MỞ ĐẦU Đây là một mô đun chuyên ngành được học sau khi học viên đã hoàn tất các mô đun hổ trợ trước đó như: Linh kiện điện tử, mạch điện tử. Sự phát triển của công nghệ vi mạch đã làm gia tăng khả năng ứng dụng điện tử trong nhiều lĩnh vực. Do mật độ tích hợp ngày càng cao nên thiết bị có nhiều tính năng hơn, giảm kích thước cũng như giá thành, quá trình thiết kế và thi công đơn giản, hoạt động với độ ổn định rất cao. Chính vì vậy việc nắm bắt được cấu tạo và nguyên lý hoạt động các hệ dùng vi mạch nói chung và vi mạch tương tự nói riêng là điều rất cần thiết cho công tác vận hành cũng như sửa chữa của người công nhân ngành sửa chữa thiết bị điện tử công nghiệp.
Giáo trình được xắp xếp theo trình tự phù hợp giúp cho người học đạt được các mục tiêu chính như + Hiểu được cấu tạo, đặc tính của các họ vi mạch tương tự mà cơ bản nhất là op-amp + Nắm được các ứng dụng cơ bản và thông dụng của op-amp + Giải thích được các sơ đồ ứng dụng thực tế. + Lắp ráp và sửa chữa được các thiết bị điện tử dùng vi mạch tương tự. + Xác định được các nguyên nhân gây hư hỏng thường xảy ra trong thực tế + Sửa chữa và thay thế linh kiện hư hỏng + Kiểm tra được điều kiện hoạt động của thiết bị. - 10 - BÀI 1: KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Mã bài: MĐ12-1 Giới thiệu 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 chương này ta xét các khuếch đại thuật toán và một số ứng dụng của chúng. Mục tiêu: - Trình bày được nguyên lý cấu tạo, các đặc tính cơ bản của khuếch đại thuật toán - Nhận dạng được các loại IC khuếch đại thuật toán thông dụng trong thực tế - Tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập 1.
Khái niệm Hình 1. Ký hiệu op- amp Khuếch đại thuật toán (KĐTT) ngày nay được sản xuất dưới dạng các IC tương tự (analog). Có từ "thuật toán" vì lần đầu tiên chế tạo ra chúng người ta sử dụng chúng trong các máy điện toán. Do sự ra đời của khuếch đại thuật toán mà các mạch tổ hợp analog đã chiếm một vai trò quan trọng trong kỹ thuật mạch điện tử.
Trước đây chưa có khuếch đại thuật toán thì đã tồn tại vô số các mạch chức năng khác nhau. Ngày nay, - 11 - nhờ sự ra đời của khuếch đại thuật toán số lượng đó đã giảm xuống một cách đáng kể vì có thể dùng khuếch đại thuật toán để thực hiện các chức năng khác nhau nhờ mạch hồi tiếp ngoài thích hợp. Trong nhiều trường hợp dùng khuếch đại thuật toán có thể tạo hàm đơn giản hơn, chính xác hơn và giá thành rẻ hơn các mạch khuếch đại rời rạc (được lắp bằng các linh kiện rời ). Ta hiểu khuếch đại thuật toán như một bộ khuếch đại lý tưởng : có hệ số khuếch đại điện áp vô cùng lớn K → ∞, dải tần số làm việc từ 0→ ∞, trở kháng vào cực lớn Zv → ∞, trở kháng ra cực nhỏ Zr → 0, có hai đầu vào và một đầu ra.
Thực tế người ta chế tạo ra KĐTT có các tham số gần được lý tưởng.1a là ký hiệu của KĐTT : KĐTT ngày nay có thể được chế tạo như một IC hoặc nằm trong một phần của IC đa chức năng. Tên gọi, khuếch đại thuật toán“ trước đây dùng để chỉ một loại mạch điện được sử dụng trong máy tính tương tự, nhiệm vụ mạch này nhằm thực hiện các phép tính như: Cộng, trừ, vi phân, tích phân .Khuếch đại thuật toán được viết tắt là OPs hoặc op-amp. Hiện nay, người ta sản xuất khuếch đại thuật toán dựa trên kỹ thuật mạch đơn tinh thể và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật tương tự. Điện áp một chiều cung cấp cho khuếch đại thuật toán là điện áp đối xứng ± VS, thông thường trong sơ đồ mạch không vẽ các chân cung cấp điện áp này.
Tuy nhiên, trong các ứng dụng khuếch đại tín hiệu xoay chiều có thể sử dụng nguồn cấp điện đơn cực như + VS hoặc – VS so với masse. Khuếch đại thuật toán có hai ngõ vào ký hiệu là +Vin còn được gọi là ngõ vào không đảo hoặc ngõ vào P (positive) và ngõ vào -Vin còn gọi là ngõ vào đảo hoặc ngõ vào N(negative) như ở hình 1. Tín hiệu ở ngõ vào không đảo cùng pha với tín hiệu ra và tín hiệu ở ngõ vào đảo thì ngược pha với tín hiệu ngõ ra Điện áp một chiều cung cấp cho khuếch đại thuật toán là điện áp đối xứng ± UB, thông thường trong sơ đồ mạch không vẽ các chân cung cấp điện áp này. Tuy nhiên, trong các ứng dụng khuếch đại tín hiệu xoay chiều có thể sử dụng nguồn cấp điện đơncực như + UB hoặc – UB so với masse.
