Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương CHƯƠNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN OP-AMP GIỚI THIỆU CHƯƠNG Các điơt transistor nhỏ ghép với nhiều linh kiện thụ động để thực chức thành khối lớn Ngồi ra, chế tạo rời rạc nên tham số transistor khơng giống ký hiệu Do đó, ghép nhiều linh kiện rời rạc khơng bảo đảm độ tin cậy cao khơng kinh tế Vì hướng phát triển kỹ thuật điện tử sau bán dẫn kỹ thuật vi điện tử Chương trình bày đặc điểm tính chất vi mạch tích hợp sử dụng rộng rãi lĩnh vực kỹ thuật điện tử Op-amp NỘI DUNG 6.1 Khái Niệm: Mạch khuếch đại thuật toán thực chất loại mạch điện tử sử dụng máy tính, nhiệm vụ mạch thực thuật toán như: cộng, trừ, tích phân, vi phân … Mạch khuếch đại thuật toán viết tắt Op – Amp (Operational – Amplifier) khuếch đại DC có hệ số khuếch đại Av cao thường chế tạo dạng tích hợp IC (Integrated Circuit) Ngày nay, KĐTT ứng dụng rộng rãi nhiều lónh vực khác có tần số hoạt động rộng từ tín hiệu DC đến tín hiệu có tần số vài GHz Thông thường khuếch đại thuật toán có chân: hai chân cấp điện chiều Vcc, chân ngõ vào đảo Vi- , chân ngõ vào không đảo Vi+ chân ngõ Vo 6.2 Cấu Tạo Của Mạch OP-AMP: Cấu trúc khuếch đại thuật toán bao gồm: Ngõ vào tầng khuếch đại vi sai, tầng khuếch đại trung gian ( tầng đệm khuếch đại vi sai), tầng dòch mức DC để đặt mức phân cực DC ngõ cuối tầng đệm ngõ để có để khuếch đại dòng có trở kháng thấp Các tầng khuếch đại ghép trực tiếp với Trang 98 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương Trong thực tế sử dụng thường ta quan tâm đến khối vào khối khuếch đại thuật toán Hình vẽ giới thiệu sơ đồ chi tiết khuếch đại thuật toán Cặp transistor Q1, Q2 tạo thành mạch khuếch đại vi sai ngõ vào Tín hiệu lấy từ cực C Q1, Q2được đưa đến cực B transistor Q3 Q4, cặp transistor tạo thành mạch khuếch đại vi sai thứ hai Tín hiệu lấy từ cực C Q4 đưa vào cực B Q5 hai transistor Q5 Q6 tạo thành mạch ghép Darlington để tăng hệ số khuếch đại dòng chúng có kiểu mắc C chung để có trở kháng ngõ thấp Tín hiệu ngõ lấy điện trở R4 điện trở phân cực cho cực E Q6 Q7 nguồn dòng cho cặp vi sai Q1 Q2 Điện trở R5, R6, R7 điôt tạo thành mạch phân cực ổn đònh nhiệt cho Q7 Điện trở R8, R9, R10 điôt tạo thành mạch phân cực ổn đònh nhiệt cho Q8 Điện áp ngõ Vo dấu (hoặc pha) với điện áp vào Vi+ cực B Q1, khác dấu (hoặc ngược pha) với điện áp vào cực B Q2 Vì hai ngõ vào gọi ngõ vào đảo ngõ vào không đảo 6.3 Đặc Tính Và Các Thông Số Của Một Bộ OP-AMP Lý Tưởng: Trang 99 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương Trên hình vẽ ký hiệu khuếch đại thuật toán thông dụng, bao gồm: ngõ vào đảo Vi-, ngõ vào không đảo Vi+, ngõ Vo hai ngõ cấp nguồn Vcc Trạng thái ngõ mạch hồi tiếp trở ngõ vào hình vẽ gọi trạng thái vòng hơ ûvà lúc khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại điện áp vòng hở Avo Tùy theo cách đưa tín hiệu ngõ vào Vi mà ta có tín hiệu ngõ Vo sau: - Đưa tín hiệu đến ngõ vào đảo: Vo = - Avo.Vi - Đưa tín hiệu ngõ vào không đảo: Vo = Avo.Vi Đưa tín hiệu đồng thời hai ngõ vào gọi tín hiệu vào vi sai: Vo = Avo.