Tài liệu Bộ khuếch đại thuật toán pptx

57CHƯƠNG 2: BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN GIỚI THIỆU CHUNG Chương này nêu các tính chất của bộ khuếch đại thuật toán BKĐTT, tầng khuếch đại vi sai và các mạch điện ứng dụng BKĐTT.. Do có EC

57

CHƯƠNG 2: BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

GIỚI THIỆU CHUNG

Chương này nêu các tính chất của bộ khuếch đại thuật toán (BKĐTT), tầng khuếch đại vi sai và các mạch điện ứng dụng BKĐTT Nội dung của chương gồm:

- Tính chất chung của BKĐTT: trở kháng vào, trở kháng ra, hệ số khuếch đại Giới thiệu đặc tuyến truyền đạt, đặc tuyến tần số của BKĐTT

- Mạch khuếch đại vi sai: cấu tạo của tầng khuếch đại vi sai cơ bản, tầng khuếch đại

vi sai có tải động kiểu gương dòng, tầng khuếch đại vi sai dùng tranzito trường

- Mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch đại thuận, mạch khuếch đại lặp lại

- Phương pháp chống trôi và bù điểm không: dùng điện trở cân bằng, dùng nguồn nuôi để hiệu chỉnh điện áp một chiều đầu ra ở chế độ tĩnh của BKĐTT Mục đích của những phương pháp này là giũ cho điện áp đầu ra cân bằng không khi không có tín hiệu vào

- Mạch cộng: có mạch cộng thuận, mạch cộng đảo Mạch cộng thuận các tín hiệu cần cộng đưa vào của thuân Mạch cộng đảo các tín hiệu cần cộng đưa vào cửa đảo

- Mạch trừ: tín hiệu đưa vào hai cửa thuận và đảo Tín hiệu bị trừ đưa vào cửa cộng, tín hiệu trừ đưa vào cửa đảo

- Mạch vi phân: mạch vi phân là mạch mà điện áp ra tỉ lệ với vi phân của điện áp vào

- Mạch tích phân: mạch tích phân là mạch mà điện áp ra tỉ lệ với tích phân điện áp vào

- Mạch tạo hàm loga: điện áp ra tỉ lệ với logarit tự nhiên của điện áp vào

- Mạch tạo hàm mũ: điện áp ra tỷ lệ với mũ logarit tự nhiên của điện áp vào

- Mạch nhân tương tự: cho điện áp ra tỷ lệ với tích tức thời các điện áp vào

- Mạch lọc tích cực: cấu tạo mạch lọc tích cực gồm có BKĐTT kết hợp với các phần

tử RC Mạch lọc tích cực làm việc ở vùng tần tháp có ưu điểm gọn nhẹ, phẩm chất lọc cao

Có các mạch lọc thông cao, thông thấp, thông giải, chặn giải tương tự như các mạch lọc thụ động Bậc của bộ lọc là số tụ điện chứa trong mạch lọc đó

- Các mạch điện sử dụng BKĐTT ở trên đều làm việc ở chế độ tuyến tính.Trong quá trình chứng minh các công thức điện áp ra của mạch luôn coi hiệu điện áp giữa hai cửa vào BKĐTT U0 rất bé, gần đúng xem như bằng không

- Cần chú ý các mạch điện BKĐTT đều được cấp nguồn đối xứng ±E Khi vẽ mạch nhiều lúc không vẽ nguồn vào, nhưng xem như mặc định Điện áp ra đạt cực đại Ur = +Urmax khi BKĐTT bão hoà dương Điện áp ra đạt cực tiểu Ur = -Urmax khi BKĐTT bão hoà âm, trong đó gần đúng |± Urmax| = E – 2 vôn

58

Kết thúc chương này yêu cầu người học vận dụng lý thuyết làm tốt các bài tập Qua

đó hiểu bài sâu sắc hơn ,nhớ mạch điện chính xác hơn

NỘI DUNG

Danh từ ″khuếch đại thuật toán’’ 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 v Hiện nay bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực v.v

2.1 CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA BKĐTT

Bộ khuếch đại thuật toán được biểu diễn trên hình 2-1 Trong đó Ut, It là điện áp, dòng điện vào cửa thuận Uđ, Iđ là điện áp, dòng điện vào cửa đảo.Ur ,Ir điện áp ra và dòng điện ra U0 là điện áp vào giữa hai cửa Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại hiệu điện áp

