of 32/32
Đây là một vi mạch tương tự. Mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amps) có một ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật điện tử hiện đại. Có thể nói không ngoa rằng: "Nếu học vi mạch mà chưa biết Op-Amps coi như chưa học vi mạch!". Nội dung chương này được trình bày dưới các đề mục sau: BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 1. Giới thiệu Mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier: Op-Amps) có ký hiệu như hình sau:

Idoc.vn Mach Khuech Dai Thuat Toan Opamp

  • View
    230

  • Download
    4

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Idoc.vn Mach Khuech Dai Thuat Toan Opamp

Text of Idoc.vn Mach Khuech Dai Thuat Toan Opamp

y l mt vi mch tng t. Mch khuch i thut ton (Op-Amps) c mt ng dng rt rng ri trong k thut in t hin i. C th ni khng ngoa rng: "Nu hc vi mch m cha bit Op-Amps coi nh cha hc vi mch!". Ni dung chng ny c trnh by di cc mc sau:

BI 1: CC KHI NIM C BN V

MCH KHUCH I THUT TON

1. Gii thiu

Mch khuch i thut ton (Operational Amplifier: Op-Amps) c k hiu nh hnh sau:

y l mt vi mch tng t rt thng dng do trong Op-Amps c tch hp mt s u im sau:

- Hai ng vo o v khng o cho php Op-Amps khuch i c ngun tn hiu c tnh i xng (cc ngun pht tn hiu bin thin chm nh nhit , nh sng, m, mc cht lng, phn ng ho-in, dng in sinh hc ... thng l ngun c tnh i xng)

- Ng ra ch khuch i s sai lch gia hai tn hiu ng vo nn Op-Amps c min nhiu rt cao v khi tn hiu nhiu n hai ng vo cng lc s khng th xut hin ng ra. Cng v l do ny Op-Amps c kh nng khuch i tn hiu c tn s rt thp, xem nh tn hiu mt chiu.

- H s khuch i ca Op-Amps rt ln do cho php Op-Amps khuch i c nhng tn hiu vi bin ch vi chc mico Volt.

- Do cc mch khuch i vi sai trong Op-Amps c ch to trn cng mt phin do n nh nhit rt cao.

- in p phn cc ng vo v ng ra bng khng khi khng c tn hiu, do d dng trong vic chun ho khi lp ghp gia cc khi (module ho).

- Tng tr ng vo ca Op-Amps rt ln, cho php mch khuch i nhng ngun tn hiu c cng sut b.

- Tng tr ng ra thp, cho php Op-Amps cung cp dng tt cho ph ti.

- Bng thng rt rng, cho php Op-Amps lm vic tt vi nhiu dng ngun tn hiu khc nhau

. . .

Tuy nhin cng nh cc vi mch khc, Op-Amps khng th lm vic n nh khi lm vic vi tn s v cng sut cao.

S chn v hnh dng mt op-amps in hnh

2. Op-Amps l tng - Op-Amps thc t

n gin trong vic tnh ton trn op-amps, c th tnh ton trn op-amps l tng sau thc hin b chnh cc thng s trong mch. c c mt ci nhn tng quan gia op-amps thc t v op-amps l tng, c th so snh mt vi thng s gia op-amps l tng v op-amp thng dng (general purpose) nh bng sau

(*) Trn thc t c nhng op-amps c ch to vi mc ch chuyn dng (trong k thut hng khng v tr, qun s, y t, cng nghip ...), cc c tnh ca n rt gn vi c tnh ca op-amps l tng. y ch so snh vi loi ph dng gi thnh thp cht lng cng khng cao.

3. H s nn tn hiu kiu chung (CMRR: Common Mode Rejection Ratio)

Do op-amps c ng vo l mch khuch i vi sai nn c mt ch s rt quan trng khi nh gi cht lng ca mch khuch i vi sai cng dng c cho op-amps: l h s CMRR. Gi tr CMRR cng cao mch c tnh trit nhiu ng pha cng tt. Thng s ny c nh ngha nh sau:

Vi Avd l h s khuch i vi sai v AvCM h s khuch i common mode.