(Vi+ - Vi-) = Avo Vi Ở trạng thái tónh, Vi+ = Vi- = suy Vo = Hình vẽ minh họa đặc tính truyền đạt điện áp vòng hở (Avo) khuếch đại thuật toán Theo đặc tuyến có ba vùng làm việc: - Vùng khuếch đại: Vo = Avo.Vi ( Vi = Vi+ - Vi- nằm khoảng Vs) - Vùng bảo hòa dương: Vo = +Vcc , Vi > Vs - Vùng bảo hòa âm: Vo = -Vcc , Vi < Vs ±Vs mức ngưỡng điện áp vào, giới hạn phạm vi mà quan hệ Vo (Vi) tuyến tính Trang 100 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương Trong thực tế, ta sử dụng khuếch đại thuật toán trạng thái vòng hở Trong chế độ khuếch đại tuyến tính, người ta phải dùng hồi tiếp âm để giúp KĐTT làm việc ổn đònh đồng thời vùng làm việc tín hiệu vào tương ứng mở rộng Trạng thái KĐTT có thêm mạch hồi tiếp âm gọi trạng thái vòng kín có hệ số khuếch đại vòng kín Avf Một KĐTT lý tưởng có thông số sau: - Hệ số khuếch đại vòng hở: Avo   - Tổng trở vào ri   - Tổng trở Ro  6.4 Các Mạch Ứng Dụng Cơ Bản Của Op-amp: Các KĐTT có hệ số khuếch đại vòng hở Avo lớn từ 20.000 đến 100.000 hệ số khuếch đại Avo sử dụng mạch so sánh Còn mạch ứng dụng khác phải kết hợp với phương pháp hồi tiếp âm để giảm hệ số khuếch đại, mạch ứng dụng chia thành hai loại: đảo pha không đảo pha Đặc tính mạch gần phụ thuộc vào linh kiện kèm theo bên 6.4.1 Mạch so sánh: Đây mạch hồi tiếp âm Hệ số khuếch đại lúc hệ số khuếch đại vòng hở Avo Do Avo lớn, cần có điện áp nhỏ Vin ngõ vào điện áp ngõ Vo nhanh chóng đạt đến giá trò giới hạn Vcc Ví dụ: cho Vcc = 12V Avo = 30.000 lúc cần Vin = 0.4 mV đủ làm cho Ua = ub 6.4.2 Mạch Khuếch đại đảo: Ở mạch hệ số khuếch đại làm giảm xuống nhờ điện áp hồi tiếp lấy từ ngõ qua cầu phân áp đưa ngược trở lại ngõ vào đảo Tín hiệu đảo pha so với tín hiệu vào: Trang 101 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương Do KĐTT có Ri   nên Ii = Vi+ = Vi- = Từ đó: - Dòng điện qua R1: Vin Vo I = = R1 R2 - Hệ số khuếch đại: Vo R2 Av = =Vin R1 - Tổng trở vào: Vin Zin = = R1 I Từ công thức ta nhận thấy: Hệ số khuếch đại Av mạch khuếch đại đảo phụ thuộc vào linh kiện điện trở R1, R2 Còn dấu trừ chứng tỏ điện áp lệch pha so với điện áp vào 180 6.4.3 Mạch khuếch đại không đảo: Tín hiệu cần khuếch đại đưa đến ngõ vào không đảo điện áp hồi tiếp phần điện áp đưa trở ngõ vào đảo Do KĐTT có Ri   nên Ii = Vi+ = Vi- = Từ đó: - Dòng điện qua R1, R2: ViVo I= = R1 R1 + R2 - Hệ số khuếch đại: Vo R1 + R2 R2 Av = = =1+ Vin R1 R1 - Tổng trở vào: Zin Để tính Zin ta cần vẽ lại mạch điện sau: Trang 102 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương Ta có: Vin= Vin + .Vo Với: R1 = = R1 + R2 Av Vo = Avo Vi Vin = Iin.Rin Rin: tổng trở KĐTT Thay vào biểu thức Vin: Avo Vin = Iin.Rin + Iin.Rin Av Vin Avo Zin = = R1.