U0=Ut-Uđ với hệ số khuếch đại K0 > 0

Do đó điện áp ra:

r

U =K0.U0=K0(Ut-Uđ) (2-1)

Nếu Uđ=0 thì Ur =Ko.Ut lúc

này điện áp ra cùng pha với điện áp vào U t

Vì vậy cửa T gọi là cửa thuận của bộ

khuyếch đại thuật toán và ký hiệu dấu “+”

Tương tự như vậy khi U = 0 thì t

U

K

Ur =− 0 đ, điện áp ra ngược pha với

điện áp vào nên cửa Đ là cửa đảo của bộ khuyếch đại thuật toán và ký hiệu dấu “-” Ngoài

ra bộ khuếch đại có hai cửa đấu với nguồn nuôi đối xứng ±EC và các cửa để chỉnh lệch không và bù tần

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

G= (2-3) Thường G =103÷ 105

Một bộ khuếch đại thuật toán thường có 4 tầng ghép trực tiếp với nhau Tầng vào là tầng khuếch đại vi sai, tiếp theo là tầng khuyếch đại trung gian (có thể là tầng đệm hay khuếch đại

vi sai hai), đến tầng dịch mức và tầng khuếch đại ra

2.2 MẠCH KHẾCH ĐẠI VI SAI

Trong IC khuếch đại thuật toán, ở phía đầu vào mạch khuếch đại vi sai có một đến hai tầng Hình 2-4 là cấu trúc điển hình của một tầng khuếch đại vi sai làm việc theo nguyên

lý cầu cân bằng song song Hai nhánh cầu là RC1 và RC2, còn hai nhánh kia là các Tranzito

T1 và T2 được chế tạo trong cùng một điều kiện sao cho RC1 =RC2 và T1, T2 có các thông

số giống hệt nhau

Điện áp lấy ra giữa hai cực góp (kiểu ra đối xứng) hay trên mỗi cực góp với đất (kiểu

ra không đối xứng) Tranzito T3 làm nguồn ổn dòng giữ ổn định dòng IE (là tổng dòng IE1 và

IE2) của tranzito T1, T2 Trong sơ đồ nguồn ổn định dòng còn có R1, R2, R3 và nguồn cung cấp EC2, T4 mắc thành điôt làm phần tử bù nhiệt ổn định nhiệt cho T3

Trong sơ đồ rút gọn (hình 2-4b) phần nguồn ổn dòng T3 được thay bằng nguồn dòng IE

I C1

I C2

60

Tín hiệu vào tầng vi sai có thể từ hai nguồn riêng biệt UV1 và UV2 hoặc từ một nguồn (hình 2-4c, d) Trong trường hợp sau tín hiệu vào đặt lên cực gốc của một trong hai Tranzito hay giữa hai cực gốc của chúng Các đầu vào UV1 và UV2 nối theo sơ đồ hình 2-4c, d được gọi đầu vào vi sai

Điện áp một chiều cung cấp cho tầng vi sai là hai nguồn EC1 và EC2 có thể khác nhau hay bằng nhau về trị số Vì hai nguồn nối tiếp nhau nên điện áp cung cấp tổng là EC = EC1 + EC2

Do có EC2 nên điện thế cực phát của Tranzito T1 và T2 giảm nhiều so với trong sơ đồ hình 2-5 và điều này cho phép đưa tín hiệu tới đầu vào của bộ khuếch đại vi sai mà không cần mạch bù điện áp ở đầu vào

Xét một số trường hợp điển hình

Sơ đồ tầng vi sai yêu cầu dùng Tranzito T1, T2 có tham số giống nhau và RC1 = RC2,

do đó khi tín hiệu vào bằng không, cầu cân bằng, điện áp trên cực góp của hai Tranzito bằng nhau và như vậy điện áp ra lấy trên đường chéo cầu Ura = Ura1 +Ura2 = 0 Sơ đồ có độ

ổn định cao đối với sự thay đổi điện áp cung cấp, nhiệt độ và yếu tố khác vì độ trôi của hai nhánh giống nhau, điện áp trên cực góp thay đổi cùng một gia số và độ trôi đầu ra gần như

bị triệt tiêu

Dòng phát IE chia đều cho hai Tranzito nghĩa là

2

II

2 E 1

E = = Dòng cực gốc được xác định:

E V0

02 B 01

)1.(

2

II

β+

=

61

Dòng cực góp

2

I2

I.I

2 C 1

1 C 2 C 1

Do tác dụng của tín hiệu vào, xuất hiện dòng điện vào của hai tranzito, dòng cực gốc