Kt hp vi cc cng thc khi tnh trong mch khuch i vi sai, ta c:

T cng thc ny ta thy: RE cng ln cng tt cho vic trit nhiu ng pha nhng lm nh vy li lm gim h s khuch i p ca mch. Do c li i ng ngi ta s dng ngun dng thay th cho RE.

BI 2: CU TO - NGUYN L LM VIC

1. Cu to

Op-Amps l tng c cu to nh hnh v

- Khi 1: y l tng khuch i vi sai (Differential Amplifier), nhim v khuch i sai lch tn hiu gia hai ng vo v+ v v-. N hi cc u im ca mch khuch i vi sai nh: min nhiu cao; khuch i c tn hiu bin thin chm; tng tr ng vo ln ...

- Khi 2: Tng khuch i trung gian, bao gm nhiu tng khuch i vi sai mc ni tip nhau to nn mt mch khuch i c h s khuch i rt ln, nhm tng nhay cho Op-Amps. Trong tng ny cn c tng dch mc DC t mc phn cc DC ng ra.

- Khi 3: y l tng khuch i m, tn ny nhm tng dng cung cp ra ti, gim tng tr ng ra gip Op-Amps phi hp d dng vi nhiu dng ti khc nhau.

Op-Amps thc t vn c mt s khc bit so vi Op-Amps l tng. Nhng d dng trong vic tnh ton trn Op-Amps ngi ta thng tnh trn Op-Amps l tng, sau dng cc bin php b chnh (b) gip Op-Amps thc t tim cn vi Op-Amps l tng. Do thun tin cho vic trnh by ni dung trong chng ny c th hiu Op-Amps ni chung l Op-Amps l tng sau s thc hin vic b chnh sau.

2. Nguyn l lm vic

Da vo k hiu ca Op-Amps ta c p ng tn hiu ng ra Vo theo cc cch a tn hiu ng vo nh sau:

- a tn hiu vo ng vo o, ng vo khng o ni mass: Vout = Av0.V+

- a tn hiu vo ng vo khng o, ng vo o ni mass: Vout = Av0.V-

- a tn hiu vo ng thi trn hai ng vo (tn hiu vo vi sai so vi mass): Vout = Av0.(V+-V-) = Av0.(Vin)

vic kho st mang tnh tng quan, xt trng hp tn hiu vo vi sai so vi mass (lc ny ch cn cho mt trong hai ng vo ni mass ta s c hai trng hp kia). Op-Amps c c tnh truyn t nh hnh sau

Trn c tnh th hin r 3 vng:

- Vng khuch i tuyn tnh: trong vng ny in p ng ra Vo t l vi tn hiu ng vo theo quan h tuyn tnh. Nu s dng mch khuch i in p vng h (Open Loop) th vng ny ch nm trong mt khong rt b.

- Vng bo ho dng: bt chp tn hiu ng vo ng ra lun +Vcc.

- Vng bo ho m: bt chp tn hiu ng vo ng ra lun -Vcc.

Trong thc t, ngi ta rt t khi s dng Op-Amps lm vic trng thi vng h v tuy h s khuch i p Av0 rt ln nhng tm in p ng vo m Op-Amps khuch i tuyn tnh l qu b (khong vi chc n vi trm micro Volt). Ch cn mt tn hiu nhiu nh hay b tri theo nhit cng lm in p ng ra Vcc. Do mch khuch i vng h thng ch dng trong cc mch to xung, dao ng. Mun lm vic ch khuch i tuyn tnh ngi ta phi thc hin vic phn hi m nhm gim h s khuch i vng h Av0 xung mt mc thch hp. Lc ny vng lm vic tuyn tnh ca Op-Amps s rng ra, Op-Amps lm vic trong ch ny gi l trng thi vng kn (Close Loop).

