C2_Khuech Dai Thuat Toan

1

CHƯƠNG 2: KĐ THUẬT TOÁN

Operational Amplifiers

Giảng viên: TS. Nguyễn Phương Huy

Bộ môn Kỹ thuật Điện tử

Khoa Điện tử

Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp04/21/23

Nội dung chính

Khuếch đại thuật toán lý tưởng

Cấu trúc đảo

Cấu trúc không đảo

Bộ khuếch đại vi sai

Mạch tích phân và mạch vi phân

Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại vòng hở giới hạn

và băng thông

Mạch khuếch đại thuật toán tín hiệu lớn04/21/23 2


Các đầu vào/ra của khuếch đại thuật toán

04/21/233

Kí hiệu mạch của khuếch đại thuật toán

Sự thể hiện của khuếch đại thuật toán khi kết nối với nguồn cấp một chiều


4

− Trở kháng vào vô cùng lớn

− Trở kháng ra bằng 0

− Hệ số khuếch đại chế độ chung

bằng 0 hay tương đương, sự

loại bỏ chế độ chung là vô hạn

− Hệ số khuếch đại vòng hở A vô

cùng lớn

− Dải tần số làm việc vô cùng lớnMạch tương đương của khuếch đại

thuật toán lý tưởng

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

Low Output stages

outZ OutputInverting input Differential

input stage

Intermediate Amplifier stagesNoninverting

input

1

2

3

Inverting input

Noninverting input

Output

Common terminal2v

1 0i

2 0i

1v


04/21/23 5

− Tín hiệu vào vi sai là sự sai lệch giữa hai tín hiệu đầu vào

12 vvvId

− Tín hiệu vào chế độ chung là giá trị trung bình của hai tín hiệu vào

212

1vvvIcm

21Id

Icmv

vv 22Id

Icmv

vv Biểu diễn nguồn tín hiệu và theo các thành phần tín hiệu vào vi sai và tín

hiệu vào chế độ chung

Tín hiệu vi sai và tín hiệu chế độ chung

Cấu trúc đảo

Giới thiệu

Một cấu trúc dạng đảo của mạch khuếch đại thuật toán

6

Cấu trúc đảo

Hệ số khuếch đại vòng kín

11

1//

R

Avv

R

Avvi oIoI

210 RiA

vvo

21

0 /R

R

Avv

A

v Io

ARR

RR

v

vG

I

o

//11

/

12

12

Hệ số khuếch đại vòng kín:

7

CCV

CCV

iv

ov

1G /fR R

CCV

GCCV

G

Cấu trúc đảo


Phân tích mạch dạng đảo. Các số được

khoanh tròn cho thấy các bước phân tích

2

1 1

o

v

v RA

v R Hệ số khuếch đại vòng kín:

8

Cấu trúc đảo

Trở kháng vào và ra

111 /

RRv

v

i

vR

I

IIi

− Để tránh suy giảm tín

hiệu ta chọn R1 lớn ?

− R2 ?

Trở kháng ra của bộ khuếch đại vòng kín là bằng 0

Trở kháng vào

9

Cấu trúc đảo

Trở kháng vào và ra

3

4

2

4

1

2

1

0 1R

R

R

R

R

R

v

v

Giải pháp tăng trở kháng vào

10

Cấu trúc đảo

Sử dụng IC KĐTD khuếch đại dòng

Mạch KĐ dòng với trở kháng vào bằng 0, và trở kháng ra bằng vô cùng11

Cấu trúc đảo

Sử dụng IC KĐTD khuếch đại dòng

Mạch KĐ dòng với trở kháng vào bằng 0, và trở kháng ra bằng vô cùng12

Cấu trúc đảo

Bộ cộng có trọng số

13

Cấu trúc đảo

Bộ cộng có trọng số

Bộ cộng có khả năng thực hiện phép cộng hai hệ số khác dấu

44

33

22

110 R

Rv

R

Rv

R

R

R

Rv

R

R

R

Rvv cc

b

ca

b

ca

14


Giới thiệu

15

fR

1R

1i

fi

iv

ov

CCV

CCV

iv

1G fR / R

CCV

GCCV

G



16

ARR

RR

v

vG

I //11

/1

12

120

10 0

2 1

( )I

Rv A v v

R R



2

1

1V

RA

R

Phân tích cấu trúc không đảo. Thứ tự các bước phân tích

được thể hiện bởi các số khoanh tròn.

17


Đặc điểm của mạch khuếch đại không đảo

18

− Hệ số khuếch đại của bộ

khuếch đại không đảo là

dương

− Trở kháng đầu vào bằng vô

cùng

− Trở kháng đầu ra của bộ

khuếch đại bằng 0.


