Kỹ thuật mạch điện tử - Chương 7 pps

Trong thực tế không có bộ khuếch đại lý tưởng, để đánh giá bộ khuếch đại thuật toán thực so với bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng, người ta căn cứ vào các tham số của nó.. Đây là bộ khuế

CHƯƠNG 7 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

7.1 Các tính chất và tham số cơ bản

7.1.1 Các tính chất cơ bản

Giữa bộ khuếch đại thuật toán và các bộ khuếch đại thông thường về cơ bản không có

sự khác nhau Cả hai loại này đều được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hoặc công suất Trong khi tính chất của bộ khuếch đại thông thường phụ thuộc vào kết cấu bên trong

của mạch thì tác dụng của bộ khuếch đại

thuật toán có thể thay đổi được và chỉ phụ

thuộc vào các linh kiện mắc ở mạch ngoài

Để thực hiện được điều đó, bộ khuếch đại

thuật toán phải có hệ số khuếch đại rất

lớn, trở kháng vào rất lớn và trở kháng ra

rất nhỏ Bộ khuếch đại thuật, toán được

biểu diễn trên hình 7.1 Trong đó, U,- điện

áp vào hiéu; Up, Ip - dién áp vào và dòng

+Uce

dòng điện vao cia dao; U_,:J» - dién:4p ra 4

Bo khuyéch dai thuat toau khuyéch dai Hình 71 Bộ khuếch đại thuật toán

hiệu điện áp Ủa = Up ~UN với "hệ số

khuyếch đại Ko > 0 Do đó điện áp ra

Néu UN = Othi U, =K,U,, lac này điện áp ra U„ đồng pha với điện áp vào Up, vì vậy người ta gọi cửa Plà cửa vào không đảo hoặc cửa vào thuận của bộ khuyếch đại thuật toán

và ký hiệu bởi dấu * + "

Tương tự như vậy, khi U„ = 0 thì

Ur=- KUN

Vì điện áp ra ngược pha với điện áp vào, nên đầu vào N được gọi là đầu vào đảo của

bộ khuyếch đại thuật toán và ký hiệu bởi dấu " - " Ngoài ra bộ khuyếch đại thuật toán còn

có hai cửa để đấu với một nguồn cung cấp đối xứng + U„„ và các cửa để chỉnh lệch khôr#g

và bù tần số sẽ được nói kỹ hơn ở phân sau

Một bộ khuyếch đại thuật toán lý tưởng, có những tính chất sau:

+.Trở kháng vào Z = I5;

+ Hệ số khuyếch đại Ka = o

134

Trong thực tế không có bộ khuếch đại lý tưởng, để đánh giá bộ khuếch đại thuật toán

thực so với bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng, người ta căn cứ vào các tham số của nó 7.1.2 Hệ số khuếch đại hiệu Ko

Ẩ, là hệ số khuếch đại hiệu khi không tải, được xác định theo biểu thức sau

Ỏ tần s6 thap, K, = K,, thudng lay cdc gid tri trong khoang 10° dén 10°

Dién ap ra U, chi ty 1é với Ứa trong dải điện áp U,,, + Ung, nao dé (hinh 7.2), dai

điện áp này gọi la ddi biến đổi dién dp ra cia b6 khuéch dại thuật toán Ngoài dai do,

điện áp ra không đổi và không phụ thuộc điện áp vào, tương ứng bộ khuếch đại làm việc

ở trạng thái bão hòa

hạn dưới của bộ khuếch đại

thuật toán ƒ, = 0, nên tần

đúng bằng độ rộng dải tần

K,, giàm theo tần số thì giữa Hini: 72 Dặc tuyến truyen đạt của bộ khuếch đại thuật toán

U, va Uy cũng xuất hiện một góc lệch pha phụ thuộc tần số Trong những điều kiện nhất ' định, góc lệch pha này sẽ ảnh hưởng đến tính ổn định của bộ khuếch đại thuật toán mà chúng ta sẽ xét đến trong tiết 7.4

-7.1.3 Đặc tính biên độ - tần số

Các tầng khuếch đại nằm trong bộ khuếch đại thuật toán thường có tần số giới hạn

khác nhau Đặc tính tần số của bộ khuếch đại thuật toán là tích đặc tính tần số thành phần của từng tầng