(1 + ) Iin Av Vậy mạch có tổng trở lớn Nhận xét: hệ số khuếch đại Av phụ thuộc vào R1, R2 Av có trò số dương điều chứng tỏ tín hiệu vào tín hiệu đồng pha 6.4.4 Mạch điều khiển theo thời gian: Sơ đồ mạch điện: Ta có: K cuộn dây rờ le trung gian Trang 103 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương Khi vừa cấp nguồn cho mạch điện R2, R3 tạo cầu phân áp đặt 6V vào chân số đầu vào không đảo Ở đầu vào đảo số 2, Uc Đầu chân trì trạng thái bảo hòa dương +Vcc, T ngưng dẫn K ngưng hoạt động Sau thời gian, tụ C nạp tới trò số điện áp lớn điện áp đầu vào không đảo lúc đầu OPAM trạng thái bảo hòa âm làm cho transistor T dẫn bảo hòa rờ le K hoạt động đóng mở tiếp điểm mạch điều khiển Để đảm bảo rờ le hoạt động xác lần hoạt động yêu cầu điện áp tụ C phải Chính vậy, ngắt mạch tụ C xả điện qua D1, R2 R3 Do ngắt điện đột ngột nên cuộn dây xuất điện áp cảm ứng có trò số lớn làm hỏng transistor Để tránh tượng này, ta cần mắc điôt D2 để triệt tiêu điện áp cảm ứng Đây mạch trì thời gian đóng mạch hay tác động Ngược lại, ta thay đổi vò trí chân số chân số mạch hoạt động theo nguyên tắc ngược lại nghóa mạch trì thời gian ngắt 6.4.5 Điều khiển theo nhiệt độ: Sơ đồ mạch điện: Nhiệt trở NTC có tính chất nhiệt độ tăng trò số điện trở giảm Mạch có nguyên lý hoạt động sau: Khi đóng điện nguồn vào R1, R2 tạo cầu phân áp đặt điện áp 6V vào chân số Do nhiệt độ lò lúc chưa cao NTC có trò số điện trở lớn điện áp đặt vào chân số nhỏ 6V nên đầu chân số có trạng thái bảo hòa dương nên T dẫn điện, rờle K hoạt động đóng tiếp điểm làm cho lò nhiệt hoạt động Khi nhiệt độ lò tăng cao làm trò số điện trở NTC giảm, cầu phân áp R5, R6 tạo điện áp lớn 6V đưa vào chấn số nên mạch lật trạng thái chuyển sang Trang 104 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương trạng thái bảo hòa âm làm T ngưng dẫn rờle ngưng hoạt động ngắt tiếp điểm dẫn đến lò nhiệt ngưng hoạt động R5 điều chỉnh cho nhiệt độ lò thấp nhiệt độ yêu cầu R6 > R5 ngược lại nhiệt độ lò lớn nhiệt độ yêu cầu R6 < R5 Trang 105 .. .Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương Trong thực tế sử dụng thường ta quan tâm đến khối vào khối khuếch đại thuật toán Hình vẽ giới thiệu sơ đồ chi tiết khuếch đại thuật toán Cặp transistor... điện áp vào, giới hạn phạm vi mà quan hệ Vo (Vi) tuyến tính Trang 100 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương Trong thực tế, ta sử dụng khuếch đại thuật toán trạng thái vòng hở Trong chế độ khuếch đại. .. số khuếch đại Av mạch khuếch đại đảo phụ thuộc vào linh kiện điện trở R1, R2 Còn dấu trừ chứng tỏ điện áp lệch pha so với điện áp vào 180 6. 4.3 Mạch khuếch đại không đảo: Tín hiệu cần khuếch đại