Chương 2: KHUẾCH đại THUẬT TOÁN

Chương 2 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN CHƢƠNG 2 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Giới thiệu 2 1 Khuếch đại thuật toán lý tưởng 2 1 1 Các đầu vàora của khuếch đại thuật toán 2 1 2 Chức năng và đặc tính của khuyếch đại t.

CHƯƠNG 2

KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

Giới thiệu

2.1 Khuếch đại thuật toán lý tưởng

2.1.1 Các đầu vào/ra của khuếch đại thuật toán

2.1.2 Chức năng và đặc tính của khuyếch đại thuật toán lý tưởng 2.1.3 Tín hiệu vi sai và tín hiệu chế độ chung

2.3.2 Đặc điểm của mạch khuếch đại không đảo

2.3.3 Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại vòng hở hữu hạn

2.3.4 Mạch lặp điện áp

2.4 Bộ khuếch đại vi sai

2.4.1 Mạch khuếch vi sai dùng khuếch đại thuật toán đơn 2.4.2 Bộ khuếch đại vi sai cải tiến

2.5 Mạch tích phân và mạch vi phân

2.5.1 Cấu hình đảo với trở kháng

2.5.2 Mạch tích phân đảo

2.5.3 Mạch vi phân

Giới thiệu

Khuếch đại thuật toán đã được sử dụng trong một thời gian dài, nhưng những ứng dụng ban đầu của chúng chủ yếu là trong các lĩnh vực tính toán tương tự và thiết bị đo phức tạp Lúc đầu khuếch đại thuật toán được xây dựng từ các linh kiện rời rạc (các đèn chân không, sau đó là các transistor và điện trở) và giá thành của chúng là tương đối cao Nhưng vào giữa những năm 1960 khuếch đại thuật toán đã được tích hợp thành một IC Linh kiện này (µA709) được chế tạo từ một số lượng tương đối lớn các transistor và các điện trở tích hợp trên cùng một chip silicon Mặc dù đặc tính của nó là khá nghèo nàn (so với tiêu chuẩn hiện nay) và giá thành vẫn còn khá cao nhưng sự xuất hiện của nó đã đánh dấu một kỷ nguyên mới trong thiết

kế mạch điện tử

Khi các kỹ sư điện tử bắt đầu sử dụng bộ khuếch đại thuật toán với số lượng lớn, nên đó chính là nguyên nhân làm cho giá thành của chúng giảm xuống đáng kể Các nhà thiết kế đòi hỏi những bộ khuếch đại thuật toán có chất lượng tốt hơn Nên các hãng sản xuất bán dẫn đã đáp ứng nhanh chóng điều này và trong một khoảng thời gian một vài năm những bộ khuếch đại thuật toán chất lượng cao trở lên thông dụng hơn, với mức giá cực kì thấp từ rất nhiều nhà cung cấp khác nhau

Một trong những lý do cho sự phát triển thông dụng của khuếch đại thuật toán là tính đa năng của nó Mọi người ta có thể làm hầu như là bất cứ việc gì với khuếch đại thuật toán Và

có một thực tế quan trọng đối với IC khuếch đại thuật toán đó là có một số đặc tính đã gần đạt đến giả thiết lý tưởng Điều này có nghĩa là thật dễ dàng để thiết kế các mạch điện mà có sử dụng khuếch đại thuật toán Đồng thời, các mạch khuếch đại thuật toán làm việc với các hiệu suất khá gần với dự đoán trước trên lý thuyết Vì lý do này mà chúng ta sẽ đi nghiên cứu IC khuếch đại thuật toán ở đầu chương này

Như đã được nói đến, một IC khuếch đại thuật toán được chế tạo từ rất nhiều các Transistor, điện trở và tụ điện theo một mạch khá phức tạp Vì chúng ta vẫn chưa nghiên cứu mạch transistor nên các mạch bên trong khuếch đại thuật toán sẽ không được đề cập đến trong chương này Thay vào đó ta xem khuếch đại thuật toán như là một khối mạch hợp nhất và đi nghiên cứu các đặc điểm của các cực vào/ra và ứng dụng của nó Cách tiếp cận này thích hợp trong nhiều ứng dụng của khuếch đại thuật toán Tuy nhiên, đối với những ứng dụng khó và đòi hỏi tính khắt khe thì việc nắm bắt được cấu trúc bên trong của một IC khuếch đại thuật toán là cần thiết Chủ đề này sẽ được nghiên cứu trong chương tiếp theo