Để xét đặc tính tần số ta dùng mô hình của bộ khuếch đại thuật toán trên hình 7.3

Đây là bộ khuếch đại thuật toán gồm một tầng khuếch đại lý tưởng, cố hệ số khuếch đại

K, = K,,, khong phu thuéc tần số và ba khâu lọc thông thấp riêng rẽ đặc trưng cho các điện trở và tụ điện tạp tán của mạch Trong hình 7.3, tam giác +1 biểu diễn các khâu ghép điện không phụ thuộc tần số và có hệ số truyền đạt bằng 1 Theo hình đó, có thể viết được biểu thức (7.3) biểu diễn sự phụ thuộc của K, theo tần số:

135

-40dB/Decade va -60dB/Decade Mat khac, khi tần số tăng thì góc lệch pha ø giảm Ta đặc biệt quan tâm tới góc pha y = -150°, vi lic nay U, và Ứ„ ngược pha, do đó các cửa thuận

và cửa đảo của bộ khuếch đại thuật toán thay đổi tác dụng “của chúng Khi xét đến tinh

ổn định của bộ khuếch đại sẽ nhắc lại vấn đề này

7.1.4 Hệ số khuếch đại đồng pha

Nếu đặt vào cửa thuận và cửa đảo của bộ khuếch đại thuật toán các điện áp bằng nhau,

nghĩa là ‘

Up = Uy = Ucg, # 0

thì Uy = € Gọi U„ là điện áp vào đồng pha Theo biểu thức (7.1) ta có Ư, = 0 Tuy

nhiên thực tế không như vậy Hình 7.ð cho thấy quan hệ của điện áp ra với điện áp đồng pha Vay, thes hink 7.5 ta thấy giữa điện áp ra và diện áp vào đồng pha có quan hệ tỷ lệ nào đó Hệ số tỷ lệ tướng ứng được gọi là hệ số khuếch đại đồng pha K,„ và được xác

định theo biểu thiức (7.4)

Hệ số này nói chung phụ thuộc

vào mức điện áp vào đồng pha

K,,,=0 Gié tri cyc dai cua điện i9 ? “emma “em

ấp vào đồng pha cho trong các sổ {

tay vi mạch cho biết giới hạn của

điện áp vào đồng pha để cho hệ

số khuếch đại K „ không vượt

quá giá trị đã cho Hệ số khuếch

đại đồng pha Km luôn luôn nhỏ hơn hệ số khuếch đại hiéu K,,,

'phải xác định dấu của Œ

Theo định nghĩa về hệ số khuếeh đại hiệu và hệ số khuếch đại đồng pha, cớ thể viết:

dug Kom, =const - Wem Kg const

187

cho AU, = 0, rut ra

AU,

Biểu thức (7.7) cho biết phải đặt vào một điện áp hiệu bằng bao nhiêu để bù được hiện tượng khuếch đại đồng pha

7.1.6 Điện trở vào hiệu, điện trở vào đồng pha và điện trở ra

Điện trở vào hiệu r„ và điện trở vào đồng pha r.„ được định nghĩa lần lượt theo biểu thức (7.8) và (7.9)

rom = — “— khi Up = Uy = Ucm (7.9)

Điện trở ra của bộ khuếch đại thuật toán r, cho khả năng đánh giá sự biến thiên của điện áp ra theo tải và được xác định theeGiểu thức (7.10)

AU,

r

7.1.7 Dòng vào tỉnh, điện áp vào lệch không

Dòng vào tĩnh là trị trung bình của dòng vào cửa thuận và dòng vào cửa đảo:

Ip + Iy

Dòng vào lệch không là hiệu các dòng vào tĩnh ở hai cửa của bộ khuếch đại thuật toán:

thông thudng I, = 0,11,

Dong vao lệch không phụ thuộc nhiệt độ, do đó khi nhiệt độ thay đổi, trị số của dòng lệch không thay đổi theo Hiện tượng này gọi là hiện tượng trôi dòng lệch không Dể đánh

al giá mức độ trôi dòng lệch không người ta dùng hệ số nhiệt của dòng lệch không — có

thứ nguyén nA/ °C

Trong bộ khuếch đại thuật toán thực, khi Up = Ủy, = 0 thì U, vẫn khác không Lúc

này điện áp ra do điện áp lệch không ở đầu vào gây nên Vậy điện áp lệch không Ủ, là hiệu điện áp cần phải đặt giữa hai đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán để cho Ủ, = 0