3. Ngun cung cp

Op-Amps khng phi lc no cng i hi phi cung cp mt ngun n p i xng 15VDC, n c th lm vic vi mt ngun khng i xng c gi tr thp hn (v d nh +12VDC v -3VDC) hay thm ch vi mt ngun n +12VDC. Tuy nhin vic thay i v cu trc ngun cung cp cng lm thay i mt s tnh cht nh hng n tnh i xng ca ngun nh Op-amps s khng ly in p tham chiu (reference) l mass m chn nh hnh sau:

Mc d ngun n c u im l n gin trong vic cung cp ngun cho op-amps nhng trn thc t rt nhiu mch op-amps c s dng ngun i i xng.

4. Phn cc cho op-amps lm vic vi tn hiu ac

Cng nh mch khuch i ni tng RC, cc op-amps dng trong khuch i tn hiu ac cn c t lin lc trnh nh hng ca thnh phn dc gia cc tng khuch i. Di y l s mt mch khuch i m tn c li 40dB S dng ngun n.

5. Mch so snh v Schmitt Trigger

Hai dng mch ny c mt im chung l c phn cc lm vic vng bo ho. Tuy nhin gia chng vn c nhng im khc bit.

a. Mch so snh

Mch so snh tn dng ti a h s khuch i vng h trong op-amps (ti thiu khong 100 000 ln) v c ch to thnh nhng vi mch chuyn dng (comparators) nh LM339, LM306, LM311, LM393, NE527, TLC372 ... Cc VI MCH NY C THIT K P NG RT NHANH THEO S THAY I CA TN HIU VO (Slew rate khong vi ngn volt/microsecond). Tuy nhin vi p ng cc nhanh nh vy i lc dn n nhng phin toi, v d trong mch in sau

R rng tn hiu ng ra b dao ng mi khi chuyn trng thi, iu ny rt nguy him cho cc mch pha sau. khc ph nhc im trn ngi ta s dng mch Schmitt Trigger.

b. Mch Schmitt Trigger

Mch Schmitt Trigger l mch so snh c phn hi nh hnh sau

Lc ny do vin so snh vi tn hiu ng vo v+ l in th trn mch phn p R4-R2, nn theo s bin thin gia hai mc in p ca vout, mch Schmitt Trigger cng c hai ngng so snh l VH v VL.

Qua hnh trn ta nhn thy, mch Schmitt Trigger l mch so snh vin theo hai ngng VH v VL. Khi in p vin vt qua VH th gi tr ca vout l 0V v khi vin thp hn VL th vout s +Vcc (ngha l c s o pha). minh ho trc quan cho dng mch ny ngi ta thng s dng k hiu

Mch Schmitt Trigger cn c mt dng k hiu khc ngc chiu vi k hiu trn khi ta thay i cc tnh ng vo vin, lc ny vin v vout s ng pha.

BI 3: PHN HI V N NH CH LM VIC

1. Phn hi

Nh trnh by trong phn nguyn l lm vic, khi dng mch khuch i vng h ch cn tri nhit, ngun cung cp khng n nh, hay nhiu bin in p ng vo rt b cng a ng ra trng thi bo ho. Minh ha qua mch in sau

Vi Vcc=15 VDC, ch cn V+V- khong 1 miliVolt cng a Vo bo ho (vng lm vic phi tuyn). iu ny dn n mch khuch i sai dng: bt n. gim thiu s bt n ny ngi ta thc hin phn hi.

Thng thng, OP-AMP s dng phn hi theo 2 dng:

- Phn hi dng

- Phn hi m

Thot nhn c v phn hi dng l tt (lm tng li), nhng tht ra phn hi m mi tht s lm h thng n nh.

V d, ngay sau khi dng xong mt mn c nhiu ng lm cho nng ng trong mu s tng ln. x l hin tng ny ngi ta tim vo mu mt liu INSULIN kch thch s tch t ng trong mu lm nng ng trong mu gim xung. Hin tng ny gi l phn hi m?