2.1 Khuếch đại thuật toán lý tưởng

2.1.1 Các đầu vào/ra của khuếch đại thuật toán

Nhìn từ góc độ tín hiệu thì mạch khuếch đại thuật toán gồm có 3 cực: 2 cực đầu vào và một cực đầu ra Hình 2.1 là kí hiệu chung của mạch khuếch đại thuật toán Các đầu 1 và 2 là đầu vào và đầu 3 là đầu ra Và hai cực 4 và 5 là hai cực cấp nguồn một chiều cho khuếch đại

thuật toán Trong đó, cực số 4 nối với điện áp dương V cc và cực số 5 nối với điện áp âm –V EE

1

2

3

Hình 2.1 Kí hiệu mạch của khuếch đại thuật toán

Trong hình 2.2(b) chúng ta thấy rõ ràng các nguồn pin sẽ cung cấp hai nguồn điện một chiều với một điểm đất chung Cần lưu ý rằng điểm tham chiếu nối đất trong mạch khuếch đại chỉ là điểm chung giữa hai nguồn cấp, tức là không có cực cụ thể nào của khuếch đại thuật toán được kết nối vật lý với đất Do đó, chúng ta có thể ký hiệu ngắn gọn như hình 2.2(a)

1

2

3 4

5

V cc

V EE

Hình 2.2 Sự thể hiện của khuếch đại thuật toán khi kết nối với nguồn cấp một chiều

Ngoài ba cực tín hiệu và 2 cực đầu vào nguồn cung cấp, một khuếch đại thuật toán có thể

có các cực khác dành cho những mục đích riêng như: cực bù tần số, cực hiệu chỉnh sai lệch tĩnh

2.1.2 Chức năng và đặc tính của khuyếch đại thuật toán lý tưởng

Mạch khuếch đại thuật toán được thiết kế để thu nhận hiệu số giữa hai tín hiệu điện áp đặt vào hai cực đầu vào của nó (tức là đại lượng v2v1), sau đó nhân hiệu số này với một hệ số A

và kết quả thu được sẽ là một điện áp Av2v1 ở cực đầu ra số 3

Ở đây cần nhấn mạnh rằng khi ta nói điện áp tại một cực có nghĩa là điện áp giữa cực đó

so với đất, do vậy v1 có nghĩa là điện áp ứng với cực 1 và đất

Một mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng không cho phép bất kì dòng điện vào nào; tức là tín hiệu dòng điện vào cực 1 và tín hiệu dòng điện vào cực 2 đều phải bằng 0 Nói theo cách

khác là trở kháng đầu vào của một khuếch đại thuật toán lý tưởng được coi là bằng vô cùng

Còn cực số 3 được coi như hoạt động giống đầu ra của một nguồn áp lý tưởng Do vậy điện áp giữa cực 3 và đất luôn luôn bằng Av2v1, không phụ thuộc vào dòng điện từ cực 3

qua điện trở tải Nói theo cách khác, trở kháng đầu ra của một khuếch đại thuật toán lý tưởng được coi là bằng 0

Từ tất cả những điều trên, chúng ta có được mô hình mạch điện tương đương thể hiện như

trong hình 2.3 Chú ý rằng đầu ra cùng pha (có cùng dấu) với v2 và ngược pha (ngược dấu) với

v1 Ví lý do đó, đầu vào cực 1 được gọi là đầu vào đảo và được nhận biết bởi dấu “-” , còn đầu vào cực 2 được gọi là đầu vào không đảo và được nhận biết bởi dấu “+”

Như đã phát biểu ở trên, khuếch đại thuật toán chỉ đáp ứng với tín hiệu sai lệch v2v1và

vì vậy nó bỏ qua bất kỳ tín hiệu chung nào của cả hai cực đầu vào Tức là, nếu v1v2 1V thì