T1 tăng lên, dòng cực gốc T2 giảm xuống Khi đó IE1 và IC1 tăng lên còn IE2 và IC2 giảm Sự thay đổi dòng điện của các tranzito xẩy ra ngược chiều nhau và với cùng một số gia vì tổng dòng điện IE1+IE2 =IE giữ nguyên không đổi

Điện áp trên cực góp của tranzito T1 là UC1 =EC1−IC1.RC1 giảm một lượng ΔUC1ngược pha với điện áp vào Điện áp U tăng và tạo ra số gia điện áp C2 ΔUC2 cùng pha với điện áp tín hiệu vào

Như vậy với cách đưa tín hiệu vào như sơ đồ đang khảo sát đầu ra của tầng lấy trên cực góp T1 gọi là đầu ra đảo, còn đầu ra lấy trên cực góp T2 gọi là đầu ra không đảo (thuận) Tín hiệu lấy giữa hai cực góp gọi là tín hiệu vi sai

rR

EI

E B n

n 2

1 n

62

trong đó En là nguồn tín hiệu vào

Rn là điện trở nguồn

rV là điện trở vào Tranzito

Dòng điện vào tạo ra số gia dòng điện ra nên ±ΔIC = βI.V khi đó

Δ

+ + + (2-7) Nếu Rn= 0 thì

[B E]

C 2

, 1

r)

1(r.2

R.K

β++

C VS

r

2R

)Rt//

R.(

.2K

C V

C

R.r

R.K

β++

β

=

β

Trong tầng khuếch đại vi sai của các IC thuật toán, người ta thường thay RC1, RC2

bằng Tranzito, thực hiện chức năng tải động của tầng Sơ đồ này có hệ số khuếch đại KVS

lớn hơn nhiều lần so với sơ đồ đã

khảo sát có tải RC Điều này rất

quan trọng khi thiết kế bộ

khuếch đại một chiều nhiều tầng

Một trong những sơ đồ như vậy

vẽ trên hình 2-6 Tranzito T5, T6

dùng làm tải động của tầng có

tham số giống nhau, T5 được

mắc thành điôt Cách mắc như

vậy còn được gọi là sơ đồ gương

dòng điện Dòng IC của T1 chảy

qua T5 tạo nên điện áp UBE5 xác

định điện áp vào UBE6 Vì T5 và

T6 có tham số giống nhau nên IC6

63

giống IC1.Tín hiệu vi sai lấy ở cực góp T2

Khi En = 0 sơ đồ ở chế độ cân bằng tĩnh, dòng

2

III

6 C 2 C 1

C = = = Dòng I chảy C6

qua T2 nên Ura= 0 vì itải = 0

Giả thiết tín hiệu vào có cực tính như ở hình 2-6 Dưới tác dụng của En dòng IB1 tăng,

và như vậy làm giảm dòng IB2 Sự thay đổi dòng cực gốc làm thay đổi dòng cực góp

2

I

I = −β Bởi vì dòng IC6= IC1 nên E V

Ura =2.βI.V.Rt

Nếu tải tín hiệu vào đổi dấu thì làm đổi chiều I , IV tải và cực tính điện áp ra

Hệ số khuếch đại điện áp của tầng

tr)

1(r

R.K

β++

β

= (2-13)

Sơ đồ hình 2-6 có ưu điểm cơ bản là

khả năng chịu tải cao và tải có ưu điểm nối

đất và hệ số khuếch đại lớn khoảng vài trăm

lần Trở kháng vào có thể đạt hàng chục

hoặc hàng trăm KΩ Khi cần có trở kháng

vào lớn hơn hàng chục ΜΩ dùng T1 và T2

là tranzito trường Sơ đồ như ở hình 2-7

Nguyên lý làm việc tương tự như sơ đồ

hình 2-4

2.3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI

Do vi mạch khuếch đại thuật toán

có hai cửa vào Khi đưa tín hiệu vào cửa

64

đảo ta có mạch khuếch đại đảo, nếu đưa tín hiệu vào cửa thuận ta có mạch khuếch đại thuận

2.3.1 Mạch khuếch đại đảo

Mạch khuếch đại đảo cho ở hình 2-8 có

thực hiện hồi tiếp âm điện áp qua Rht Đầu vào

thuận được nối đất Tín hiệu qua R1 đưa tới

đầu vào đảo Nếu coi IC có trở kháng vào vô

0 V

R

UUR

VR

UR

= − (2-15) Nếu chọn Rht = R1 thì K=−1, sơ đồ có tính chất tầng đảo lặp lại điện áp (đảo tín hiệu)