Nh vy nh vo phn hi m ta c th la chn c h s khuch i ca mch thng qua vic hiu chnh cc gi tr in tr xung quanh Op-Amps. Tu vo tnh cht mch, ngi ta s chnh nh li cc thng s ca cc linh kin a Op-Amps vo vng lm vic tng ng. iu ny tng t nh khi phn cc transistor.

2. B chnh in p lch

a. in p lch khng

Trong Op-Amps l tng khi Vin=0 th Vout=0. Nhng vi Op-Amps thc t th khng c nh vy. Do cc linh kin bn trong mch khng hon ton i xng, nh hng ln nht trong op-amps l mch khuch i vi sai ng vo nn lc ny ng ra vn xut hin mt in p khc 0, gi l in p lch khng ng ra Voffset (output offset voltage).

b. B chnh in p lch khng

iu chnh li in p ng ra ging nh Op-Amps l tng, ngi ta t mt in p nh gia hai ng vo sao cho khi Vin=0 th Vout=0.

i vi mt s vi mch c sn chn hai chn a ra hiu chnh (thng l Null hay Offset) cho php mc thm vo mt bin tr hiu chnh in p lch ng vo. Minh ho trn hnh sau

Vi cc vi mch khng c hai chn trn, ta c th mc thm mch chnh bn ngoi nh hnh

R1 phi ln hn nhiu ln so vi R2 nhm trnh s phn dng qua R1.

3. B chnh dng lch

a. Dng phn cc ng vo v dng lch khng

Trong Op-Amps l tng, do tng tr ng vo v cng ln do dng phn cc ng vo bng 0. Nhng vi Op-Amps thc t th khng c nh vy, dng in ng vo vn tn ti kh nh (hng trm nA). Mt khc do cc linh kin bn trong mch khng hon ton i xng nn gi tr hai dng ny cng khng bng nhau v lng chnh lch gia chng c gi l dng chnh lch ng vo (input offset current). Minh ho qua hnh sau

Hnh a Hnh b

Hnh a trnh by p lch ng ra do Iib- gy ra v hnh b a thm dng Iib+ nhm b li p lch 0 do Iib- gy ra.

b. Bin php b chnh

Khi lp vo u vo khng o mt in tr R, dng phn cc Iib+ to ra mt st p l VR=R.Iib+ . Chn R sao cho in p ny b c p lch ng ra do Iib- gy ra. Tnh ton theo iu kin Iib- = Iib+, ta c:

R = RF // Rin

4. B chnh common Mode

Vi op-amps l tng in p common mode (Vcm) bng khng do mch ch khuch i s sai lch gia hai tn hiu ng vo. Nhng op-amps thc t th khng nh vy, ta c th kim tra in p common mode qua mch in sau

Vi ngun Vin c bin 1VAC, thay i tn s ngun theo tn s lm vic ca mch khuch i. Do h s nn tn hiu kiu chung (CMRR) n nh 80 n 100 dB, nn vi bin tn hiu ng ra (chnh l Vcm) < 10V l t. Vi Op-Amps thc t in p ny lun hin hu v khng phi l hng khi tn s lm vic thay i trong khong rng. gim thiu gi tr Vcm c th thc hin theo nhiu cch, cch n gin thc hin nh hnh sau

Gi tr ca RCM1 v RCM2 phi ln khng nh hng bi tng tr vo ca Op-Amps. Vi mt s op-amps chuyn dng, ngi ta trang b thm cc mch trit gim common mode ngay bn trong vi mch, v d vi vi mch LH0026 c th mc thm mch trit gim common mode nh sau

y ngun vCM c chn c bin l 1V v tn s nm trong vng tn s lm vic ca mch khuch i, sau khi cp ngun chnh li gi tr ca R3 sao cho vout = 0V l c.

Ngoi ra cn c mt s phng thc trit gim common mode khc trit b in p ny ngay t ngun tn hiu vo minh ho qua hnh

S dng hai cun dy cm ng cng thng s v mc h cm vi nhau nh hnh c. Dng tn hiu (khng ng pha) c th qua d dng (do XL=L. rt nh) minh ho trn hnh a, nhng khi tn hiu C.M i qua s b dng cm ng ca chnh n tr kh hnh b.