đầu ra lý tưởng sẽ bằng 0 Ta gọi đặc tính này là loại bỏ chế độ chung, có nghĩa là một

khuếch đại thuật toán lý tưởng có hệ số khuếch đại chế độ chung là bằng không, hoặc sự loại

bỏ chế độ chung là vô hạn.Nói cách khác, khuếch đại thuật toán là bộ khuếch đại đầu vào vi sai

Như vậy hệ số khuếch đại A được gọi là hệ số khuếch đại vi sai Ngoài ra, A còn được biết

đến dưới một tên khác là: hệ số khuếch đại vòng hở Và khi ta „khép vòng‟ mạch khuếch đại

thuật toán thì hệ số khuếch đại sẽ có một tên khác đó là hệ số khuếch đại vòng kín

Về vấn đề đáp ứng tần thì khuếch đại thuật toán lý tưởng có hệ số khuếch đại A luôn luôn

bằng hằng số dù tần số có giảm xuống bằng không hoặc tăng đến vô cùng Tức là, khuếch đại thuật toán lý tưởng khuếch đại những tín hiệu ở bất kì tần số nào với cùng một hệ số khuếch

đại và vì vậy ta nói rằng khuếch đại thuật toán có dải tần vô hạn

Về hệ số khuếch đại, một mạch khuếch đại thuật toán được gọi là lý tưởng nếu nó có một

hệ số khuếch đại A mà giá trị của nó là rất lớn và lý tưởng là bằng vô cùng

Để phục vụ cho những nghiên cứu sau này, bảng 2.1 liệt kê các đặc tính của một mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng

Đầu vào đảo

Đầu vào không đảo

Đầu ra 1

2

3

Hình 2.3 Mạch tương đương của khuếch đại thuật toán lý tưởng

Bảng 2.1 Đặc điểm của mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng

1 Trở kháng vào vô cùng lớn

2 Trở kháng ra bằng 0

3 Hệ số khuếch đại chế độ chung bằng 0 hay tương đương, sự loại bỏ chế độ chung là vô hạn

4 Hệ số khuếch đại vòng hở A vô cùng lớn

5 Dải tần số làm việc vô cùng lớn

2.1.3 Tín hiệu vi sai và tín hiệu chế độ chung

Tín hiệu vào vi sai v đơn giản là sự sai lệch giữa hai tín hiệu đầu vào Id v và1 v , tức là: 2

1

2 v v

v v

3

R2

R1

Hình 2.5 Một cấu trúc dạng đảo của mạch khuếch đại thuật toán

Hình 2.5 biểu diễn cấu trúc dạng đảo Cấu trúc này gồm có: một khuếch đại thuật toán và hai điện trở R và 1 R Điện trở 2 R nối từ cực ra của khuếch đại thuật toán (chân số 3) quay 2

trở lại cực đầu vào đảo hay đầu vào âm (chân số 1) của khuếch đại thuật toán Ta nói R đang 2

đặt một hồi tiếp âm; nếuR được nối giữa chân 3 và 2 ta gọi là hồi tiếp dương Đồng thời, 2

chú ý rằng R đang khép vòng quanh khuếch đại thuật toán Ngoài việc thêm2 R , ta nối đất 2

chân số 2 và kết nối một điên trở R1 giữa chân số 1 và nguồn tín hiệu vào với một điện áp là

Ta giả thiết rằng khuếch đại thuật toán là lý tưởng Hình 2.6(a) biểu diễn mạch điện

tương đương và chúng ta tiến hành phân tích như sau: Hệ số khuếch đại A là rất lớn (lý tưởng

là bằng vô cùng) Nếu ta giả giả thiết rằng mạch điện đang làm việc và tạo ra một điện áp xác định trên chân số 3, thì điện áp giữa các chân đầu vào mạch khuếch đại thuật toán là nhỏ không đáng kể và lý tưởng là bằng không

Nếu ta gọi điện áp đầu ra làv thì theo định nghĩa: o

Điều đó dẫn đến điện áp tại đầu vào đảo (v ) là 1 v1v2 Đó là vì hệ số khuếch đại A gần

như bằng vô cùng, điện áp v gần bằng và lý tưởng là bằng 1 v Ta nói về điều này như là hai 2