Mạch lặp điện áp

19


Bài tập ví dụa. Sử dụng nguyên lý xếp chồng tìm điện áp ra của mạch?

b. Bỏ điện trở 1 k đi và thay vào đó là một nguồn tín hiệu vào v3

Tìm v3 theo v1 , v2 , v3 ?


Giới thiệu

cmcmIddo vAvAv

||

||log20

cm

d

A

ACMRR Tỉ số loại bỏ tín hiệu chế độ chung (CMRR):


Mạch khuếch vi sai dùng khuếch đại thuật toán đơn

4 22 2

3 4 1

1o I

R Rv v

R R R

21 1

1o I

Rv v

R

1

2

1

2

34

4 1R

R

R

R

RR

R

1

2

3

4

R

R

R

R

IdIIo vR

Rvv

R

Rv

1

212

1

2 1

2

R

RAd



42 2

3 4o Icm

Rv v i R

R R

134

3

34

4

11

11

RRR

Rvv

RR

Rv

Ri IcmIcmIcm

34 2

4 3 1 4

1O Icm

RR Rv v

R R R R

4

3

1

2

43

4 1R

R

R

R

RR

R

v

vA

Icm

ocm

4 2

3 1

R R

R R

Xác định hệ số khuếch đại chế độ chung



1111 0 iRiRvId 12RRId Hạn chế!


Bộ khuếch đại vi sai cải tiến

Vẫn còn hạn chế!



Mạch tối ưu?





Xác định hệ số khuếch đại chế độ chung


Cấu hình đảo với trở kháng


Cấu hình đảo với trở kháng

a) Tìm biểu thức hàm truyền

Vo(s)/Vi(s).

b) Hãy tìm hệ số khuếch đại một

chiều

c) Tìm tần số 3 dB.

d) Thiết kế mạch khuếch đại với

hệ số khuếch đại một chiều

bằng 40 dB, tần số 3 dB là 1

kHz, và trở kháng vào là 1 k.

31

(a) Xác định hàm truyền đạt. ( ) / ( )o iv s v s

Giải:

1 2

1 2

2 1

2 2

02 2

2

/

( ) 1

( ) ( ) ( )

1

1

1

1

o

i

v s

v s z s Y s

R sC

R R

sC R

R

ωC R

2R

1R

2C

iv

ov


32

02 2

(c) Evaluate 3-dB frequency

the 3-dB freque1

ncy ωC R

2

1

(b) find the dc gain

The dc gai Kn R

R

2 1

(d) design the circuit to obtain a dc gain of 40 dB,

a 3-dB frequency of 1 kHz, and input resistance of 1 k .

In order to obtain a dc gain of 40 dB, we select R /R 100.

Solu

For

tion:

an in

1

2 0 2

0 2 3 32 2 0 2

put resistance of 1 k , we select R 1 k , and thus

R 100k , for a 3-dB frequency 1kHz, we select C from

1 1 1 1.59 F.

2 1 10 100 10

f

ω C nC R ω R π


33

Mạch tích phân đảo

RC

ov

1i

1i

iv

Cv

OPA10

10

1( ) ( )

1( ) ( ) ( )

t

C C

t

o C C

v t V i tC

v t v t V i tC

34

12

We can be described alternatively in the frequency domain

1by subtituting ( ) , and ( )

( )Z s R Y s sC

Z s

1

1

1

1

1,

(

/ 90

the unity gai

)

n frequency as

1

1

( )

( ) 1

( )

o

o

oo to

t

t

v

vv v

v

s

v s sRC

v j

v j j RC

RC

RC

1

RC

20dB/decade

(dB)o

i

V

V

0


35

1

2

1

( )

1( )

1 1

( ) /1

( ) 1

1the Corner frequency as ,

the dc gain as /F

F

F

F

F

F

o FF

F

Z s R

RZ s

sR

R

CscR

R

v s R RsR C

v s C

R

sR

R

R

C

Fig2.42 The Miller integrator with a large resistance RF connectedin parallel with C in order to provide negative feedback and

hence finite gain at dc

FR

1R

C

( )iv t

( )ov t


36

i oi C C

o

R

i oR C

i

dv vdQQ Cv , i i C , I

dt dt Rdv v

idv

v RCdt

i Cdt R

iv

R

C

ov

Ri

Ci OPA

Mạch vi phân

37

1 2

The frequency domain transfer function of the differentiator circuit

1can be found by subtituting ( ) , and ( )Z s Z s R

sC

1

1

1

1

,

/ 90

the unity gain frequency as

1

( ) ( )