- 12 - Khuếch đại thuật toán có hai ngõ vào ký hiệu là E+ còn được gọi là ngõ vào không đảo hoặc ngõ vào P (positive) và ngõ vào E- còn gọi là ngõ vào đảo hoặc ngõ vào N(negative) như ở hình 1. Tín hiệu ở ngõ vào không đảo cùng pha với tín hiệu ra và tín hiệu ở ngõ vào đảo thì ngược pha với tín hiệu ngõ ra Đặc tính của opamp Ký hiệu ngõ ra là A, thông thường một vi mạch khuếch đại thuật toán có tối thiểu 5 chân ra đó là: 2 chân tín hiệu vào, một chân tín hiệu ra và 2 chân cấp điện một chiều, trong bảng dưới đây trình bày đặc tính của một khuếch đại thuật toán lý tưởng so sánh với khuếch đại thuật toán thực tế. Hiện nay hệ số khuếch đại mạch hở V0 và điện trở ngõ vào re của khuếch đại thuật toán thực tế cũng rất gần với các giá trị lý tưởng. Cấu trúc của họ C khuếch đại thuật toán thông dụng 2.1 Giới thiệu Tên gọi „khuếch đại thuật toán“ trước đây dùng để chỉ một loại mạch điện được sử dụng trong máy tính tương tự, nhiệm vụ mạch này nhằm thực hiện các phép tính như: Cộng, trừ, vi phân, tích phân .Khuếch đại thuật toán được viết tắt là OPs hoặc op-amp.
Hiện nay, người ta sản xuất khuếch đại thuật toán dựa trên kỹ thuật mạch đơn tinh thể và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật tương tự. Cấu tạo bên trong của khuếch đại thuật toán khá phức tạp, gồm nhiều linh kiện như: Điện trở, diode, transistor.và ngõ ra là một tầng khuếch đại công suất đẩy kéo, có thể nói khuếch đại thuật toán là một linh kiện điện tử phức hợp với một số thông số xác định mà nhờ đó trong các ứng dụng có thể giãm được số lượng các linh kiện ngoài cần thiết và việc tính toán hệ số khuếch đại của - 13 - mạch cũng trở nên đơn giản hơn.3 trình bày ký hiệu điện của khuếch đại thuật toán.1 Cấu trúc mạch điện Khuếch đại gồm nhiều tầng khuếch đại ghép trực tiếp với nhau và được chế tạo dưới dạng một vi mạch, các tầng này được chia thành 3 khối cơ bản như sau: Khối ngõ vào. Khối khuếch đại điện áp. Khối ngõ ra.
Cấu trúc chung của họ IC khuếch đại thuật toán Số lượng transistor, điện trở trong các loại khuếch đại thuật toán khác nhau thường không giống nhau. Trong thực tế sử dụng chỉ cần quan tâm đến khối vào và khối ra của khuếch đại thuật toán.2 trình bày cấu tạo của vi mach μA709 Khối vào là một khuếch đại vi sai BJT gồm hai transistor ráp theo kiểu khuếch đại cực phát chung, hai transistor này có thể dùng loại transistor trường nhằm tăng điện trở ngõ vào re của mạch, để hạn chế mức điện áp vào vi sai giữa E+ và E- không quá lớn, ở một vài loại khuếch đại thuật toán có đặt các diode song song ngược chiều nhau ở hai ngõ vào này. - 14 - Tiếp theo khối vào là khối khuếch đại điện áp cũng gồm một hoặc nhiều tầng khuếch đại vi sai tùy theo từng loại khuếch đại thuật toán, tín hiệu ra của khối này sẽ điều khiển khối khuếch đại công suất ở ngõ ra. Cấu tạo khối ra có thể là một mạch khuếch đại đơn với cực thu để hở (open collector), nhưng thông dụng nhất là một mạch khuếch đại đãy-kéo (push pull) tải cực phát nhằm mục đích giảm điện trở ngõ ra và nâng cao biên độ điện áp ra.3 trình bày hai dạng cấu tạo ngõ ra của khuếch đại thuật toán.
Ngõ ra đẩy kéo b. Ngõ ra cực thu để hở Hình 1.3 Cấu tạo hai mạch ngõ ra Đối với loại ngõ ra khuếch đại đẩy kéo, điện trở ra ra vào khoảng từ 30 Ω đến 100 Ω và dòng tải lớn nhất tùy theo từng loại mạch có thể từ 10 mA đến 25 mA còn dòng tải củaloại cực thu để hở khoảng 70 mA. Hiện nay, các vi mạch khuếch đại thuật toán đều được chế tạo với ngõ ra có khả năng tự bảo vệ ngắn mạch. Sơ đồ mạch điện của IC khuếch đại thuật toán 741 Tầng thứ nhất là tầng khuếch đại vi sai đối xứng trên T1 và T2.
Để tăng trở kháng vàochọn dòng colectơ và emitter của chúng nhỏ, sao cho hỗ dẫn truyền đạt nhỏ. Có thể thay T1 và T2 bằng transistor trường để tăng trở - 15 - kháng vào T3, T4, R3, R4, và R5 tạo thành nguồn dòng (ở đây T4 mắc thành điôt để bù nhiệt ) Tầng thứ hai là khuếch đại vi sai đầu vào đối xứng, đầu ra không đối xứng: emitter của chúng cũng đấu vào nguồn dòng T3. Tầng này có hệ số khuếch đại điện áp lớn. Tầng thứ ba là tầng ra khuếch đại đẩy kéo T9 – T10 mắc colectơ chung, cho hệ số khuếch đại công suất lớn, trở kháng ra nhỏ.
Giữa tầng thứ hai và tầng ra là tầng đệm T7,T8 nhằm phối hợp trở kháng giữa chúng và đảm bảo dịch mức điện áp. ở đây T7 là mạch lặp emitter, tín hiệu lấy ra trên một phần của tải là R9 và trở kháng vào của T8. Tầng T8 mắc emitter chung.