đầu vào có “điện thế bám lẫn nhau” Đồng thời, chúng ta cũng chú ý đến một hiện tượng

“ngắn mạch ảo” tồn tại giữa 2 cực đầu vào Từ “ảo” ở đây cần được nhấn mạnh và ta không nên nhầm lẫn với ngắn mạch vật lý giữa chân số 1 và 2 trong khi phân tích mạch điện

Sự ngắn mạch ảo nghĩa là bất kỳ điện áp nào ở chân 2 sẽ tự động xuất hiện ở chân 1 bởi

vì hệ số A là vô cùng Nhưng chân 2 lại được nối xuống đất do đó v2 0 và v1 0 Ta nói rằng chân 1 như là một điểm đất ảo vì có điện áp bằng 0 nhưng không nối trực tiếp xuống đất Bây giờ chúng ta đã xác định được điện áp v1 và tiến hành áp dụng định luật Ohm để tìm dòng i chạy qua 1 R (xem hình 2.6) như sau: 1

1 1

1 1

1 1

0

R

v R

v R

v v

i  I     I

Tuy nhiên dòng điện này không thể chạy vào khuếch đại thuật toán vì khuếch đại thuật toán lý tưởng có trở kháng đầu vào là vô cùng do vậy dòng điện vào này sẽ phải bằng 0 Do

đó thì dòng i sẽ phải chảy qua 1 R tới chân số 3 có trở kháng thấp hơn Ta có thể áp dụng 2

định luật Ohm cho R và xác định 2 v : o

2 1

1 2

1

R

v R

i v

v o 

chính là hệ số khuếch đại vòng kín cần tìm Hình 2.6(b) minh họa các bước phân tích mạch và biểu diễn bằng các số được khoanh tròn để thể hiện thứ tự các bước phân tích được thực hiện

Hệ số khuếch đại vòng kín đơn giản là chỉ tỉ số của hai điện trở R và2 R Dấu (-) có nghĩa 1

là bộ khuếch đại vòng kín đưa ra tín hiệu từ đầu vào đảo Vì thế nếu R2/R110 và ta đưa vào đầu vào vI một tín hiệu hình sin có biên độ đỉnh đỉnh là 1V thì đầu ra v sẽ là một sóng hình o

sin có biên độ đỉnh đỉnh là 10V và bị lệnh pha 1800

so với tín hiệu sóng sin đầu vào Vì dấu (-) kết hợp với hệ số khuếch đại vòng kín, cấu trúc này được gọi là cấu trúc dạng đảo

Thực tế là hệ số khuếch đại vòng kín phụ thuộc hoàn toàn vào các phần tử thụ động bên ngoài (điện trởR và 1 R ) Điều này có nghĩa là ta có thể tạo ra một hệ số khuếch đại vòng kín 2

một cách chính xác như chúng ta muốn bằng cách lựa chọn các phần tử thụ động một cách thích hợp Điều này cũng có nghĩa là hệ số khuếch đại vòng kín (một cách lý tưởng) độc lập với hệ số khuếch đại của khuếch đại thuật toán Đây là một sự minh họa rõ ràng cho hồi tiếp

âm: Với một khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại rất lớn A và qua việc áp dụng hồi tiếp

âm ta thu được một hệ số khuếch đại vòng kín R2/ R1 nhỏ hơn rất nhiều so với A nhưng ổn

định và có thể dự đoán trước

v i

i   I

5

1 1

R R

Hình 2.6 Phân tích mạch dạng đảo Các số được khoanh tròn cho thấy các bước phân tích

2.2.2 Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại vòng hở hữu hạn

Những quan điểm trên sẽ được minh họa một cách rõ ràng hơn bằng cách biểu diễn hệ số khuếch đại vòng kín với giả thiết hệ số khuếch đại vòng hở là hữu hạn Hình 2.7 minh họa quá trình phân tích này Nếu ta ký hiệu điện áp đầu ra là v , thì điện áp giữa hai cực đầu vào o

khuếch đại thuật toán sẽ là v o/A Vì cực đầu vào dương được nối xuống đất, nên điện áp tại cực đầu vào âm sẽ phải bằng v o/A Dòng điện qua R có thể được xác định theo biểu thức: 1