Nếu R1= 0 thì từ phương trình IV =Iht ta có

ht

ra V

R

U

I =− hay Ura =−IV.Rht tức là điện áp ra tỷ lệ với dòng điện vào Mạch trở thành bộ biến đổi dòng thành áp

Vì U0 = 0 nên Rv = R1, khi K→∞ thì

Rra = 0

2.3.2 Mạch khuếch đại thuận

Mạch khuếch đại thuận có hình 2-9 gồm

một mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu đảo

còn tín hiệu đặt vào cửa thuận

_ +

Rht

ura

Hình 2-8: Mạch khuếch đại đảo

65

Vì điện áp đặt vào giữa hai cửa rất bé, xem U0 = 0 nên quan hệ giữa UV và Ura xác

định bởi:

ht 1

1 ra V

RR

R.UU

có sơ đồ bộ lặp lại điện áp với K = 1

(hình 2-10) Điện trở vào của mạch

khuếch đại thuận rất lớn, bằng điện trở

vào của IC, còn điện trở ra Rra → 0

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG TRÔI VÀ BÙ ĐIỂM KHÔNG

Khi dùng bộ khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu một chiều có trị số nhỏ thì

các sai số chủ yếu do dòng điện tĩnh, điện áp lệch không và hiện tượng trôi gây ra

Các dòng điện tĩnh It, Iđ ở đầu vào bộ khuếch đại thuật toán thực chất là các dòng cực

gốc tranzito tầng vào mạch khuếch đại vi sai Dòng tĩnh cửa thuận It và dòng tĩnh cửa đảo

gần bằng nhau Các dòng tĩnh It và Iđ gây sụt áp trên các cửa vào Do sự khác nhau trị số các

điện trở cửa thuận T và cửa đảo Đ nên sụt áp

này cũng khác nhau Hiệu điện thế của

chúng chính là điện áp lệch không Để giữ

cho điện áp lệch không nhỏ, trong mạch

khuếch đại đảo, cửa thuận không đấu trực

tiếp xuống đất mà đấu qua điện trở RC như

trên hình 2-11

RC có trị số bằng điện trở vào cửa đảo,

nghĩa là:

ht 1

ht 1 C

RR

R.R

0 = + (2-17)

Để khử sai số này dùng các mạch bù điển hình ở hình 2-12 Việc bù điện áp lệch không được thực hiện theo nguyên tắc: một trong hai đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán với một nguồn điện áp biến đổi để có một điện áp ngược với điện áp lệch không trên

Khi cần phải để trống cả hai cửa vào thì mắc mạch bù vào cửa khác có liên quan đến cửa vào Cần phải chọn các linh kiện mạch bù sao cho bộ khuếch đại thuật toán làm việc bình thường

Ngoài ra còn có hiện tượng trôi điện áp đầu ra do lượng trôi điện áp đầu vào ΔU0 và lượng trôi của dòng tĩnh vào ΔI0

Lượng trôi điện áp đầu ra được xác định:

1

ht 0

0

R

R1.(

U

Δ (2-18)

trong đó: ΔU0 là lượng trôi điện áp lệch không đầu vào

Δ là lượng trôi dòng lệch không đầu vào I0

Biến đổi (2-18) ta có:

).[ U I (R //R )]

R

R1.(

ht 0

Từ (2-19) rút ra kết luận:

- Nếu nguồn tín hiệu có trở kháng lớn (R1// Rht lớn) thì điện áp sai số ở đầu ra chủ yếu

do trôi dòng lệch không đầu vào sinh ra Ngược lại nếu nguồn tín hiệu có trở kháng nhỏ (R1

nhỏ) thì sai số đầu ra chủ yếu do điện áp lệch không đầu vào sinh ra Do đó khi cần khuếch đại dòng một chiều nhỏ thì chọn R1 // Rht nhỏ, nếu cần khuếch đại điện áp một chiều nhỏ thì chọn R1 lớn

Hình 2-12: Mạch bù điện áp lệch không

Ra_

+ +

_ +

Iht = 1+ 2+ + n hay

)202(U)

