Bài giảng khuếch đại cùng vi mạch khuếch đại thuật toán | Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

KHUYẾCH Đ I DÙNG VI M CH KHUẾCH Đ I THUẬT TOÁN (OPAMP) GI I THI U CHUNG
 Vi m ch khuếch đ i thuật toán (Operational Amplifier) –
ký hi u là OpAmp đầu tiên được dùng để nói về các
m ch khuếch đ i có kh năng thay đổi theo m ch ghép
nối bên ngoài để thực hi n các phép biển đổi toán học
như c ng trừ, biến đổi tỷ l , vi tích phân... trong các máy
tính tương tự. Nhờ sự phát triển của công ngh bán dẫn,
opamp ngày càng trở nên tin cậy, kích thư c nhỏ, ổn
định nhi t, vì vậy, ngày nay opamp được sử dụng như là
thành phần cơ b n của các ứng dụng khuếch đ i, biến đổi
tín hi u, các b lọc tích cực, t o hàm và chuyển đổi. C U T O
 Cấu tạo cơ sở của vi m ch khuếch đ i thuật toán là các tầng
khuếch đ i vi sai. Các vi m ch khuếch đ i thuật toán bao gồm ba phần:  Khuếch đ i vi sai.
 Dùng khuếch đ i tín hi u vào, có đặc điểm là khuếch đ i
nhi u th p, trở kháng vào cao, thường đầu ra vi sai.  Khuếch đ i đi n áp.
 T o ra h số khuếch đ i đi n áp cao, thường đầu ra đơn cực.  Khuếch đ i đầu ra.
 Dùng v i tín hi u ra, cho phép kh năng t i dòng l n, trở kháng
ra th p, có các m ch chống ngắn m ch và h n chế dòng đi n.
 M t vi m ch khuếch đ i thuật toán phổ dụng là 741. Sơ đồ
m ch bên trong của vi m ch khuếch đ i thuật toán 741được
trình bày như trong hình vẽ: OPAMP LÝ T NG VÀ THỰC TẾ:
 Vi m ch khuếch đ i thuật toán (KĐTT) được ký hi u như hình vẽ:  Hai đầu vào:
 Đầu vào 1 (đầu được ký hi u d u ‘-‘ trong vi m ch KĐTT) gọi là
đầu vào đ o. Đi n áp v đặt vào đầu vào đ o sẽ được khuếch đ i về 1
biên đ và đ o pha ở đầu ra.
 Đầu vào 2 (đầu được ký hi u d u ‘+‘ trong vi m ch KĐTT) gọi là
đầu vào không đ o. Đi n áp v đặt vào đầu vào không đ o sẽ được 2
khuếch đ i về biên đ và không đ o pha ở đầu ra.
 M t đầu ra, đi n áp ra ký hi u là v . 0- OPAMP LÝ T NG VÀ THỰC TẾ:
 Mạch tương đương đơn giản của vi m ch khuếch đ i
thuật toán ở tần số th p được mô t như hình vẽ: OPAMP LÝ T NG VÀ THỰC TẾ:
 M t b vi m ch KĐTT khuếch đ i vi sai đi n áp v =v - d 1
v giữa hai tín hi u vào. H số khuếch đ i đi n áp hở 2
m ch được tính theo công thức: v A 0  OL vd
 Về biên đ , h số khuếch đ i hở m ch A đ t giá trị từ OL
104 t i 107. Biên đ l n nh t của đi n áp ra được gọi là
đi n áp bão hòa. Đi n áp này thường x p xỉ nhỏ hơn đi n
áp nguồn c p là 2V. Như vậy:
- (Vcc - 2) < v < Vcc - 2 0 OPAMP LÝ T NG VÀ THỰC TẾ:  Vi m ch KĐTT lý t
ng có 3 đặc điểm như sau:
 1. H số khuếch đ i đi n áp hở m ch là -∞.
 2. Trở kháng vào Rd giữa hai cực 1 và 2 là vô cùng l n, vì vậy, dòng vào bằng 0.
 3. Trở kháng ra bằng 0, nhờ vậy, đi n áp ra không phụ thu c vào t i.
 Sơ đồ m ch tương đương của vi m ch KĐTT lý tưởng được trình bày như sau: OPAMP LÝ T NG VÀ THỰC TẾ:
 Từ ba đặc điểm trên, v i vi m ch KĐTT lý tưởng ta luôn có: U   U
I  I  0 M CH KHUẾCH Đ I Đ O
 M ch khuếch đ i đ o (hình vẽ) có đầu vào không đ o nối đ t, tín
hi u U được đưa vào đầu vào đ o qua đi n trở R , m ch thực hi n 1 1
hồi tiếp âm qua đi n trở R . Đầu ra U đ o cực so v i đầu vào U . 2 2 1  Tính toán đầu ra U : 2
U   U  0
I   I  0 M CH KHUẾCH Đ I Đ O  Xét t i nút A, ta có:
I  I  I  0 1 2 U U  U  U 1  0 2   0 R R 1 2  Thay U   vào 0 ta có R2 U   .U 2 1 R1  Nhận xét: R
 Đi n áp vào được khuếch đ i lên tỷ l lầ 2 n. R
 Đi n áp ra ngược pha v i đi n áp vào. 1
M CH KHUẾCH Đ I KHÔNG Đ O
 M ch khuếch đ i không đ o có tín hi u vào được đưa t i đầu vào
không đ o, đầu vào đ o được nối đ t qua đi n trở R như hình vẽ. 1  Tính toán đầu ra U :
U   U  U 2 1
I   I  0
I  I  I  0  Xét t i nút A, ta có: 1 2 0 U U    U 0 2   0 R R 1 2
M CH KHUẾCH Đ I KHÔNG Đ O  Thay U   U vào ta có: 1 U U U 1 1   2  0 R R 1 2  R2  U U 1 2  1     R1   Nhận xét:  R2 
 Đi n áp vào được khuếch đ i lên tỷ l 1  R lần. Như vậy, đi n  1 
áp ra luôn l n hơn đi n áp vào về biên đ .
 Đi n áp ra cùng pha v i đi n áp vào. M CH C NG TR  a. M ch c ng:
 Phép c ng là m t trong những thao tác cơ b n nh t của toán
học. Có hai lo i m ch c ng thực hi n sử dụng vi m ch
khuếch đ i thuật toán mà ta sẽ nghiên cứu là m ch c ng đ o và m ch c ng không đ o..  M ch c ng đ o:
 M ch c ng đ o hai số sử dụng vi m ch KĐTT được thực hi n như hình vẽ sau: M CH C NG TR
 M ch có 2 tín hi u vào U và U được đưa song song t i 1 2
đầu vào đ o của vi m ch KĐTT.  Tính toán đầu ra U :
U   U  r 0
I   I  0  Xét t i nút A, ta có:
I  I  I  Iht  0 1 2
U U U U U U 1 2  0 r  0 R R R 1 1 1  Thay U vào ta có: - U U U 1 2 r    0 R R R 1 1 1 U    r U U 1 2 
 Đi n áp ra sẽ là tổng các đi n áp vào, l y đ o d u. M CH C NG TR
 Tổng quát: đối v i trường hợp nhiều đầu vào, m ch
c ng đ o được thực hi n như sau: N U  U . r   i i i1 M CH C NG TR
 M ch c ng không đ o:
U   U  U A  UB
I   I  0 M CH C NG TR
 Xét t i nút A, ta có: I  I  I  0 0 ht 0 U U U A A r   0 R R 2 2 U r U  A 2
 Xét t i nút B, ta có: I  I  I  0 1 2 U U U U 1 B 2 B   0 R R 1 1 U  U 1 2 U  B 2  Thay vào t U  U A B a có: U   r U U 1 2  M CH C NG TR
 Tổng quát: đối v i trường hợp nhiều đầu vào, m ch
c ng không đ o được thực hi n như sau: N U  U . r   i i i1 M CH C NG TR  b. M ch tr :
 Để thực hi n trừ hai đi n áp, người ta thường sử dụng m ch như hình vẽ sau:
U   U  U A  UB
I   I  0