1 1

1

//

R

A v v R

A v v

i  I   o  I  o

Trở kháng đầu vào của khuếch đại thuật toán vô cùng lớn nên dòng điện i1 sẽ chạy qua R 2

Do vậy điện áp đầu ra v được xác định như sau: o

2 1

0 i R A

A v v A

Từ các điều kiện trên thì hệ số khuếch đại vòng kín được tính như sau:

 R R  A

R R v

v G

I

o

//11

/

1 2

1 2

Chúng ta nên chú ý rằng nếu hệ số khuếch đại A tiến đến  thì G xấp xỉ bằng giá trị lý

tưởng R2/ R1 Đồng thời, từ hình 2.7 ta thấy rằng khi A tiến tới , thì điện áp tại cực đầu vào đảo tiến tới 0

Phương trình (2.5) chỉ ra rằng: để giảm thiểu sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vòng kín

G vào giá trị của hệ số khuếch đại vòng hở, ta nên làm cho:

A R

Hình 2.7 Phân tích cấu trúc mạch đảo để thấy được tính hữu hạn của hệ số khuếch đại vòng hở của

mạch khuếch đại thuật toán

v i

v R

I

I I

Trở kháng vào của bộ khuếch đại tạo ra mạch phân áp với điện trở của nguồn cấp cho bộ khuếch đại Do đó, để tránh suy giảm cường độ tín hiệu, các bộ khuếch đại điện áp cần phải

có trở kháng đầu vào lớn Trong trường hợp của bộ khuếch đại đảo ta đang nghiên cứu, để tạo

ra giá trị R lớn ta nên chọn giá trị điện trở i R lớn Tuy nhiên, nếu hệ số khuếch đại 1 R2/ R1

cũng yêu cầu giá trị lớn, thì giá trị điện trở R có thể rất lớn (lớn hơn một vài M2 ) không thực hiện được Ta có thể kết luận rằng bộ khuếch đại đảo có trở kháng đầu vào thấp Để khắc phục vấn đề này ta xem ví dụ 2.1

Vì đầu ra của cấu trúc đảo được lấy ở các cực của nguồn áp lý tưởng Av2v1 (Hình 2.6a), điều này dẫn tới trở kháng ra của bộ khuếch đại vòng kín là bằng 0

Lời giải

Xét cực đầu vào đảo của bộ khuếch đại thuật toán, tại đó điện áp sẽ là:

0

0 0

Ở đây ta đã giả thiết rằng mạch điện đang hoạt động và tạo ra một điện áp đầu ra v xác 0

định Biết v , ta có thể xác định được dòng điện 1 i như sau: 1

1 1 1

1 1

0

R

v R

v R

v v

i  I   I   I

Vì không có dòng điện nào chạy vào đầu vào đảo của mạch khuếch đại thuật toán nên tất

cả dòng i sẽ chạy qua 1 R và do vậy : 2

1 2 1

R

v i

R

v R

i v v

1

2 2 1 2

R R

v i

3 1

2 3

R R

R R

v i i i

3 1

2 1 3 2

Cuối cùng, ta có thể xác định v từ: 0

4 4

v  x

4

3 1

2 1 1

R R

R R

v v R

4 1

2

R

R R

R R

R v

4 1

2 1

R

R R

R R

R v

v

Theo yêu cầu của đề bài thì điện trở đầu vào là 1M, nên ta chọn R11M Tiếp theo,

với giới hạn sử dụng điện trở là không vượt quá 1M, giá trị tối đa có thể của hạng tử đầu tiên trong biểu thức của hệ số khuếch đại là 1 và để có được điều đó ta chọn R2 1M Để có được hệ số khuếch đại là -100, R và 3 R phải được chọn sao cho hạng tử thứ hai của biểu thức 4

hệ số khuếch đại có giá trị là 100 Nếu ta chọn giá trị R lớn nhất là 1M4 , thì giá trị R có thể 3tính toán được là 10.2K Do đó mạch điện này sử dụng ba điện trở 1M và một điện trở

