Chuong 5 Khuếch đại thuật toán

Khuếch đại thuật toán và 1 nội dung rất quan trọng của bộ môn kỹ thuật điện tử. Trang bị những kiến thức quan trọng của chuyên ngành điện. Nhằm mục đích giúp bạn đọc và các bạn sinh viên nắm chắc kiến thức để phục vụ cho việc học tập và cho các kì thi.

• Khuếch đại vi sai

Sơ đồ nguyên lý của khuếch đại vi sai

Đặc tính truyền đạt của khuếch đại vi sai

Phân tích phổ của tín hiệu ra trong khuếch đại vi sai

Nguồn dòng trong khuếch đại vi sai

Tính khuếch đại của khuếch đại vi sai

• Khuếch đại thuật toán (KĐTT)

Cấu tạo của KĐTT

Các tham số của KĐTT

Các sơ đồ mắc cơ bản của KĐTT

• Một số mạch tính toán và điều khiển tuyến tính trên

KĐTT

Mạch cộng và mạch trừ

Mạch cho phép chọn điện áp ra có cực tính thay đổi

Mạch biến đổi trở kháng

Mạch vi phân và mạch tích phân

Mạch lọc tích cực

CHƯƠNG IV KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ

ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG

• Khuếch đại vi sai là khuếch đại mà tín hiệu ra không tỷ lệ

với trị tuyệt đối của tín hiệu vào mà tỷ lệ với hiệu của tín hiệu

vào.

Được sử dụng để khuếch đại tín hiệu có tần số giới hạn

dưới nhỏ (tới vài Hz) - tín hiệu biến thiên chậm hay tín

hiệu một chiều.

Nếu sử dụng KĐ RC để khuếch đại loại tín hiệu này thì

các tụ nối tầng phải có trị số rất lớn nên bất tiện

Khuếch đại vi sai thích hợp cho loại tín hiệu này, là cơ

sở xây dựng KĐTT.

KHUẾCH ĐẠI VI SAI

Sơ đồ nguyên lý của khuếch đại vi sai

 Là một cầu cân bằng song song: hai nhánh của cầu

là RC1và RC2, hai nhánh kia là hai tranzisto T1và T2

 Nếu RC1= RC2, hai T có tham số hệt nhau thì cầu cân bằng

 Hai đầu vào V1 và V2, tín hiệu ra Uralấy giữa hai colecto của T1và T2.

 Tín hiệu vào đồng pha: điện áp ở hai colectơ sẽ biến thiên như nhau, điện áp ra sẽ bằng không (giống như ở trạng thái tĩnh)

 Khuếch đại vi sai lý tưởng không phản ứng với tín hiệu vào đồng pha

 Tín hiệu vào ngược pha: các dòng vào Bazo biến thiên như nhau về trị tuyệt đối nhưng ngược chiều (ngược dấu) Uraxuất hiện Điện áp hồi tiếp âm trên RE không xuất hiện vì dòng emitơ của một tranzisto tăng bao nhiêu thì dòng emitơ của tranzisto kia giảm đi bấy nhiêu

 Khuếch đại vi sai phản ứng với tín hiệu vào ngược pha

Đặc tính truyền đạt của khuếch đại vi sai

oCách đưa tín hiệu vào, lấy tín hiệu ra:

oTín hiệu vào đối xứng V1,V2ký hiệu là Uh,đặc tính truyền đạt là sự phụ

thuộc của các dòng colectơ vào tín hiệu này

oDòng colectơ trong tranzistor ở chế độ khuếch đại

UT- điện áp nhiệt ( 0,25mV)

Lúc này:

U U 0

I I e

B E T

1 1

U BE U BE UT

BE

T

U



Đặc tính truyền đạt của khuếch đại vi sai

oĐiện áp vào Uh= UV1- UV2= UBE1- UBE2 và IC≈αIEnên

T h C

U U e

I I

/







1

α 0 1

T U h U

e

o I C I





1

α 2



Phân tích phổ của tín hiệu ra trong khuếch đại vi sai

oKhuếch đại vi sai gây méo phi tuyến đặc biệt khi Uh> UT

oCác thành phần hài của dòng colectơ khi tín hiệu vào là dạng hình sin:

