134 Hình 2.100b: Khuếch đại một chiều hai đường có biến đổi trung gian Có th ể dùng nguyên lý hình 2.100b khi thi ế t k ế b ộ khu ế ch đạ i m ộ t chi ề u có bi ế n đổ i trung gian. Đ i ệ n áp vào m ộ t chi ề u U v đồ ng th ờ i đặ t lên hai nhánh song song. M ộ t trong các nhánh đ ó là b ộ khu ế ch đạ i m ộ t chi ề u theo s ơ đồ hình 2.100a còn nhánh kia là b ộ khu ế ch đạ i m ộ t chi ề u ghép tr ự c ti ế p có h ệ s ố khu ế ch đạ i K 1 . Đ i ệ n áp ra c ủ a hai b ộ khu ế ch đạ i đ ó có đượ c đư a vào b ộ c ộ ng và sau đ ó đư a vào m ộ t b ộ khu ế ch đạ i chung ti ế p sau. N ế u tính đế n đ i ệ n áp trôi ∆ U do b ộ khu ế ch đạ i m ộ t chi ề u ghép tr ự c ti ế p gây ra, thì đ i ệ n áp đư a vào b ộ c ộ ng s ẽ là : U r = K 2 U v + K 1 (U v + ∆ U) = (K 1 + K 2 )U v + K 1 ∆ U (2-234) Khi đ ó độ trôi đ i ể m “không” t ươ ng đố i c ủ a c ả b ộ khu ế ch đạ i m ộ t chi ề u là : h = ( ) h. KK K UKK . ∆∆ K 21 1 v21 1 ′ + = + ở đ ây : h’ = ∆ U/U v là độ trôi c ủ a nhánh khu ế ch đạ i m ộ t chi ề u tr ự c ti ế p. T ừ bi ể u th ứ c trên ta th ấ y r ằ ng độ ổ n đị nh c ủ a b ộ khu ế ch đạ i m ộ t chi ề u càng cao khi t ỉ s ố K 2 /K 1 càng l ớ n. Vì tham s ố c ủ a b ộ khu ế ch đạ i m ộ t chi ề u hai nhánh có bi ế n đổ i trung gian t ố t h ơ n nhi ề u so v ớ i b ộ khu ế ch đạ i m ộ t chi ề u lo ạ i t ươ ng t ự khác, cho nên chúng đượ c dùng trong nh ữ ng tr ườ ng h ợ p khi c ầ n h ệ s ố khu ế ch đạ i cao v ớ i độ trôi đ i ể m “không” nh ỏ nh ấ t, ví d ụ nh ư trong máy tính t ươ ng t ự và các thi ế t bi đ o l ườ ng khác. 1 2 3 AC AC K K K 135 Hình 2.101: Bộ điều chế dùng tranzito 2.4 KHUẾCH ĐẠI DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN 2.4.1 Khái niệm chung Danh t ừ : “khu ế ch đạ i thu ậ t toán” (operational amplifier) thu ộ c v ề b ộ khu ế ch đạ i dòng m ộ t chi ề u có h ệ s ố khu ế ch đạ i l ớ n, có hai đầ u vào vi sai và m ộ t đầ u ra chung. Tên g ọ i này có quan h ệ t ớ i vi ệ c ứ ng d ụ ng đầ u tiên c ủ a chúng ch ủ y ế u để th ự c hi ệ n các phép tính c ộ ng, tr ừ , tích phân v.v… Hi ệ n nay các b ộ khu ế ch đạ i thu ậ t toán đ óng vai trò quan tr ọ ng và đượ c ứ ng d ụ ng r ộ ng rãi trong k ĩ thu ậ t khu ế ch đạ i, t ạ o tín hi ệ u hình sin và xung, trong b ộ ổ n áp và b ộ l ọ c tích c ự c v.v… Hình 2.102: Các kiểu IC khuếch đại thuật toán Kí hi ệ u quy ướ c m ộ t b ộ khu ế ch đạ i thu ậ t toán (OA) cho trên hình 2.102 v ớ i đầ u vào U vk (hay U v+ ) g ọ i là đầ u vào không đả o và đầ u vào th ứ hai U vd (hay U v- ) g ọ i là đầ u vào đả o. Khi có tín hi ệ u vào đầ u không đả o thì gia s ố tín hi ệ u ra cùng d ấ u (cùng pha) so v ớ i gia s ố tín hi ệ u vào. N ế u tín hi ệ u đượ c đư a vào đầ u đả o thì gia s ố tín hi ệ u ra ng ượ c d ấ u (ng ượ c pha) so v ớ i gia s ố tín hi ệ u