10.2K Thực hiện so sánh với mạch điện trong hinh 2.5 chúng ta nhận thấy, nếu chúng ta sử dụng R11M thì ta phải cần đến một điện trở hồi tiếp có giá trị là 100M, đây là một giá trị điện trở lớn phi thực tế

2

3 i R

Hình 2.9 Bộ khuếch đại dòng điện dựa trên mạch điện Hình 2.8 Bộ khuếch đại cấp dòng điện đầu ra

cho R4 Nó có một hệ số khuếch đại là 1R2/R3, trở kháng vào bằng 0, và trở kháng ra bằng vô cùng Tuy nhiên điện trở R4 cần phải được để tự do (có nghĩa là không một đầu nào của điên trở được nối xuống đất)

Ta nhận thấy rằng do điểm đất ảo tại cực đầu vào đảo của khuếch đại thuật toán, nên

i  , i3 ki1thì i4 k1 i1 Vì dòng điện được nhân với một hệ số k1nên nó cho phép

có một điện áp lớn rơi trên R và do vậy điện áp ra 4 v lớn mà không cần phải sử dụng điện trở 0

4

R có giá trị lớn Đồng thời chú ý rằng dòng điện chạy qua R không phụ thuộc vào giá trị của 4

điện trở R Dẫn đến mạch có thể được sử dụng như một bộ khuếch đại dòng điện như được 4

minh họa trong Hình 2.9

2.2.4 Bộ cộng có trọng số

Một ứng dụng rất quan trọng của cấu trúc đảo là mạch cộng trọng số được thể hiện trong hình 2.10 Trong mạch ta có một điện trở R f đặt ở đường hồi tiếp, nhưng ta có nhiều tín hiệu vào v1,v2, ,v n mỗi tín hiệu được đặt lên một điện trở tương ứng R1,R2, ,R n và được nối với đầu vào đảo của khuếch đại thuật toán Vì khuếch đại thuật toán lý tưởng có điểm nối đất

ảo đặt tại cực đầu vào đảo nên áp dụng định luật Ohm cho các dòng điện i1,i2, ,i n ta có:

n

n n

R

v i R

v i R

v

2

2 2 1

1 1

f

v R

R v

R

R v R

R

2

1 1 0

Hình 2.10 Bộ cộng trọng số

Tất cả các dòng diện này được cộng với nhau tạo ra dòng điện i

n

i i

v R

R v

R

R v R

R

2

1 1

Có nghĩa là, điện áp đầu ra là một tổng trọng số của các tín hiệu vào v1,v2, ,v n.Vì vậy

mạch điện này được gọi là Bộ cộng trọng số Chú ý rằng mỗi hệ số cộng có thể được điều

chỉnh một cách độc lập bằng cách điều chỉnh điện trở “cấp vào” tương ứng (R đến 1 R ) n

Bộ cộng trọng số có đặc điểm là đơn giản hóa việc hiệu chỉnh mạch điện, đặc điểm này

chính là hệ quả trực tiếp của điểm nối đất ảo tồn tại ở chân đầu vào đảo của khuếch đại thuật

toán Từ đó, chúng ta dễ dàng nhận thấy rằng, điểm nối đất ảo rất “tiện dụng” Bộ cộng trọng

số trong hình 2.10 có một ràng buộc đó là tất cả các hệ số cộng có cùng dấu Vấn đề nảy sinh

là việc cộng các tín hiệu ngược dấu sẽ được thực hiện như thế nào Việc này có thể được thực

hiện bằng cách sử dụng hai mạch khuếch đại thuật toán như trong hình 2.11 Giả thiết các

khuếch đại thuật toán là lý tưởng, điện áp đầu ra có thể dễ dàng xác định như sau:

3 2

2 1

1 0

R

R v R

R v R

R R

R v R

R R

R v

b

c a b

Hình 2.11 Một bộ cộng có khả năng thực hiện phép cộng hai hệ số khác dấu

2.3 Cấu trúc không đảo

Cấu trúc vòng kín thứ hai chúng ta sẽ nghiên cứu được thể hiện trong hình 2.12 Ở đây tín

hiệu đầu vào v I được đặt trực tiếp tới cực đầu vào không đảo của khuếch đại thuật toán trong

khi đầu vào đảo được nối xuống đất qua R1

2.3.1 Hệ số khuếch đại vòng kín

Các bước phân tích mạch không đảo để xác định hệ số khuếch đại vòng kín của nó

 v /o vi được minh họa trong hình 2.13 Chú ý thứ tự của các bước phân tích được xác định

bởi các số khoanh tròn

v1 v0

R2

R1

Hình 2.12 Cấu trúc không đảo

Hình 2.13 Phân tích cấu trúc không đảo Thứ tự các bước phân tích được thể hiện bởi các số khoanh

2.13 Điện áp đầu ra có thể xác định từ biểu thức:

2 1

R

v v

v

I



Để có thể hiểu sâu hơn về hoạt động của cấu trúc không đảo ta xem xét một số vấn đề sau:

Vì dòng điện đi vào cực đầu vào đảo của khuếch đại thuật toán bằng 0 nên mạch điện gồm hai điện trở R và 1 R trong thực tế hoạt động như là một bộ phân áp cung cấp một phần điện áp 2

đầu ra quay trở lại đầu vào đảo của khuếch đại thuật toán, có nghĩa là:

1 0

R R

R v

Khi đó hệ số khuếch đại của khuếch đại thuật toán là vô cùng và do điểm ngắn mạch ảo giữa hai đầu vào của khuếch đại thuật toán khiến cho điện áp này bằng với điện áp đặt vào đầu vào không đảo; do đó

I

R R

chính là biểu thức hệ số khuếch đại ở phương trình (2.9)

Xét đến tác dụng của phản hồi âm thể hiện trong cấu trúc không đảo hình 2.12 Cho v I

tăng Sự thay đổi của v sẽ dẫn đến I v tăng và điện áp Id v sẽ tăng lên tương ứng, đồng thời dẫn o

đến hệ số khuếch đại của khuếch đại thuật toán lớn Tuy nhiên một phần nhỏ điện áp v sẽ o

phản hồi lại đầu vào đảo của khuếch đại thuật toán qua điện trở phân áp R1, R2 Kết quả của phản hồi này sẽ chống lại sự tăng của v , làm cho Id v trở về bằng 0 Tác động “suy giảm ” Id

của phản hồi âm còn có tên thay thế là hồi tiếp âm Tương tự trong trường hợp v giảm I 2.3.2 Đặc điểm của mạch khuếch đại không đảo

Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại không đảo là dương – do đó nó có tên là mạch không đảo Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại vòng kín này lý tưởng là bằng vô cùng, vì vậy

dòng điện không đi vào chân dương của khuếch đại thuật toán Đầu ra của bộ khuếch đại không đảo được lấy tại đầu ra của nguồn áp lý tưởng Av2v1 ( xem mạch điện tương đương trong hình 2.3), do vậy trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại không đảo bằng 0

2.3.3 Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại vòng hở hữu hạn

Xét ảnh hưởng của hệ số khuếch đại vòng hở hữu hạn tới hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại không đảo Giả sử khuếch đại thuật toán là lý tưởng ngoại trừ có một hệ số khuếch đại

vòng hở hữu hạn A, điều đó cho thấy rằng hệ số khuếch đại vòng kín của mạch khuếch đại

không đảo trong hình 2.12 được xác định như sau:

 R R  A

R R v

v G

/1

1 2

1 2 0

Tuy nhiên, tử số của phương trình (2.11) và (2.5) lại khác nhau, từ tử số ta có hệ số khuếch đại vòng kín lý tưởng hoặc danh định (R2/ R1đối với cấu trúc đảo và 1R2/R1 đối với cấu trúc không đảo) Ta lưu ý rằng biểu thức hệ số khuếch đại trong phương trình 2.11 giảm tới giá trị lý tưởng khi A Trong thực tế nó đạt xấp xỉ giá trị lý tưởng khi