UV(t) = U0+ Umcost

U0- điện áp định thiên ( bazơ)

phân tích thành chuỗi Fourier được:

Ta thấy

n = 0 => a0+ b0 = 2 ; n  0 thì a0+ b0= 0 nên an= bn

Để tăng độ tuyến tính của khuếch đại vi sai (mở rộng dải thông) người ta thường gây hồi

tiếp âm bằng cách mắc vào mạch emitơ của T1, T2các điện trở rE1và rE2

T m U t cos U U o c

e

I )

i



















0

1 m T

o

U

I

i t

e











) n cos a a ( I )

(

n

o











2

b I t

1

o 0 2



dt e

1

t n a

2

0

U t U U n

T m 0









 ω π

ω cos ω cos π

e

t ω n cos π

ω

b ω

π

U t ω cos U U n

T m









sin 2.

n

a b

n





 

Nguồn dòng trong khuếch đại vi sai

oT3trong khuếch đại vi sai Hình 5.2a đóng vai trò của nguồn dòng

o Nguồn dòng I0- dòng colectơ của T3được xác định:

R5chọn khá lớn

UD≈ UBE3để bù nhiệt

I0sẽ ổn định khi nguồn E02ổn định, nguồn E01không ảnh hưởng đến nguồn

dòng I0

) R R R R R R r )(

( r R [

R ) U U ( ) U E ( R I

B E

BE BE





























































0

BE

I





oVào đối xứng - Ra không đối xứng

Ura1và Ura2điện áp lấy ở colectơ của T1 và T2

K1= + S1R't K2= - S2R''t

S1, S2- hỗ dẫn của đặc tính truyền đạt tại điểm công tác

R't, R''t - điện trở tải tổng quát của T1và T2:

Trường hợp không tải hoặc Rv1>>RC, Rv2>>RCthì R't = R''t  Rc ta có mạch

đối xứng hoàn toàn S1= - S2và K1= - K2

Điện áp ra ở hai colectơ của T1 và T2 là ngược pha nhau

Tính khuếch đại của khuếch đại vi sai

h ra v v ra h

ra v v

ra

U

U U U

U K

; U

U U U

U



























1

.

c v t

c v

R R R

R R





'' 2

2

.

c v t

c v

R R R

R R





oVào đối xứng - ra đối xứng

Trong đó:

Rt điện trở tải mắc giữa hai colectơ của T1vàT2

Khi Rt =  thì K = 2K1= - 2K2

oVào không đối xứng - ra không đối xứng

Tín hiệu đưa vào V1, đầu V2nối với

tín hiệu ra lấy ở Ra1 là colectơ của T1

Vì S11 <  S1 nên K11 <  K1 Khi Rb~  0 thì S11  S1 và K11   K1

Tính khuếch đại của khuếch đại vi sai

t R S U

U U U U U U K

h ra ra v v ra













   







Rt , R Rt , R t R c

c











1 2

b

R R R





1

ra

C v

U

U

11

c

S





oTrong khuếch đại vi sai người ta còn đưa ra hệ số khuếch đại đồng pha

KCm Tín hiệu vào đồng pha là trung bình cộng đại số của hai tín hiệu vào :

oKhi UV1= UV2, tức là Uh= 0 thì có chế độ khuếch đại tín hiệu đồng pha

Hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha được định nghĩa là

hoặc

REcàng lớn thì Kcm càng nhỏ Khi RE  thì Kcm  0

Trong khuếch đại vi sai, do tính đối xứng lý tưởng không tuyệt đối nên xảy ra

hiện tượng " trôi điểm không“

Có thể giảm bớt trôi điểm không bằng cách chọn T1và T2có tham số càng

giống nhau càng tốt, các điện trở trong mạch chọn loại có độ sai số nhỏ và

cùng một hệ số nhiệt

Tính khuếch đại của khuếch đại vi sai

2

Cm

cm

ra cm

U

U

cm

Cm

U K U



Khuếch đại thuật toán (KĐTT)

H×nh 5.5 Ký

hiÖu K§TT

_

+

N

P

KĐTT như một bộ khuếch đại lý tưởng :

