Chương 2: KHUẾCH đại THUẬT TOÁN

CHƢƠNG 2

KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

Giới thiệu

2.1 Khuếch đại thuật toán lý tưởng

2.1.1 Các đầu vào/ra của khuếch đại thuật toán

2.1.2 Chức năng và đặc tính của khuyếch đại thuật toán lý tưởng

2.1.3 Tín hiệu vi sai và tín hiệu chế độ chung

2.2 Cấu trúc đảo

2.2.1 Hệ số khuếch đại vòng kín

2.2.2 Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại vòng hở hữu hạn

2.2.3 Trở kháng vào/ra

2.2.4 Bộ cộng có trọng số

2.3 Cấu trúc không đảo

2.3.1 Hệ số khuếch đại vòng kín

2.3.2 Đặc điểm của mạch khuếch đại không đảo

2.3.3 Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại vòng hở hữu hạn

2.3.4 Mạch lặp điện áp

2.4 Bộ khuếch đại vi sai

2.4.1 Mạch khuếch vi sai dùng khuếch đại thuật toán đơn

2.4.2 Bộ khuếch đại vi sai cải tiến

2.5 Mạch tích phân và mạch vi phân

2.5.1 Cấu hình đảo với trở kháng

2.5.2 Mạch tích phân đảo

2.5.3 Mạch vi phân

Giới thiệu

Khuếch đại thuật toán đã được sử dụng trong một thời gian dài, nhưng những ứng dụng

ban đầu của chúng chủ yếu là trong các lĩnh vực tính toán tương tự và thiết bị đo phức tạp.

Lúc đầu khuếch đại thuật toán được xây dựng từ các linh kiện rời rạc (các đèn chân không,

sau đó là các transistor và điện trở) và giá thành của chúng là tương đối cao. Nhưng vào giữa

những năm 1960 khuếch đại thuật toán đã được tích hợp thành một IC. Linh kiện này (µA709)

được chế tạo từ một số lượng tương đối lớn các transistor và các điện trở tích hợp trên cùng

một chip silicon. Mặc dù đặc tính của nó là khá nghèo nàn (so với tiêu chuẩn hiện nay) và giá

thành vẫn còn khá cao nhưng sự xuất hiện của nó đã đánh dấu một kỷ nguyên mới trong thiết

kế mạch điện tử.

Khi các kỹ sư điện tử bắt đầu sử dụng bộ khuếch đại thuật toán với số lượng lớn, nên đó

chính là nguyên nhân làm cho giá thành của chúng giảm xuống đáng kể. Các nhà thiết kế đòi

hỏi những bộ khuếch đại thuật toán có chất lượng tốt hơn. Nên các hãng sản xuất bán dẫn đã

đáp ứng nhanh chóng điều này và trong một khoảng thời gian một vài năm những bộ khuếch

đại thuật toán chất lượng cao trở lên thông dụng hơn, với mức giá cực kì thấp từ rất nhiều nhà

cung cấp khác nhau.

Một trong những lý do cho sự phát triển thông dụng của khuếch đại thuật toán là tính đa

năng của nó. Mọi người ta có thể làm hầu như là bất cứ việc gì với khuếch đại thuật toán. Và

có một thực tế quan trọng đối với IC khuếch đại thuật toán đó là có một số đặc tính đã gần đạt

đến giả thiết lý tưởng. Điều này có nghĩa là thật dễ dàng để thiết kế các mạch điện mà có sử

dụng khuếch đại thuật toán. Đồng thời, các mạch khuếch đại thuật toán làm việc với các hiệu

suất khá gần với dự đoán trước trên lý thuyết. Vì lý do này mà chúng ta sẽ đi nghiên cứu IC

khuếch đại thuật toán ở đầu chương này.

Như đã được nói đến, một IC khuếch đại thuật toán được chế tạo từ rất nhiều các

Transistor, điện trở và tụ điện theo một mạch khá phức tạp. Vì chúng ta vẫn chưa nghiên cứu

mạch transistor nên các mạch bên trong khuếch đại thuật toán sẽ không được đề cập đến trong

chương này. Thay vào đó ta xem khuếch đại thuật toán như là một khối mạch hợp nhất và đi

nghiên cứu các đặc điểm của các cực vào/ra và ứng dụng của nó. Cách tiếp cận này thích hợp

trong nhiều ứng dụng của khuếch đại thuật toán. Tuy nhiên, đối với những ứng dụng khó và

đòi hỏi tính khắt khe thì việc nắm bắt được cấu trúc bên trong của một IC khuếch đại thuật

toán là cần thiết. Chủ đề này sẽ được nghiên cứu trong chương tiếp theo.

2.1 Khuếch đại thuật toán lý tƣởng

2.1.1 Các đầu vào/ra của khuếch đại thuật toán

Nhìn từ góc độ tín hiệu thì mạch khuếch đại thuật toán gồm có 3 cực: 2 cực đầu vào và

một cực đầu ra. Hình 2.1 là kí hiệu chung của mạch khuếch đại thuật toán. Các đầu 1 và 2 là

đầu vào và đầu 3 là đầu ra. Và hai cực 4 và 5 là hai cực cấp nguồn một chiều cho khuếch đại

thuật toán. Trong đó, cực số 4 nối với điện áp dương Vcc và cực số 5 nối với điện áp âm –VEE.

1

2

3

Hình 2.1 Kí hiệu mạch của khuếch đại thuật toán

Trong hình 2.2(b) chúng ta thấy rõ ràng các nguồn pin sẽ cung cấp hai nguồn điện một chiều

với một điểm đất chung. Cần lưu ý rằng điểm tham chiếu nối đất trong mạch khuếch đại chỉ là

điểm chung giữa hai nguồn cấp, tức là không có cực cụ thể nào của khuếch đại thuật toán

được kết nối vật lý với đất. Do đó, chúng ta có thể ký hiệu ngắn gọn như hình 2.2(a).

1

2 3 4

5

Vcc

-VEE

1

2 3 4

5 Vcc

VEE (a) (b) Hình 2.2 Sự thể hiện của khuếch đại thuật toán khi kết nối với nguồn cấp một chiều

Ngoài ba cực tín hiệu và 2 cực đầu vào nguồn cung cấp, một khuếch đại thuật toán có thể

có các cực khác dành cho những mục đích riêng như: cực bù tần số, cực hiệu chỉnh sai lệch

tĩnh.

2.1.2 Chức năng và đặc tính của khuyếch đại thuật toán lý tƣởng

Mạch khuếch đại thuật toán được thiết kế để thu nhận hiệu số giữa hai tín hiệu điện áp đặt

vào hai cực đầu vào của nó (tức là đại lượng

2 1

v v

), sau đó nhân hiệu số này với một hệ số A

và kết quả thu được sẽ là một điện áp

  2 1 A v v

ở cực đầu ra số 3.

Ở đây cần nhấn mạnh rằng khi ta nói điện áp tại một cực có nghĩa là điện áp giữa cực đó

so với đất, do vậy v1 có nghĩa là điện áp ứng với cực 1 và đất.

Một mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng không cho phép bất kì dòng điện vào nào; tức là

tín hiệu dòng điện vào cực 1 và tín hiệu dòng điện vào cực 2 đều phải bằng 0. Nói theo cách

khác là trở kháng đầu vào của một khuếch đại thuật toán lý tưởng được coi là bằng vô cùng.