1 Chương 20: KHUẾCH ĐẠI DÙNG VI MẠCH THU ẬT TOÁN 2.4.1 Khái niệm chung Danh từ : “khuếch đại thuật toán” (operational amplifier) thuộc về bộ khuếch đ ạ i 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 hi ệ n các phép tính cộng, trừ, tích phân v.v… Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đ óng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật khuếch đại, tạo tín hi ệ u hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực v.v… Hình 2.102: Các kiểu IC khuếch đại thuật t oán Kí hiệu quy ước một bộ khuếch đại thuật toán (OA) cho trên hình 2.102 với đ ầ u vào U vk (hay U v+ ) gọi là đầu vào không đảo và đầu vào thứ hai U vd (hay U v- ) gọi là đ ầ u vào đảo. Khi có tín hiệu vào đầu không đảo thì gia số tín hiệu ra cùng dấu (cùng pha) so với gia số tín hiệu vào. Nếu tín hiệu được đưa vào đầu đảo thì gia số tín hiệu ra ngược dấu (ngược pha) so với gia số tín hiệu vào. Đầu vào đảo thường được dùng để thực hiện hồi tiếp âm bên ngoài vào cho OA. Cấu tạo cơ sở của OA là các tầng vi sai dùng làm tầng vào và tầng giữa của b ộ khuếch đại. Tầng ra OA thường là tầng lặp emitơ (CC) đảm bảo khả năng tải yêu c ầ u của các sơ đồ. Vì hệ số khuếch đại tầng emitơ gần bằng 1, nên hệ số khuếch đại đ ạ t 2 được nhờ tầng vào và các tầng khuếch đại bổ sung mắc giữa tầng vi sai và tầng CC. Tuỳ thuộc vào hệ số khuếch đại của OA mà quyết đ ị nh số lượng tầng giữa. Trong OA hai tầng (thế hệ mới) thì gồm một tầng vi sai vào và một tầng bổ sung, còn trong OA ba tầng (thế hệ cũ) thì gồm một tầng vi sai vào và hai tầng bổ sung. Ngoài ra OA còn có các tầng phụ, như tầng d ị ch mức điện áp một chiều, tầng tạo nguồn ổn dòng, m ạ ch hồi t i ế p . Hình 2.103: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại thuật t oán Sơ đồ nguyên lý của OA ba tầng vẽ trên hình 2.103, được cung cấp từ hai ngu ồ n E c1 và E c2 có thể không bằng nhau hoặc bằng nhau và có điểm chung. Tầng khu ế ch đại vào dùng T 1 và T 2 , tầng hai dùng T 5 và T 6 mắc theo sơ đồ vi sai (h.2.195a). T ầ ng thứ ba gồm T 7 và T 8 . Đầu ra của nó ghép với đầu vào của T 9 mắc theo tầng CC. Đ i ề u khiển T 7 theo mạch bazơ bằng tín hiệu ra tầng hai, điều khiển T 8 theo mạch emi t ơ bằng điện áp trên điện trở R 12 do dòng emitơ T 9 chảy qua nó. T 8 tham gia vào vòng hồi tiếp dương đảm bảo hệ số khuếch đại cao cho tầng ba. Tác dụng đồng thời của T 7 và T 8 hoặc là làm tăng, hoặc là làm giảm (tuỳ thuộc vào tín hiệu vào T 6 ) điện áp t ầ ng CC. Tăng điện áp trên bazơ T 9 là do sự giảm điện áp một chiều T 7 cũng như do s ự giảm điện trở của T 8 và ngược l ạ i . Tranzito T 3 đóng vai trò nguồn ổn dòng, còn tranzito T 4 được 3 mắc thành điốt đ ể tạo điện áp chuẩn, ổn đ ị nh nhiệt cho T 3 đã được nói tới ở 2.3.6b. Khi điện áp vào U vk = U vd = 0 thì điện áp đầu ra của OA là U r = 0. 4 Dưới tác dụng của tín hiệu vào (h.2.103) có dạng nữa sóng “+”,điện áp trên colectơ của T 6 tăng, sẽ làm dòng I B và I E của T 9 . Điện áp trên R 12 sẽ tăng làm gi ả m dòng I B và I E của T 8 . Kết quả là đầu ra OA có điện áp cực dương U r > 0. Nếu tín hi ệ u vào ứng với nửa sóng “-“ thì ở đầu ra OA có điện áp cực tính âm U r < 0. Đặc tuyến quan trọng nhất của OA là đặc tuyến truyền đạt điện áp (h.2.104), gồm hai đường cong tương ứng với các đầu vào đảo và không đảo. Mỗi đường cong gồm một đoạn nằm ngang và một đoạn dốc. Đoạn nằm ngang tương ứng với chế độ tranzito tầng ra (tầng CC) thông bão hoà hoặc cắt dòng. Trên những đoạn đó khi thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp ra của bộ khuếch đại không đổi và được xác đ ị nh bằng các giá tr ị U + , U - , gọi là điện áp ra cực đại, (điện