AC K AC Hình 2.100a: Khuếch đại chiều có biến đổi trung gian K K AC K AC Hình 2.100b: Khuếch đại chiều hai đường có biến đổi trung gian Có thể dùng nguyên lý hình 2.100b thiết kế khuếch đại chiều có biến đổi trung gian Điện áp vào chiều Uv đồng thời đặt lên hai nhánh song song Một nhánh khuếch đại chiều theo sơ đồ hình 2.100a cịn nhánh khuếch đại chiều ghép trực tiếp có hệ số khuếch đại K1 Điện áp hai khuếch đại có đưa vào cộng sau đưa vào khuếch đại chung tiếp sau Nếu tính đến điện áp trơi ∆U khuếch đại chiều ghép trực tiếp gây ra, điện áp đưa vào cộng : 234) Ur = K2Uv + K1(Uv + ∆U) = (K1 + K2)Uv + K1∆U (2- Khi độ trơi điểm “không” tương đối khuếch đại chiều : h= K 1.ΔΔ K1 = h¢ (K1 + K )Uv K1 + K : h’ = ∆U/Uv độ trôi nhánh khuếch đại chiều trực tiếp Từ biểu thức ta thấy độ ổn định khuếch đại chiều cao tỉ số K2/K1 lớn Vì tham số khuếch đại chiều hai nhánh có biến đổi trung gian tốt nhiều so với khuếch đại chiều loại tương tự khác, chúng dùng 133 trường hợp cần hệ số khuếch đại cao với độ trôi điểm “khơng” nhỏ nhất, ví dụ máy tính tương tự thiết bi đo lường khác Hình 2.101: Bộ điều chế dùng tranzito 2.4 KHUẾCH ĐẠI DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN 2.4.1 Khái niệm chung Danh từ : “khuếch đại thuật toán” (operational amplifier) thuộc khuếch đại dịng chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai đầu chung Tên gọi có quan hệ tới việc ứng dụng chúng chủ yếu để thực phép tính cộng, trừ, tích phân v.v… Hiện khuếch đại thuật tốn đóng vai trị quan trọng ứng dụng rộng rãi kĩ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin xung, ổn áp lọc tích cực v.v… Hình 2.102: Các kiểu IC khuếch đại thuật tốn Kí hiệu quy ước khuếch đại thuật toán (OA) cho hình 2.102 với đầu vào Uvk (hay Uv+) gọi đầu vào không đảo đầu vào thứ hai Uvd (hay Uv-) gọi đầu vào đảo Khi có tín hiệu vào đầu khơng đảo gia số tín hiệu dấu (cùng pha) so với gia số tín hiệu vào Nếu tín hiệu đưa vào đầu đảo gia số tín hiệu ngược dấu (ngược pha) so với gia số tín hiệu vào Đầu vào đảo thường dùng để thực hồi tiếp âm bên vào cho OA 134 Cấu tạo sở OA tầng vi sai dùng làm tầng vào tầng khuếch đại Tầng OA thường tầng lặp emitơ (CC) đảm bảo khả tải yêu cầu sơ đồ Vì hệ số khuếch đại tầng emitơ gần 1, nên hệ số khuếch đại đạt nhờ tầng vào tầng khuếch đại bổ sung mắc tầng vi sai tầng CC Tuỳ thuộc vào hệ số khuếch đại OA mà định số lượng tầng Trong OA hai tầng (thế hệ mới) gồm tầng vi sai vào tầng bổ sung, OA ba tầng (thế hệ cũ) gồm tầng vi sai vào hai tầng bổ sung Ngoài OA cịn có tầng phụ, tầng dịch mức điện áp chiều, tầng tạo nguồn ổn dòng, mạch hồi tiếp Hình 2.103: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại thuật toán Sơ đồ nguyên lý OA ba tầng vẽ hình 2.103, cung cấp từ hai nguồn Ec1 Ec2 khơng nhau có điểm chung Tầng khuếch đại vào dùng T1 T2, tầng hai dùng T5 T6 mắc theo sơ đồ vi sai (h.2.195a) Tầng thứ ba gồm T7 T8 Đầu ghép với đầu vào T9 mắc theo tầng CC Điều khiển T7 theo