Ta thấy rằng các tham số của bộ khuếch đại thuật toán được định nghĩa như tham số

của bộ khuếch đại vi sai Đớ là vì tầng vào bộ khuếch đại thuật toán luôn luôn là tầng khuếch đại vi sai (xem 7ð)

7.2 Các sơ đồ cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán

Khi dùng bộ khuếch đại thuật toán, người ta dùng hồi tiếp âm mà không dùng hồi tiếp dương, vì hồi tiếp dương làm cho bộ khuếch đại làm việc ở trạng thái bão hòa là trạng thái chỉ dùng ở chế độ khóa That vay, theo (7.1), vi K, = ©, nên với U, hữu hạn thì

U, = 0 Do do chi can đưa vào một điện áp hiệu cớ trị số rất nhỏ mạch đã co thé chuyển sang làm việc ở trạng thái bão hòa Mạch hồi tiếp âm sẽ làm giảm điện áp ra sao cho điện áp liệu đầu vao Ủ, ~ 0 Trong một số trường hợp người ta dùng cả hồi tiếp âm

và hồi tiếp dương, nhưng lượng hồi tiếp âm phải luôn luôn lớn hơn lượng hồi tiếp dương

Diện áp cần khuếch đại hoặc được đưa vào cửa đảo hoặc được đưa vào cửa thuận Trong

trường hợp đầu, điện áp ra ngược pha với điện áp vào, tương ứng có bộ khuếch đại đảo Trong trường hợp sau, điện áp ra đồng pha với điện áp vào, tương ứng có bộ khuếch đại

thuận Sau đây sẽ xét một số sơ đồ cơ bản thuộc hai loại mạch khuếch đại trên

7.2.1 Các sơ đồ khuếch đại đảo

1 Sơ đồ biến đối điện áp - điện áp (hình 7.6)

Ta xét hai trường hợp:

a) Trường hợp lý trởng: #q=Zes, rnạ=eœ

Theo sơ đồ trên hình 7.1, viết được:

Do cơ hồi tiếp âm, nên trong quá trình

làm việc của bộ khuếch đại, điện áp ra Ù,

sẽ biến thiên sao cho U,, = 0 Vi thé ctta

N trong sơ đồ này còn được gọi là điểm

đất ảo

Theo (7.15), hệ số khuếch đại của bộ

khuếch đại khi có hồi tiếp âm được xác

Phương trình này có hai ý nghĩa: hệ số khuếch đại của hệ thống giảm khi có hồi tiếp

âm và chỉ phụ thuộc vào linh kiện mạch ngoài

Trở kháng vào của mạch được tính theo (5.17)

Khi K, >> 1 thì (7.20) đồng nhất với (7.16) và X không phụ thuộc K,, nghĩa là hệ số

khuếch đại của bộ khuếch đại có hồi tiếp kbông đổi kể cả khi X,„ thay đổi do một nguyên nhân nào đó

Sau đây tính sai số tương đối của K khi áp dụng biểu thức (7.16) so với (7290)

2.2) Vậy g càng lớn thì sai số khi tính hệ số khuếch đại theo biểu thức gần đúng (7.16)

Ngoài ra, vì đây là sơ đồ một mạch khuếch đại có hồi tiếp âm nối tiếp điện áp, nên các

kết luận khác đối với một bộ khuếch đại có hồi tiếp trong tiết 2.4 đều có thể áp dụng được

cho sơ đồ này

2 Sơ đồ biến đối dòng điện - điện áp (hình 7.7)

Trong sơ đồ này đại lượng dòng điện ở đầu vào được biến đổi thành đại lượng điện áp