áp bão hoà) gần b ằ ng r max r max E c của nguồn cung cấp (trong các IC thuật toán mức điện áp bão hoà này t h ườ ng thấp hơn giá tr ị nguồn E c từ 1 đến 3V về giá tr ị ). Đoạn dốc biểu th ị phụ thuộc t ỉ lệ c ủ a điện áp ra với điện áp vào, với góc nghiêng xác đ ị nh hệ số khuếch đại của OA (khi không có hồi tiếp ngoài). K = ∆U n /∆U v Tr ị số K tuỳ thuộc vào từng loại OA, có thể từ vài trăm đến hàng trăm nghìn l ầ n lớn hơn. Giá tr ị K lớn cho phép thực hiện hồi tiếp âm sâu nhằm cải thiện nhiều tính chất của OA. Đường cong lí tưởng (h.2.104) đi qua gốc toạ độ. Trạng thái U r = 0 khi U v = 0 g ọ i là trạng thái cân bằng của OA, tuy nhiên đối với những OA thực tế thường khó đ ạ t được cân bằng hoàn toàn, nghĩa là khi U v = 0 thì U r có thể lớn hơn hoặc nhỏ h ơ n không. Nguyên nhân mất cân bằng là do sự tản mạn các tham số của những linh ki ệ n trong khuếch đại vi sai (đặc biệt là tranzito). Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tham số OA gây nên độ trôi thiên áp đầu vào và điện áp đầu ra theo nhiệt độ. Vì vậy để cân bằng ban đầu cho OA người ta đưa vào một trong các đầu vào của nó một điện áp phụ thích hợp hoặc một điện trở để đ i ề u ch ỉ nh dòng thiên áp ở mạch vào. U r U v đảo 5 U v không đảo U v Hình 2.104: Đặc tuyến truyền đạt của IC thuật toán Điện trở ra là một trong những tham số quan trọng của OA. OA phải có điện t r ở ra nhỏ (hàng chục hoặc hàng trăm Ω) để đảm bảo điện áp ra lớn khi điện trở tải nh ỏ , điều đó đạt được bằng mạch lặp emitơ ở đầu ra OA. Tham số tần số của OA xác đ ị nh theo đặc tuyến biên độ tần số của nó (h.2.105a) b ị giảm ở miền tần số cao, bắt đầu t ừ 6 tần số cắt f c với độ dốc đều (-20dB) trên một khoảng của trục tần số. Nguyên nhân là do sự phụ thuộc các tham số của tranzito và điện dung kí sinh của sơ đồ OA vào t ầ n số. Tần số f 1 ứng với hệ số khuếch đại của OA bằng 1 gọi là tần số khuếch đại đơn v ị . Tần số biên f c ứng với hệ số khuếch đại của OA b ị giảm đi √2 lần, được gọi là gi ả i thông khi không có mạch hồi tiếp âm, f c thường thấp cỡ vài chục Hz. Khi dùng OA khuếch đại tín hiệu, thường sử dụng hồi tiếp âm ở đầu vào đảo. Vì có sự d ị ch pha tín hiệu ra so với tín hiệu vào ở tần số cao nên đặc tuyến pha tần s ố của OA theo đầu vào còn có thêm góc lệch pha phụ và trở nên lớn hơn 180 o (h.1.105b). Ở một tần số cao f * nào đó, nếu tổng góc d ị ch pha bằng 360 o thì xuất hi ệ n hồi tiếp dương theo đầu vào đảo ở tần số đó làm mạch b ị mất ổn đ ị nh (xem 2.5.1) ở tần số này. Để khắc phục hiện tượng trên, người ta mắc thêm mạch hiệu ch ỉ nh pha RC ngoài để chuyển tần số f * ra khỏi dải thông của bộ khuếch đại. Tham số mạch RC và v ị trí mắc chúng trong sơ đồ IC để khử tự kích do người sản xuất ch ỉ d ẫ n . Dưới đây ta khảo sát một số mạch ứng dụng cơ bản dùng OA ở chế độ làm vi ệ c trong miền tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt và có sử dụng hồi tiếp âm để đ i ề u khiển các tham số cơ bản của m ạ ch . 7 Hình 2.105: Khảo sát IC thuật toán bằng mô ph ỏ ng . là làm giảm (tuỳ thuộc vào tín hiệu vào T 6 ) điện áp t ầ ng CC. Tăng điện áp trên bazơ T 9 là do sự giảm điện áp một chiều T 7 cũng như do s ự giảm điện trở của T 8 và ngược l ạ i . Tranzito. Trên những đoạn đó khi thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp ra của bộ khuếch đại không đổi và được xác đ ị nh bằng các giá tr ị U + , U - , gọi là điện áp ra cực đại, (điện áp bão hoà) gần b ằ ng r. đạt của IC thuật toán Điện trở ra là một trong những tham số quan trọng của OA. OA phải có điện t r ở ra nhỏ (hàng chục hoặc hàng trăm Ω) để đảm bảo điện áp ra lớn khi điện trở tải nh ỏ , điều