mạch bazơ tín hiệu tầng hai, điều khiển T8 theo mạch emitơ điện áp điện trở R12 dịng emitơ T9 chảy qua T8 tham gia vào vòng hồi tiếp dương đảm bảo hệ số khuếch đại cao cho tầng ba Tác dụng đồng thời T7 T8 làm tăng, làm giảm (tuỳ thuộc vào tín hiệu vào T6) điện áp tầng CC Tăng điện áp bazơ T9 giảm điện áp chiều T7 giảm điện trở T8 ngược lại 135 Tranzito T3 đóng vai trị nguồn ổn dòng, tranzito T4 mắc thành điốt để tạo điện áp chuẩn, ổn định nhiệt cho T3 nói tới 2.3.6b Khi điện áp vào ĨA Uvk = Uvd = điện áp đầu OA Ur = Dưới tác dụng tín hiệu vào (h.2.103) có dạng sóng “+”,điện áp colectơ T6 tăng, làm dòng IB IE T9 Điện áp R12 tăng làm giảm dòng IB IE T8 Kết đầu OA có điện áp cực dương Ur > Nếu tín hiệu vào ứng với nửa sóng “-“ đầu OA có điện áp cực tính âm Ur < Đặc tuyến quan trọng OA đặc tuyến truyền đạt điện áp (h.2.104), gồm hai đường cong tương ứng với đầu vào đảo không đảo Mỗi đường cong gồm đoạn nằm ngang đoạn dốc Đoạn nằm ngang tương ứng với chế độ tranzito tầng (tầng CC) thơng bão hồ cắt dịng Trên đoạn thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp khuếch đại không đổi xác định giá trị U+r max, U-r max, gọi điện áp cực đại, (điện áp bão hoà) gần Ec nguồn cung cấp (trong IC thuật toán mức điện áp bão hoà thường thấp giá trị nguồn Ec từ đến 3V giá trị) Đoạn dốc biểu thị phụ thuộc tỉ lệ điện áp với điện áp vào, với góc nghiêng xác định hệ số khuếch đại OA (khi khơng có hồi tiếp ngoài) K = ∆Un/∆Uv Trị số K tuỳ thuộc vào loại OA, từ vài trăm đến hàng trăm nghìn lần lớn Giá trị K lớn cho phép thực hồi tiếp âm sâu nhằm cải thiện nhiều tính chất OA Đường cong lí tưởng (h.2.104) qua gốc toạ độ Trạng thái Ur = Uv = gọi trạng thái cân OA, nhiên OA thực tế thường khó đạt cân hồn tồn, nghĩa Uv = Ur lớn nhỏ không Nguyên nhân cân tản mạn tham số linh kiện khuếch đại vi sai (đặc biệt tranzito) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ tham số OA gây nên độ trôi thiên áp đầu vào điện áp đầu theo nhiệt độ Vì để cân ban đầu cho OA người ta đưa vào đầu vào điện áp phụ thích hợp điện trở để điều chỉnh dòng thiên áp mạch vào Ur Uv đảo Uv khơng đảo Uv Hình 2.104: Đặc tuyến truyền đạt IC thuật toán 136 Điện trở tham số quan trọng OA OA phải có điện trở nhỏ (hàng chục hàng trăm Ω) để đảm bảo điện áp lớn điện trở tải nhỏ, điều đạt mạch lặp emitơ đầu OA Tham số tần số OA xác định theo đặc tuyến biên độ tần số (h.2.105a) bị giảm miền tần số cao, tần số cắt fc với độ dốc (-20dB) khoảng mười (1 đề các) trục tần số Nguyên nhân phụ thuộc tham số tranzito điện dung kí sinh sơ đồ OA vào tần số Tần số f1 ứng với hệ số khuếch đại OA gọi tần số khuếch đại đơn vị Tần số biên fc ứng với hệ số khuếch đại OA bị giảm √2 lần, gọi giải thông khơng có mạch hồi tiếp âm, fc thường thấp cỡ vài chục Hz Khi dùng OA khuếch đại tín hiệu, thường sử dụng hồi tiếp âm đầu vào đảo Vì có dịch pha tín hiệu so với tín hiệu vào tần số cao nên đặc tuyến pha tần số OA theo đầu vào cịn có thêm góc