Chương 4 BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG 4. Giới thiệu Như đã nói ở các chương trên, 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. Danh từ: “khuếch đại thuật toán” (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 v.
Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực v. Cấu tạo + EC1 R4 R8 R1 R2 T7 T5 T6 R9 Uvk. Uvk + Ur R3 R7 R12 - EC2 Hình 4-1. Kí hiệu khuếch đại thuật toán Hình 4-2.
Sơ đồ nguyên lý mạch trong sơ đồ điện tử khuếch đại thuật toán ba tầng Kí hiệu quy ước của một khuếch đại thuật toán (OA) cho trên hình 4-1 với đầu vào Uvk (hay Uv+) gọi là đầu vào không đảo và đầu thứ hai Uvđ (hay Uv-) gọi là đầu vào đảo. Khi có tín hiệu 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 đảo thì gia số tín hiệu ra ngược dấu (ngược pha) so với gia số tín hiệu vào. Đầu vào đảo thường được thực hiện hồi tiếp âm bên ngoài cho OA.
Cấu tạo cơ sở của OA là các tầng vi sai dùng làm tầng vào và tầng giữa của bộ khuếch đại. Tầng ra OA thường là tầng lặp emitơ (CC) đảm bảo khả năng tải yêu cầu của các sơ đồ. Vì hệ số khuếch đại của tầng emitơ gần bằng 1, nên hệ số khuếch đại đạt được nhờ tầng vào và các tầng khuếch đại bổ sung mắc giữa tầng vi sai và tầng CC. Tùy thuộc vào hệ số khuếch đại của OA mà quyết định số lượng tầng giữa.
Trong 87 OA hai tầng (thế hệ mới) thì gồm một tầng vi sai vào và hai tầng bổ sung. Ngoài ra OA còn có các tầng phụ, như tầng dịch mức điện áp một chiều, tầng tạo nguồn ổn dòng, mạch hồi tiếp. Nguyên lý làm việc Sơ đồ nguyên lý của OA ba tầng vẽ trên hình 4-2, được cung cấp từ hai nguồn Ecl và Ec2 có thể không bằng nhau hoặc bằng nhau và có điểm chung. Tầng khuếch đại vào dùng T1 và T2 và tầng hai dùng T5 và T6 mắc theo sơ đồ vi sai.
Tầng thứ ba gồm T7 và T8. Đầu ra của nó ghép vào với đầu vào T9 mắc theo tầng CC. Điều khiển T7 theo mạch bazơ bằng tín hiệu ra tầng hai, điều khiển T8 theo mạch emitơ bằng điện áp trên điện trở R12 do dòng emitơ T9 chảy qua nó. T8 tham gia vào vòng hồi tiếp dương đảm bảo hệ số khuếch đại cao cho tầng ba.
Tác dụng đồng thời của T 7 và T8 hoặc là làm tăng hoặc là làm giảm (tùy thuộc vào tín hiệu vào T6) điện áp tầng vào CC. Tăng điện áp trên bazơ T9 là do sự giảm điện trở một chiều của T7 cũng như do sự giảm điện trở của T8 và ngược lại. Tranzitor T3 đóng vai trò nguồn ổn dòng còn Tranzitor T4 được mắc thành điốt để tạo điện áp chuẩn, ổn định nhiệt cho T3. Khi điện áp vào OA Uvk = Uvđ = 0 thì điện áp đầu ra của OA Ur = 0.
Dưới tác dụng của tín hiệu vào (h.4-2) có dạng nửa sóng “+”, điện áp trên collectơ của T6 tăng, sẽ làm dòng IB và IE của T7 đều tăng. Điều này dẫn đến làm tăng dòng IB và IE của T9. Điện áp trên R12 tăng sẽ làm giảm dòng IB và IC của T8. Kết quả là đầu ra OA có điện áp cực dương Ur > 0.
Nếu tín hiệu vào ứng với nửa sóng “-” thì ở đầu ra OA có điện áp cực tính âm Ur < 0. Đặc tính và các thông số của bộ khuếch đại thuật toán Ur + Ec Ku Ku - 20 dB/decac Ku 2 ®Çu vµo ®¶o ®Çu vµo kh«ng ®¶o a) Urmax 1 0 Uv f 0 fc f1 f 0 Urmax f0 180 f* b) 300 f - Ec 360 420 500 Hình 4-3. Đặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch Hình 4-4. Đặc tuyến biên độ và đại thuật toán đặc tuyến pha Đặc tuyến quan trọng nhất của OA là đặc tuyến truyền đạt điện áp (h.
4-4), gồm hai đường cong tương ứng với các đầu vào đảo và không đảo. Mỗi đường cong gồm một đoạn nằm ngang và một đoạn dốc. Đoạn nằm ngang tương ứng với chế độ tranzitor tầng ra (tầng CC) thông bão hòa hoặc cắt dòng. Trên những đoạn đó khi thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp ra của bộ khuếch đại không đổi và được xác định bằng các giá trị U+r max U-r max gọi là giá trị điện áp ra cực đại (điện áp bão hòa) gần bằng EC của nguồn cung cấp (trong các IC thuật toán mức điện áp bão hòa này thượng 88 thấp hơn giá trị nguồn EC từ 1 đến 3V về giá trị).