( ) ( )

o

t

oo

t

o

t

o

vR

v s v jsRC j RC

v s v

Cv

v v

RC

j

1/ RC

20dB/decade

/ (dB)o iV V

0

Mạch vi phân

38

2.6.1 Offset Voltage

fR

1R

osV

Offset-free op amp

2

1

1o os

RV V

R

OPAoV

To rest of circuit

Offset-nullingterminals

+V

V

Ảnh hưởng của nguồn một chiều

Điện áp lệch không

39

1

2

31BI

2BI

1 2

1 2

2B B

B

OS B B

I II

I I I

Phân cực đầu vào và dòng lệch không


40

2R

1R

1BI

2BI

0

1BI

1 2o BV I R

1 2 2O B BV I R I R


41

2R

1R

3R

1BI

2BI

31 2

1B B

RI I

R

2 3

1

BI R

R

2BI oV

2 3BI R

2 3 2 1 2 3 1

1 2

2 3 2 1

3

2 1 23 1 2

2 1 1 2

/

Consider first case , which results in

1 /

Thus we can reduce to zero by selecting such that

//1 /

O B B B

B B B

O B

O

V I R R I I R R

I I I

V I R R R R

V R

R R RR R R

R R R R


Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại vòng hở giới hạn và băng thông

Sự phụ thuộc tần số của hệ số khuếch đại vòng hởHệ số khuếch đại vòng hở của một mạch KĐTT có bù trong

b

o

s

AsA

/1

b

o

j

AjA

/1

b Với

j

AjA bo

boAjA

Dải thông hệ số khuếch đại: 2/ttf 1o bt

t

AA j

f

fjA tt

Vậy:


Đáp ứng tần số của bộ khuếch đại vòng kín

2 1 2 1

2 1 2

1 2 1

/ /

1 1 / / 11 1

/ 1 /

o

i

t

V R R R R

V R R A R sA R R R

− Hệ số khuếch đại vòng kín của bộ khuếch đại đảo

2 1

2 1

/

1/ 1 /

o

i

t

V s R RsV sR R

123 /1 RR

tdB

Hệ số khuếch đại một chiều=?


Đáp ứng tần số của bộ khuếch đại vòng kín

Hệ số khuếch đại một chiều=?

− Hệ số khuếch đại vòng kín của bộ khuếch đại không đảo

2 1 2 1

2 1

2 1

1 / 1 /

1 1 / / 1/ 1 /

o

i

t

V R R R RsV R R AR R

12

3 /1 RRt

dB

Mạch khuếch đại thuật toán tín hiệu lớn

Sự bão hòa điện áp đầu ra

− L+ và L- nhỏ hơn khoảng 1V so

với điện áp nguồn dương và âm

− VD : một bộ khuếch đại thuật

toán hoạt động với nguồn cung

cấp là ± 15 V thì nó sẽ bị bão hòa

khi điện áp đầu ra đạt khoảng

+13V mức dương và -13V mức

âm


Giới hạn dòng điện đầu ra

Dòng điện đầu ra bị giới hạn ở mức cực đại nhất

định.

Ví dụ với bộ khếch đại 741, dòng điện đầu ra cực

đại thông thường là ±20mA.

Phải đảm bảo rằng dòng điện đầu ra không được

vượt quá 20mA ( bao gồm cả dòng điện trong

mạch hồi tiếp cũng như dòng điện cấp tới điện trở

tải)

47


Cho mạch khuếch đại không đảo như hình dưới. Bộ KĐTT được thiết kế với điện áp bão hòa đầu ra là ±13V, Dòng điện bão hòa đầu ra là ±20mA.

(a) Với vP =1V và RL=1k, xác định

tín hiệu đầu ra bộ khuếch đại

2

1

1+ =10

10V10mA

1kΩ10V

=1mA(9+1)kΩ

L

F

RG

R

i

i

2 9kR

1 1kR

LR

1I

fI

iv

ov

0

PV

oI LI

48

Sol: is increased to 1.5V , will saturate at 13V

13V 13V 13mA, =1.3mA

1kΩ (9+1)kΩ

= 14.3 mA, well under its limit of 20 mA.

p o

L F

o

V V

i i

i

ov

ccV

ccV

13V

15V

13V

15V


(a) Với VP =1,5V và RL=1k, xác định tín hiệu đầu ra bộ khuếch đại

49

(d) Find Vp=1V, what is the lowest value of RL for which an

undistorted sine-wave output is obtained？

(max)min

min

Sol: 1.5V ,

10V 10V 20mA=

9k +1k

=526 .

p

oL

L

V

iR

R

Sol: The maximum value of for undistoted sine-wave output 1.3V.

The output will be a 13-V peak sine-wave.

The op-amp output current at peak will be 14.3mA.

PV

(c) Find RL=1k, what is the maximum value of VP for which an

undistorted sine-wave output is obtained？


Documents

C2_Khuech Dai Thuat Toan