lệch pha phụ trở nên lớn 180o (h.1.105b) Ở tần số cao f* đó, tổng góc dịch pha 360o xuất hồi tiếp dương theo đầu vào đảo tần số làm mạch bị ổn định (xem 2.5.1) tần số Để khắc phục tượng trên, người ta mắc thêm mạch hiệu chỉnh pha RC để chuyển tần số f* khỏi dải thông khuếch đại Tham số mạch RC vị trí mắc chúngtring sơ đồ IC để khử tự kích người sản xuất dẫn Dưới ta khảo sát số mạch ứng dụng dùng OA chế độ làm việc miền tuyến tính đặc tuyến truyền đạt có sử dụng hồi tiếp âm để điều khiển tham số mạch Hình 2.105: Khảo sát IC thuật tốn mơ 137 2.4.2 Bộ khuếch đại đảo Hình 2.106: Khuếch đại đảo dùng IC thuật toán Bộ khuếch đại đảo cho hình 2.106, có thực hồi tiếp âm song song điện áp qua Rht Đầu vào không đảo nối với điểm chung sơ đồ (nối đất) Tín hiệu vào qua R1 đặt vào đầu đảo OA Nếu coi OA lý tưởng điện trở vào vơ lớn Rv → ∞, dịng vào OA vơ bé I0 = 0, nút N có phương trình nút dịng điện : Iv ≈ Iht Từ ta có : Uv - U0 U0 - Ura = R1 Rht (2-325) Khi K → ∞, điện áp đầu vào U0 = Ur/K → 0, (2-235) có dạng : Uv/R1 = -Ur/Uht (2-236) Do hệ số khuếch đại điện áp Kđ khuếch đại đảo có hồi tiếp âm song song xác định tham số phần tử thụ động sơ đồ : Kđ = Ur/Uv = – Rht/R1 (2-237) Nếu chọn Rht = R1, Kđ = –1, sơ đồ (h.2.106) có tính chất tầng đảo lặp lại điện áp (đảo tín hiệu) Nếu R1 = từ phương trình Iv ≈ Iht ta có Iv = – Ura/Rht hay Ura = –Iv.Rht tức điện áp tỉ lệ với dòng điện vào (bộ biến đổi dịng thành áp) Vì U0 → nên Rv = R1, K → ∞ Rr = 138 2.4.3 Bộ khuếch đại không đảo Bộ khuếch đại khơng đảo (h.2.107) gồm có mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu đảo, cịn tín hiệu đặt tới đầu vào khơng đảo OA Vì điện áp đầu vào OA (U0 = 0) nên quan hệ Uv Ur xác định : Hình 2.107: Khuếch đại khơng đảo dùng IC thuật toán Uv = Ur R1 R1 + Rht Hệ số khuếch đại khơng đảo có dạng : Kk = Ura Rht + R1 R = = 1+ ht Uvao R1 R1 (2-238a) Lưu ý đến vị trí lối vào lối tức thay Ura Uvào ngược lại sơ đồ (2.107a), ta có suy giảm điện áp : Ura = Uvao R (Rht + R1 ) (2-238b) Khi Rht = R1 = ∞ ta có sơ đồ lặp lại điện áp (h.2.107b) với Kk = Điện trở vào khuếch đại không đảo điện trỏ vào OA theo đầu vào đảo lớn, điện trở Rr 2.4.4 Mạch cộng a - Mạch cộng đảo: Sơ đồ hình 2.108 có dạng khuếch đại đảo với nhánh song song đầu vào số lượng tín hiệu cần cộng Coi điện trở : Rht = R1 = R2 = … = Rn < Rv 139 Khi Iv = Iht = I1 + I2 + … + In hay n Ur = –(U1+U2+ … +Un) = – å U i (2-239) i =1 Hình 2.108 Mạch cộng đảo Hình 2.109: Mạch cộng khơng đảo Công thức (2-239) phản ánh tham gia giống số hạng tổng Tổng quát : Khi R1 ≠ … ≠ Rn có : ỉR R R Ur = ỗ ht U1 + ht U2 + + ht Un ữ ỗR ữ R2 Rn è ø (2-240) n R ỉU U U = Rht ỗ + + + n ữ = -ồ iUi vi i = ht ỗR R ÷ Ri Rn ø i =1 è b - Mạch cộng không đảo : Sơ đồ nguyên lý mạch cộng khơng đảo vẽ hình 2.109 Khi U0 = 0, điện áp hai đầu vào Uv+ = Uv– = R1 Ur R1 + Rht Khi dịng vào đầu khơng đảo khơng (Rv = ¥ ), ta có : 140 U1 - Uv - U2 - Uv U - Uv + + + n =0 R R R hay từ U1 + U2 + … + Un = n Ur = R1 Ur R1 + Rht æ R + Rht R1 + Rht (U1 + U2 + + Un ) = ỗ ỗ n.R n.R1 ố n åU ÷ ÷ i =1 i (2-241) ø Chọn tham số sơ đồ thích hợp có thừa số vế phải công thức (2-240) (R1 + Rht)/(n.R1) = Ura = U1 + U2 + … + Un = n åU i =1 2.4.5 i Mạch trừ Khi cần trừ hai điện áp, người ta thực theo sơ đồ hình 2.110 Khi điện áp đầu tính theo : Ur = K1U1 + K2U2 (2-242) Có thể tìm K1 K2 theo phương pháp sau : Cho U2 = 0, mạch làm việc khuếch đại đảo, tức Ura = –αaU1 K1 = –αa Khi U1 = 0, mạch mạch khuếch đại khơng đảo có phân áp Khi Urb = Rb U2 Rb + Rb /αb Ra/aa Rb/ab Hình 2.110: Mạch trừ 141 Hệ số khuếch đại mạch lúc Vậy: αb + αb Ur = Ura + Urb = [αb / (1+ αb )](1+ αa )U2 - αaU1 Nếu điện trở hai lối vào nhau, tức αa = αb = α K2 = α, K1 = –α Vậy Ura = α (U2 – U1) (2-243) Tổng quát, sơ đồ trừ vạn dùng để đồng thời lấy tổng lấy hiệu số điện áp vào thực mạch hình 2.111 Để rút hệ thức cần thiết, ta sử dụng quy tắc nút cửa vào A khuếch đại : n U1 - Ua i =1 a å (R /α ) + i Ua - U =0 Ra Rút : én ù αiUi - Ua êå α'i + 1ú + Ua = å i =1 ë i=1 û n Tương tự cửa vào B khuếch đại n åα U ' i i =1 ' i én ù - Ub êå α'i + 1ú = ë i=1 û Ua = Ub thoả mãn thêm điều kiện : n n åα = åα i =1 i ' i i =1 sau trừ hai biểu thức ta có : Ua = n n i =1 i =1 å α'iU'i - å αiUi (2-244) 142 Hình 2.111: Hiệu tổng tín hiệu 2.4.6 Bộ tích phân Sơ đồ tích phân mơ tả hình 2.112 Với phương pháp tính trên, từ điều kiện cân dịng nút A, iR = iC ta có –C dUr Uv = dt R Hình 2.112: Bộ tích phân t Ur = Uv dt + Uro CR ò (2-245) 143 Ở đây: Uro điện áp tụ C t = (là số tích phân xác định từ điều kiện ban đầu) Thường t = 0, Uv = Ur = Nên ta có t Ur = Uv dt τị (2-246) Ở đây: t = RC gọi số tích phân mạch Khi tín hiệu vào nấc, tốc độ thay đổi điện áp bằng: ΔUr U =- v Δt RC nghĩa đầu tích phân có điện áp tăng (hay giảm) tuyến tính theo thời gian Đối với tín hiệu hình sin, tích phân lọc tầng thấp, quay pha tín hiệu hình sin 90o hệ số khuếch đại tỉ lệ nghịch với tần số 2.4.7 Bộ vi phân Hình 2.112: Bộ vi phân Bộ vi phân cho hình 2.113 Bằng tính tốn tương tự phần có điện áp tỉ lệ với tốc độ thay đổi điện áp vào: Ur = – RC dUv dt (2-247) Ở t = RC gọi số vi phân mạch Khi tín hiệu vào hình sin, vi phân làm việc lọc tần cao, hệ số khuếch đại tỉ lệ thuận với tần số tín hiệu vào [4] làm quay pha Uvào góc 90o Thường vi phân làm việc ổn định tần cao 144 ... thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp khuếch đại không đổi xác định giá trị U+r max, U-r max, gọi điện áp cực đại, (điện áp bão hoà) gần Ec nguồn cung cấp (trong IC thuật tốn mức điện áp... điện trở vào vơ lớn Rv → ∞, dịng vào OA vơ bé I0 = 0, nút N có phương trình nút dịng điện : Iv ≈ Iht Từ ta có : Uv - U0 U0 - Ura = R1 Rht ( 2-3 25) Khi K → ∞, điện áp đầu vào U0 = Ur/K → 0, ( 2-2 35)... hiệu vào T6) điện áp tầng CC Tăng điện áp bazơ T9 giảm điện áp chiều T7 giảm điện trở T8 ngược lại 135 Tranzito T3 đóng vai trị nguồn ổn dịng, cịn tranzito T4 mắc thành điốt để tạo điện áp chuẩn,