dấu với VN, nếu VN = 0 thì V0 cùng dấu với VP. Trong mạch khuếch đại OP-AMP, để mạch đơn giản người ta thường không vẽ nguồn cung cấp VCC nhưng ta ngầm hiểu là mạch đã được cấp nguồn.
* Chế độ vi sai và chế độ đồng pha: Một đặc tính quan trọng của vi mạch OP-AMP là khả năng khuếch đại với hệ số khuếch đại rất lớn đối với tín hiệu vi sai và hầu như không khuếch đại hay khuếch đại với hệ số khuếch đại rất nhỏ đối với tín hiệu đồng pha. Tín hiệu vi sai được hiểu là tín hiệu có cùng biên độ nhưng ngược pha nhau đặt trên hai ngõ vào của OP-AMP, tín hiệu đồng pha là tín hiệu có cùng biên độ và cùng pha trên hai ngõ vào của OP-AMP. Như vậy thực tế tín hiệu ở ngõ ra luôn luôn gồm hai thành phần, một thành phần do khuếch đại tín hiệu vi sai, một thành phần do khuếch đại tín hiệu đồng pha. Chế độ khuếch đại vi sai và đồng pha của vi mạch OP-AMP được mô tả như hình 1.6 với các định nghĩa như sau : 8 +Vcc +Vcc 8 8 P 3 P 3 V+ V+ + + 1 1 V OUT OUT D N 2 N2 V- V- - - V V P cm V V V 4 4 N -Vcc 0 -Vcc 0 .6 a) Chế độ khuếch đại vi sai b) Chế độ khuếch đại đồng pha - Hiệu của hai điện áp trên cửa vào OP-AMP gọi là điện áp vi sai vào : VD = VP - VN - Trung bình cộng của hai điện áp trên ngõ vào của OP-AMP được gọi là 1 điện áp vào đồng pha Vcm : Vcm (VP VN ) 2 - Hệ số khuếch đại vòng hở đối với điện áp vi sai, ký hiệu là A D hoặc G (gọi tắt là hệ số khuếch đại vi sai).
- Hệ số khuếch đại đối với điện áp đồng pha, ký hiệu là Acm (gọi tắt là hệ số khuếch đại đồng pha). - Điện áp ra ký hiệu là V0. Điện áp ra gồm hai thành phần : V0 AD .Vcm V0 AD khi Vcm = 0 VD V Acm 0 khi VD = 0 Vcm - Hệ số nén tín hiệu đồng pha, ký hiệu là CMRR (còn gọi là hệ số triệt hoặc khử tín hiệu đồng pha – Common Mode Rejection Ratio). A A CMRR D hoặc CMRR 20.