U

UU(

1 i i n

2 1

U.R

RU.R

R(

n

ht 2

2

ht 1 1

ht

=α

−

=+++

1 i

i i n

n 2

2 1

1

R

U

R

UR

U.(

với

i

ht i

Sơ đồ mạch điện ở hình 2-14, ở đây các

tín hiệu vào đưa tới cửa thuận Khi U0 = 0

điện áp ở hai đầu vào bằng nhau và bằng

U1

U2

Un

R RR

68

.U.RR

RU

ht 1

1 V

Khi dòng vào đầu thuận bằng không (RV=∞ ) ta có:

0R

UU

R

UUR

U

=

−++

−+

Hay: U1+U2+ +Un =n.UV−

ht 1

1 n

2

RR

R.nU

UU

+

=+++

1

ht 1

R.n

RR)U

U.(

R.n

RR

Chọn các tham số của mạch thích hợp để có thừa số đầu tiên của vế phải công thức (2-22) bằng 1 1

R.n

RR

1 i i n

2 1

Có thể tìm K1, K2 theo phương pháp cho điện áp vào từng cửa bằng không

Cho U2 = 0 thì mạch làm việc như một bộ khuếch đại đảo Ta có:

2

RR

UU

α+

b

b a

1)

1(U

α+

αα+

69

b

b a

K

α+

αα+

1)

1(

α+

αα+

Mạch vi phân dùng IC khuếch đại thuật toán như hình 2-18

Xem như U0 = 0; I0 = 0 nên

Khi tín hiệu vào là hình sin thì mạch vi

phân làm việc như một bộ lọc tần cao

70

Tại nút A ta có IV = IC hay:

R

Udt

C.R

ra =−τ ∫ (2-28)

τ = R.C gọi là hằng số thời gian của mạch tích phân

Khi tín hiệu vào thay đổi từng nấc, tốc độ thay đổi của điện áp ra bằng:

C.R

Ut

ΔΔ

nghĩa là ở đầu ra bộ tích phân có điện áp tăng hay giảm tuyến tính theo thời gian Đối với tín hiệu hình sin mạch tích phân trở thành mạch lọc thông thấp

2.8 MẠCH TẠO HÀM LOGARIT VÀ LŨY THỪA

Trong thực tế thường cần tạo ra một điện áp Ur là hàm số nào đó của điện áp UV, tức

là Ur = f(UV) ở đây f là một quan hệ hàm như hàm lôgarit, hàm mũ, hàm lượng giác Ta xét một vài mạch tạo hàm cụ thể

2.8.1 Mạch tạo hàm lôgarit

Mạch tạo hàm số lôgarit cho điện áp đầu ra: Ur = α1.ln(α2.UV)

Muốn vậy ta có thể dùng biểu thức của dòng qua điốt ở phần cấu kiện điện tử

ak t

trong đó: IS là dòng điện ngược bão hoà

UT là điện thế nhiệt KT/e0

m là hệ số hiệu chỉnh 1 < m < 2

Uak là điện áp đặt lên điốt

Trong miền làm việc ID >> IS gần đúng có thể coi:

71

Từ đó

S

D T ak

I

Iln.U.m

Uln(

.U.mU

S

V T

Uln(

.UU

U

ES

V T

BE

ra =− =− (2-30) Mạch điện ở hình 2-21

2.8.2 Mạch tạo hàm đối lôgarit (hàm mũ)

Để tạo hàm đối lôgarit ta mắc phần tử phi tuyến là điốt hay Tranzito vào nhánh vào của IC khuếch đại thuật toán Mạch nguyên lý được biểu diễn trên hình 2-22

Hình 2-21: Mạch logarit dùng Tranzitor nối kiểu điốt

Hình 2-22: Mạch khuyếch đại đối loga

T

IC

Mạch nhân tương tự có sơ đồ quy ước trên hình 2-23 Tín hiệu trên đầu ra của nó tỷ lệ

với tích các tín hiệu đặt lên hai đầu vào

Z = k.X.Y

Trong đó: X, Y Là các tín hiệu vào

Z: tín hiệu ra k: hệ số tỷ lệ còn gọi là hệ số truyền đạt của mạch nhân

Trên hình 2-24 là sơ đồ mạch nhân điện áp và mạch tương đương của nó.Mạch nhân

điện áp lý tưởng có trở kháng vào hai cửa ZVX, ZVY = ∞ và trở kháng ra Zr = 0 Hệ số

truyền đạt lý tưởng không phụ thuộc vào tần số và trị số các điện áp vào UX, UY nghĩa là k