vào. Đầ u vào đả o th ườ ng đượ c dùng để th ự c hi ệ n h ồ i ti ế p âm bên ngoài vào cho OA. C ấ u t ạ o c ơ s ở c ủ a OA là các t ầ ng vi sai dùng làm t ầ ng vào và t ầ ng gi ữ a c ủ a b ộ khu ế ch đạ i. T ầ ng ra OA th ườ ng là t ầ ng l ặ p emit ơ (CC) đả m b ả o kh ả n ă ng t ả i yêu c ầ u c ủ a các s ơ đồ . Vì h ệ s ố khu ế ch đạ i t ầ ng emit ơ g ầ n b ằ ng 1, nên h ệ s ố khu ế ch đạ i đạ t 136 đượ c nh ờ t ầ ng vào và các t ầ ng khu ế ch đạ i b ổ sung m ắ c gi ữ a t ầ ng vi sai và t ầ ng CC. Tu ỳ thu ộ c vào h ệ s ố khu ế ch đạ i c ủ a OA mà quy ế t đị nh s ố l ượ ng t ầ ng gi ữ a. Trong OA hai t ầ ng (th ế h ệ m ớ i) thì g ồ m m ộ t t ầ ng vi sai vào và m ộ t t ầ ng b ổ sung, còn trong OA ba t ầ ng (th ế h ệ c ũ ) thì g ồ m m ộ t t ầ ng vi sai vào và hai t ầ ng b ổ sung. Ngoài ra OA còn có các t ầ ng ph ụ , nh ư t ầ ng d ị ch m ứ c đ i ệ n áp m ộ t chi ề u, t ầ ng t ạ o ngu ồ n ổ n dòng, m ạ ch h ồ i ti ế p. Hình 2.103: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại thuật toán S ơ đồ nguyên lý c ủ a OA ba t ầ ng v ẽ trên hình 2.103, đượ c cung c ấ p t ừ hai ngu ồ n E c1 và E c2 có th ể không b ằ ng nhau ho ặ c b ằ ng nhau và có đ i ể m chung. T ầ ng khu ế ch đạ i vào dùng T 1 và T 2 , t ầ ng hai dùng T 5 và T 6 m ắ c theo s ơ đồ vi sai (h.2.195a). T ầ ng th ứ ba g ồ m T 7 và T 8 . Đầ u ra c ủ a nó ghép v ớ i đầ u vào c ủ a T 9 m ắ c theo t ầ ng CC. Đ i ề u khi ể n T 7 theo m ạ ch baz ơ b ằ ng tín hi ệ u ra t ầ ng hai, đ i ề u khi ể n T 8 theo m ạ ch emit ơ b ằ ng đ i ệ n áp trên đ i ệ n tr ở R 12 do dòng emit ơ T 9 ch ả y qua nó. T 8 tham gia vào vòng h ồ i ti ế p d ươ ng đả m b ả o h ệ s ố khu ế ch đạ i cao cho t ầ ng ba. Tác d ụ ng đồ ng th ờ i c ủ a T 7 và T 8 ho ặ c là làm t ă ng, ho ặ c là làm gi ả m (tu ỳ thu ộ c vào tín hi ệ u vào T 6 ) đ i ệ n áp t ầ ng CC. T ă ng đ i ệ n áp trên baz ơ T 9 là do s ự gi ả m đ i ệ n áp m ộ t chi ề u T 7 c ũ ng nh ư do s ự gi ả m đ i ệ n tr ở c ủ a T 8 và ng ượ c l ạ i. Tranzito T 3 đ óng vai trò ngu ồ n ổ n dòng, còn tranzito T 4 đượ c m ắ c thành đ i ố t để t ạ o đ i ệ n áp chu ẩ n, ổ n đị nh nhi ệ t cho T 3 đ ã đượ c nói t ớ i ở 2.3.6b. Khi đ i ệ n áp vào U vk = U vd = 0 thì đ i ệ n áp đầ u ra c ủ a OA là U r = 0. 137 D ướ i tác d ụ ng c ủ a tín hi ệ u vào (h.2.103) có d ạ ng n ữ a sóng “+”, đ i ệ n áp trên colect ơ c ủ a T 6 t ă ng, s ẽ làm dòng I B và I E c ủ a T 9 . Đ i ệ n áp trên R 12 s ẽ t ă ng làm gi ả m dòng I B và I E c ủ a T 8 . K ế t qu ả là đầ u ra OA có đ i ệ n áp c ự c d ươ ng U r > 0. N ế u tín hi ệ u vào ứ ng v ớ i n ử a sóng “-“ thì ở đầ u ra OA có đ i ệ n áp c ự c tính âm U r < 0. Đặ c tuy ế n quan tr ọ ng nh ấ t c ủ a OA là đặ c tuy ế n truy ề n đạ t đ i ệ n áp (h.2.104), g ồ m hai đườ ng cong t ươ ng ứ ng