 Có hệ số KĐ 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

 Đầu vào (+) gọi là đầu vào không đảo P (positive)

 Đầu vào (-) gọi là đầu vào đảo N (negative)

và một đầu ra

 KĐTT ngày nay có thể được chế tạo như một IC hoặc nằm trong một phần của IC đa chức năng

Cấu tạo của KĐTT

vào lớn

 Các tầng trung gian nhằm khuếch đại tín hiệu lên đủ lớn để

có thể kích thích cho tầng cuối

 Tầng cuối phải đảm bảo có dòng ra lớn, điện áp ra lớn và

điện trở ra nhỏ thường là khuếch đại đẩy kéo có bù kèm theo

mạch chống quá tải

Cấu tạo của KĐTT

+Ecc

-Ecc

T1 T2 T5 T6 V1

V2 T3 T4

T7 T9

T8 T10

ND

C2

C1 R1 R2 R6 R7 R8

R4 R5

R8

Tầng thứ nhất là tầng KĐVS đối xứng trên T1và T2

Tầng thứ hai là KĐVS đầu vào đối xứng, đầu ra không đối xứng: emitơ 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– T10mắc 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,T8nhằm phối hợp trở kháng giữa chúng và

đảm bảo dịch mức điện áp

Các tham số của KĐTT

Hệ số khuếch đại hiệu Ko

Đặc tính biên độ tần số

Theo lý thuyết ĐTBĐTS sẽ là K0trong suốt dải tần số từ 0  

Thực tế ĐTBĐTS sẽ gục xuống ở tần số fCdo tồn tại các điện dung ký sinh

tạo thành những khâu lọc RC thông thấp mắc giữa các tầng

Hệ số khuếch đại đồng pha KCm

Nếu đặt đầu vào thuận P và đầu đảo N các điện áp bằng nhau

UP= UN= UCm 0 thì Uh= 0

Ur= K0(UP- UN)=0

Lý tưởng Kcm= 0 ,thực tế KCmluôn nhỏ hơn K0

























N p r

p N r N p r h r

khiU U U

khiU U U U U U U

U Ko

Ura

Ucm

Ucm mim Ucm max

r Cm

cm

U K

U







Các tham số của KĐTT

Điện trở vào hiệu, điện trở vào đồng pha:

khi UN= Up= UCm

Điện trở ra của KĐTT đánh giá sự biến thiên của điện áp ra theo tải:

Dòng vào tĩnh, điện áp vào lệch không :

Dòng vào tĩnh trung bình It là: với UN= Up = 0

Dòng vào lệch không là I0:

I0= Ip - IN khi UN= Up = 0

I0= 0,1 It điện áp lệch không U0là hiệu điện áp cần phải đặt giữa hai đầu vào để có điện áp

ra bằng không

U0= Up - UNkhi Ur= 0

Δ

Δ

Δ

Δ

0 0

p

p

h

N

N

U

khi U

N I

r

U

khi Up I







 



Cm

r

r r r

U r I







2

N t

Ip I

Các sơ đồ mắc cơ bản của KĐTT

Sơ đồ biến đổi điện áp - điện áp

Vì K0 nên điện áp ở đầu vào N là UN

Uh 0

N có thể coi là điểm đất giả Ur URN ,Uv 

UR1

Từ đó:

Uvđược biến đổi thành Ur

Trở kháng vào :

Sơ đồ biến đổi dòng điện - điện áp

0 R

U R

U

N ra 1

r

1 1 / V

Iv Uv R

R

N

  Ur   R IN V

Các sơ đồ mắc cơ bản của KĐTT

Sơ đồ biến đổi điện áp - điện áp

Với K0 , rhnên Uh= 0 nghĩa là UN= UV dòng vào bằng không

Do vậy:

Từ đó:

R N

R 1

a) b) c)

N

P

R N ra

R 1

N P

R N

U ra

R 1

N P Ura

Ura

U V

N r

N

V



1

1

U

R

R R r

V

1





V r

U

U K





V r

U

U K

Các mạch bù trôi và đặc tính tần số trong

KĐTT

Học viên tự đọc trong giáo trình

Thanks for your attention!