Đoạn dốc biểu thị phụ thuộc tỉ lệ của điện áp ra với điện áp vào với góc nghiêng xác định hệ số khuếch đại của OA (khi không có hồi tiếp ngoài). K = Un/ Uv Trị số K, tùy thuộc vào từng loại OA, có thể từ vài trăm đến hàng trăm nghìn lần lơn hơn. Giá trị K lớn cho phép thực hiện hồi tiếp âm sâu nhằm cải thiện nhiều tính chất quan trọng của OA. Đường cong lí tưởng (h.
4-4) đi qua gốc tọa độ. Trạng thái Ur = 0 khi Uv = 0 gọi là trạng thái cân bằng của OA. Tuy nhiên đối với những OA thực tế thường khó đạt được cân bằng hoàn toàn, nghĩa là khi Uv = 0 thì Ur có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn không. Nguyên nhân của mất cân bằng là do sự tản mạn các tham số của các linh kiện trong khuếch đại vi sai (đặc biệt là tranzitor).
Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tham số OA gây nên độ trôi thiên áp đầu vào và điện áp đầu ra theo nhiệt độ. Vì vậy để cân bằng ban đầu cho OA người ta đưa vào một trong các đầu vào của nó một điện áp phụ thích hợp hoặc một điện trở để điều chỉnh dòng thiên áp ở mạch vào. Điện trở ra là một trong những tham số quan trọng của OA. OA phải có điện trở ra nhỏ (hàng chục hoặc hàng trăm Ω) để đảm bảo điện áp ra lớn khi điện trở tải nhỏ, điều đó đạt được bằng mạch lặp emitơ ở đầu ra OA.
Tham số tần số của OA xác định theo đặc tuyến biên độ tần số của nó (h. 4-4) bị giảm ở miền tần số cao, bắt đầu từ tần số cắt fc với độ dốc đều (-20dB) trên một khoảng mười (1 đề các) của trục tần số. Nguyên nhân là do sự phụ thuộc các tham số của tranzito và điện dung kí sinh của sơ đồ OA vào tần số. Tần số f1 ứng với hế số khuếch đại của OA bằng 1 gọi là tần số khuếch đại đơn vị.
Tần số biên fc ứng với hệ số khuếch đại của OA bị giảm đi lần, được gọi là dải thông khi không có mạch hồi tiếp âm, fc thường thấp cỡ vài chục Hz. Khi dùng OA khuếch đại tín hiệu thường sử dụng hồi tiếp âm ở đầu vào đảo. Vì có sự dịch pha tín hiệu ra so với tín hiệu vào ở tần số cao nên đặc tuyến pha tần số của OA theo đầu vào đảo còn có thêm góc lệch pha phụ và trở nên lớn hơn 1800. Ở một tần số cao f* nào đó , nếu tổng góc lệch pha bằng 3600 thì xuất hiện hồi tiếp dương theo đầu vào đảo ở tần số đó làm mạch mất ổn định.
Để khắc phục hiện tượng trên người ta mắc thêm mạch hiệu chỉnh pha RC ngoài để chuyển tần số f *ra khỏi dải thông của bộ khuếch đại. Tham số mạch RC và vị trí chúng trong sơ đồ IC để khử tự kích do người sản xuất chỉ dẫn. Dưới đây ta khảo sát một số mạch ứng dụng của OA ở chế độ làm việc trong miền tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt và có sử dụng hồi tiếp âm để điều khiển các tham số cơ bản của mạch. Các mạch ứng dụng cơ bản 4.
Mạch khuếch đại đảo Bộ khuếch đại đảo cho trên hình 4-5, có thực hiện hồi tiếp âm song song điện áp ra qua Rht. Đầu vào không đảo được được nối với điểm chung của sơ đồ (nối đất). Tín hiệu vào qua R1 đặt vào đầu đảo của OA. Nếu coi OA là lí tưởng thì điện trở vào của nó vô cùng lớn Rv , và dòng vào OA vô cùng bé I0 = 0 khi đó tại nút N có phương trình nút dòng điện: Iv Iht.
Sơ đồ khuếch đại đảo Từ đó ta có: (4.1) Khi K , điện áp đầu vào U0 = Ur/K , vì vậy (4.1) có dạng: Uv/R1 = - Ur/Rht (4.2) Do đó hệ số khuếch đại điện áp Kđ của bộ khuếch đại đảo có hồi tiếp âm song song được xác định bằng tham số của các phần tử thụ động trong sơ đồ: Kđ = Ur/Uv = - Rht/R1 (4.3) Nếu chọn Rht = R1, thì Kđ = -1, sơ đồ (h. 4-5) có tính chất tầng đảo lặp lại điện áp (đảo tín hiệu). Nếu R1= 0 thì từ phương trình Iv Iht ta có Iv = - Ura/ Rht hay Ura = - Iv.Rht tức là điện áp ra tỉ lệ với dòng điện vào (bộ biến đổi dòng thành áp). Vì U0 nên Rv = R1, khi K thì Rv = 0.
Mạch khuếch đại không đảo Bộ khuếch đại không đảo (h. 4-6) gồm các mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu đảo, còn tín hiệu đặt tới đầu vào không đảo của OA. Vì điện áp giữa các đầu vào OA bằng 0 (U0 = 0) nên quan hệ giữa Uv và Ur xác định bởi: U v = Ur. Hệ số khuếch đại không đảo có dạng: Kk = = = 1+ (4.