ở đầu ra Dây là mạch hồi tiếp âm song song - điện áp Có thể tính gần đúng hệ số truyền đạt của mạch điện hình 7.7 như sau

dòng điện - điện áp (7.22) sai số phạm phải cũng không đáng kể

3 Sơ đồ biến đổi điện áp - dòng điện

Nếu trong sơ đồ hình 7.6, ta thay F„, bởi điện trở tải mà dòng qua nó tỷ lệ với điện áp

vào:

R, thì ta có một mạch biến đổi điện áp - dòng điện với hệ số biến đổi là R;

7.2.2 Các sơ đồ khuếch đại thuận (hình 7.6)

Cả ba sơ đồ trên hình 7.8 đều là các sơ đồ biến đổi điện áp - điện áp, có mạch hồi tiếp

Trước hết xét sơ đồ 7.Ba

Hình 78 Bộ khuếch đại thuận:

a) sơ đồ khuếch đại thông dụng ; b), c) sơ đồ khuếch đại lặp

a) Trường hợp bộ khuếch đại lý tưởng: K„ = ©, rạ = ©

Vì K, = © va U, hitu han, nén U, = 0, nghia la U, = Ủy, mặt khác theo sơ đồ tính

141

là

Z, Hrg=e ,

“ vÌ điện áp vào U, duge đặt trực tiếp vào cửa thuận

Đây là một đặc điểm rất quan trọng của sơ đồ khuếch đại thuận Nó được sử dụng trạng các bộ khuếch đại yêu cầu trở kháng vào lớn

b) Trường hợp bộ khuếch đại thực: K„ hữu hạn

“+

142

nên trong mạch có thêm sai số do điện áp đồng pha gây nên Dể tính sai số đó, dùng quan

So với (7.26a) có thể thấy được ảnh hưởng của Pồ số nén đồng pha đến độ khuếch đại

của mạch Có thể minh họa ảnh hưởng đó bằng biểu thức (7.28) rút ra từ (7.6) và sơ đồ

Hình 72 Ảnh hưởng của điện áp đồng pha đến bộ khuếch đại :

44; - bộ khuếch đại lý tưởng ; A, - bộ khuếch đại thực

U.-KemUon cm~ cm | U, U cm

d®“T———— = — -

Các sơ đồ 7.8.b và c là các sơ đồ khuếch đại lặp Áp dụng tính chất của bộ khuếch đại

lý tưởng Ú, = 0, I, = 0, theo định luật Ôm, viết được:

U,+ Uy = U, , do đó

Như vậy điện áp ra cùng pha với điện áp vào và hệ số khuếch đại bằng 1 Các sơ đồ

này thường được dùng để phối hợp trở kháng Trong thực tế chỉ dùng sơ đồ 7.8 b, ở đây

Ry ding để bù ánh hướng của dòng tỉnh đến công tác của bộ khuếch đại thuật toán (xem

tiết 7.3) Bảng 7.1 chỉ ra các tính chất cơ bản của hai sơ đồ điển hình trên hình 7.6 và

7.8Ba đại điện cho bộ khuếch đại đào và bộ khuếch đại thuận

143

Dầu vào đảo có diện thế bằng không

(điểm đất ảo) Đầu vào đảo có diện thế bằng điện áp vào

U

| = — do

nguồn tín hiệu cung cấp, do đó công suất

nguồn tít hiệu vào phải lớn

Dòng qua R, Ry: Dong qua Ry, Ry /, = — U không chạy qua

R 1

nguồn tín hiệu, do điện áp ra cung cấp, do đó

không yêu cầu công suất của nguồn tín hiệu

Các dòng điện tỉnh ïp, 7y ở đầu vào bộ khuếch đại thuật toán thực chất là dòng bazo

của các transistor tầng vào bộ khuếch đại thuật toán Dòng tỉnh cửa thuận J, va dòng tinh cửa đảo I¡¡ thường gần bằng nhau Dòng tỉnh cho trong các tài liệu kỹ thuật là trị trung bình của chúng Các dòng tỉnh Ip va Iy gây ra sụt áp trên cửa vào Do sự khác nhau của

SỤ£ áp này cũng khác nhau Hiệu điện thế của chúng chính là điện

áp lệch không Dể giữ cho điện áp lệch không nhỏ, trong bộ khuếch đại đảo không đấu cửa thuận trực tiếp xuống đất mà đấu qua điện trở }, như trên hình 7.10, #, có trị số bằng điện trở vào cửa đảo, nghía là