Cch lp cun dy trit gim C.M v c tuyn trit gim nh hnh sau

Cc dng cun dy C.M c ch to trit gim C.M hin c trn th trng

5. B chnh tn s

a. c tnh bin - tn s

Trong thc t, khi khuch i tn hiu xoay chiu li A s t l nghch vi tn s tn hiu cn khuch i, minh ha cc c tuyn bin tn ca cc op-amps 741, 748, 739 khi khuch i vng h nh hnh sau

iu ny c ngha op-amps khng khuch i c khi tn s ngun tn hiu ng vo qu cao. iu ny c th l gii d dng do in dung k sinh ca cc transistor v cc in tr trong mch to thnh cc mch lc thng thp, minh ho qua hnh

y xt mt op-amps l tng c ng vo l mt mch khuch i vi sai (KVS) c h s khuch i A=A0 (h s khuch i vng h); Cc khu +1 v mch RC c trng cho in tr v in dung tp tn ca mch (cc khu +1 c trng cho khu ghp in khng ph thuc vo tn s v c h s truyn t bng 1). T y c th tnh c h s khuch i:

Vi f1 , f2 , f3 l tn s ti hn ca 3 khu lc thng thp.

T cng thc ny c th thy khi tn s tng th gc lch pha gia ng ra v ng vo s tng theo, khi gc lch pha ny t n 180 th c th xy ra hin tng dao ng (nu tho thm iu kin v bin ). Nh vy mch khuch i s dng op-amps s do ng khi tn s ngun tn hiu vo t n mt gi tr tn s no mch bt n.

b. Cc bin php b c tuyn tn s (b pha)

d tr v bin v pha cng ln th h thng cng n nh. Nhng do hai thng s ny lin quan chc ch vi nhau nn trong thc t ch cn xt mt trong hai tham s l . Thng thng ngi ta s dng h s d tr v pha.

Vi b khuch i c mch hi tip m khng ph thuc tn s ngha l mch hi tip khng gy ra mt gc lch pha no, th d tr ch cn 45 l . Nhng khi mch hi tip khng phi l thun tr, ngha l c lm lch pha th yu cu d tr v pha phi ln hn (thm ch c khi ngi ta chn n 90 ).

V nguyn tc, b tn s hay cn gi l b pha thc cht l lm thay i c tnh tn s ca h s khuch i vng kn sao cho |Av|=|A0.Afeedback| fc: bin |A| = 1/RC, h s khuch i t l nghch vi tn s theo quan h: tn s tng 10 ln th h s khuch i gim 10 ln tc l gim 20dB/decade hay 6dB/octave.

4. Ngun dng cng sut ln

Trong thc t i khi ngun dng cung cp nng lng ra ti s tt hn ngun p v d nh khi np bnh c qui, nu s dng ngun dng bnh s lu h hn nhiu ln so vi np bng ngun p; c bit khi ngun p cung cp thng xuyn c gi tr bt n nh (nh ly in t nng lng mt tri, sc gi ...). Nhng lc nh vy ta c th s dng ngun dng trnh by trn hnh sau:

C th tng thm dng cho mch in trn khi thay Q2 bng cc transistor darlington (transistor c lp ghp sn dng darlington bn trong linh kin). Nhng lc ny R1 cng phi gim theo mt cch tng ng.

5. Ngun n p

Hin nay, n p DC s dng vi mch chuyn dng t n n nh rt cao, tuy nhin mun ch to mt b n p s dng Op-Amps c n nh tng i tt cng khng phi l iu kh! C th thc hin theo mch sau:

Khi chnh nh t s gia R2 v R3 thay i h s khuch i vng kn ca mch s lm thay i c in p ng ra mc n nh mi. Vi dng ti ti a l 1A trong khi in p ng vo bin thin trong mt dy in p rng, b ngun ny chc chn s dng c kh nhiu vic trong lnh vc in t vi mch.