‘Luc do dong tinh gay ra trén hai dau vao cdc sut ap 14 1,(R,//Ry) va Ip(R//Ry) Thudng

Ip = Ïạ, nên các sụt áp đó gần bằng nhau Lúc nay trên đầu vào bộ khuếch đại có thêm điện áp ding pha U,,, = 1,(R,//Ry)

Thực té I, # Iy, nén dong tinh J, = Ip - Iy con gay ra mét hiéu điện áp ở đầu vào, gọi là điện áp léch khéng U, Sai số do nó gây ra trên đầu ra tính được dựa vào sơ đồ

7.10 Viết phương trỉnh dòng điện nút cho nút Ñ:

Hé s6 khuéch dai K’ cua mach cang Ién thi sai số này càng lớn Với bộ khuếch đại

thuận, sai số đó cũng được xác định theo biểu thức (7.32) Chú ý rang U, có thể lấy dấu bất kỳ tùy thuộc quan hệ lớn bé giữa l, và 1n

Dé khử sai số này dùng các mạch bù điển hình biểu diễn trên hình 7.11 Việc bù điện

áp lệch không được thực hiện theo nguyên tắc: mắc một trong hai đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán với một nguồn điện áp biến đổi để có được một điện áp đặt lên cửa này có trị số bằng điện áp lệch không và có dấu ngược với dấu của nd (-U,) Mach ba nhu vay được biểu diễn trên hình 7.1la, và 7.11b Trường hợp cần phải để trống cả hai cửa vào của bộ khuếch đại thuật toán thì mắc mạch bù vào một cửa khác có liên quan với cửa vào Hình #.11c biểu diễn một mạch bù nhự vậy Trong các sơ đồ trên phải chọn R„ >> R,

để khỏi ảnh hưởng đến quá trình làm việc bình thường của mạch, thường chọn R„ khoảng một đến vài trăm @, f; khoảng vài trăm kQ

Sau khi đã khử ảnh hưởng của dòng tĩnh và điện áp lệch không, nguyên nhân gây sai

số còn lại là hiện tượng trôi

Sai số này xác định được theo biểu thức (7.33) (thay U, va I, trong hinh 7.10 bởi AU,

và AI)

145

R

1

AU, - lượng trôi điện áp lệch không;

AI, - lượng trôi dòng lệch không

nguồn tín hiệu có trở kháng nhỏ (R¡ nhỏ) thì sai số đầu ra chủ yếu do điện áp lệch không

ở đầu vào sinh ra Do do khi cần khuếch đại dòng một chiều nhỏ thì chọn #,//Ey nhỏ, nếu

cần khuếch đại điện áp một chiều nhỏ thì chọn #; lớn

Trong bộ khuếch đại xoay chiều, không cần quan tâm đến vấn đề bù lệch không

7.4 Gn định công tác của bộ khuếch đại thuật toán và các biện pháp

bù tần số

7.4.1 Ổn định của một hệ thống có hồi tiếp

Hiệ số khuếch đại hiệu của bộ khuếch đại thuật toán giảm ở tần số cao Nguyên nhân gây ra sự giảm đó là do các điện dung mắc vào mạch cũng như điện dung ký sinh của tranzistor cùng với các điện trở của mạch tạo thành các mắt lọc thông thấp (xem mô hình

7.3) Đặc tuyến biên độ - tần số và đặc tuyến pha của bộ khuếch đại thuật toán được biểu diễn trên hình 7.4 Khi ƒ > /„¡ thì khâu lọc R;C; có tần số giới hạn thấp nhất quyết định dạng đặc tuyến tần số của bộ khuếch đại thuật toán Biết rằng hệ số truyền đạt của một

khâu lọc thông thấp bậc 1 được xác định theo biểu thức:

” Do đó có thể dùng biểu thức gần đứng (7.87) để biểu diễn quan hệ giữa độ đốc của đặc

tuyến tần số m và góc lệch pha của bộ khuếch đại trong phạm vỉ tần số nào đó

146