v ớ i các đầ u vào đả o và không đả o. M ỗ i đườ ng cong g ồ m m ộ t đ o ạ n n ằ m ngang và m ộ t đ o ạ n d ố c. Đ o ạ n n ằ m ngang t ươ ng ứ ng v ớ i ch ế độ tranzito t ầ ng ra (t ầ ng CC) thông bão hoà ho ặ c c ắ t dòng. Trên nh ữ ng đ o ạ n đ ó khi thay đổ i đ i ệ n áp tín hi ệ u đặ t vào, đ i ệ n áp ra c ủ a b ộ khu ế ch đạ i không đổ i và đượ c xác đị nh b ằ ng các giá tr ị U + r max , U - r max , g ọ i là đ i ệ n áp ra c ự c đạ i, ( đ i ệ n áp bão hoà) g ầ n b ằ ng E c c ủ a ngu ồ n cung c ấ p (trong các IC thu ậ t toán m ứ c đ i ệ n áp bão hoà này th ườ ng th ấ p h ơ n giá tr ị ngu ồ n E c t ừ 1 đế n 3V v ề giá tr ị ). Đ o ạ n d ố c bi ể u th ị ph ụ thu ộ c t ỉ l ệ c ủ a đ i ệ n áp ra v ớ i đ i ệ n áp vào, v ớ i góc nghiêng xác đị nh h ệ s ố khu ế ch đạ i c ủ a OA (khi không có h ồ i ti ế p ngoài). K = ∆ U n / ∆ U v Tr ị s ố K tu ỳ thu ộ c vào t ừ ng lo ạ i OA, có th ể t ừ vài tr ă m đế n hàng tr ă m nghìn l ầ n l ớ n h ơ n. Giá tr ị K l ớ n cho phép th ự c hi ệ n h ồ i ti ế p âm sâu nh ằ m c ả i thi ệ n nhi ề u tính ch ấ t c ủ a OA. Đườ ng cong lí t ưở ng (h.2.104) đ i qua g ố c to ạ độ . Tr ạ ng thái U r = 0 khi U v = 0 g ọ i là tr ạ ng thái cân b ằ ng c ủ a OA, tuy nhiên đố i v ớ i nh ữ ng OA th ự c t ế th ườ ng khó đạ t đượ c cân b ằ ng hoàn toàn, ngh ĩ a là khi U v = 0 thì U r có th ể l ớ n h ơ n ho ặ c nh ỏ h ơ n không. Nguyên nhân m ấ t cân b ằ ng là do s ự t ả n m ạ n các tham s ố c ủ a nh ữ ng linh ki ệ n trong khu ế ch đạ i vi sai ( đặ c bi ệ t là tranzito). S ự ph ụ thu ộ c vào nhi ệ t độ c ủ a tham s ố OA gây nên độ trôi thiên áp đầ u vào và đ i ệ n áp đầ u ra theo nhi ệ t độ . Vì v ậ y để cân b ằ ng ban đầ u cho OA ng ườ i ta đư a vào m ộ t trong các đầ u vào c ủ a nó m ộ t đ i ệ n áp ph ụ thích h ợ p ho ặ c m ộ t đ i ệ n tr ở để đ i ề u ch ỉ nh dòng thiên áp ở m ạ ch vào. Hình 2.104: Đặc tuyến truyền đạt của IC thuật toán Đ i ệ n tr ở ra là m ộ t trong nh ữ ng tham s ố quan tr ọ ng c ủ a OA. OA ph ả i có đ i ệ n tr ở ra nh ỏ (hàng ch ụ c ho ặ c hàng tr ă m Ω ) để đả m b ả o đ i ệ n áp ra l ớ n khi đ i ệ n tr ở t ả i nh ỏ , đ i ề u đ ó đạ t đượ c b ằ ng m ạ ch l ặ p emit ơ ở đầ u ra OA. Tham s ố t ầ n s ố c ủ a OA xác đị nh theo đặ c tuy ế n biên độ t ầ n s ố c ủ a nó (h.2.105a) b ị gi ả m ở mi ề n t ầ n s ố cao, b ắ t đầ u t ừ U r U v U v đảo U v không đảo 138 t ầ n s ố c ắ t f c v ớ i độ d ố c đề u (-20dB) trên m ộ t kho ả ng c ủ a tr ụ c t ầ n s ố . Nguyên nhân là do s ự ph ụ thu ộ c các tham s ố c ủ a tranzito và đ i ệ n dung kí sinh c ủ a s ơ đồ OA vào t ầ n s ố . T ầ n s ố f 1 ứ ng v ớ i h ệ s ố khu ế ch đạ i c ủ a OA b ằ ng 1 g ọ i là t ầ n s ố khu ế ch đạ i đơ n v ị . T ầ n s ố biên f c ứ ng v ớ i h ệ s ố khu ế ch đạ i c ủ a OA b ị gi ả m đ i √ 2 l ầ n, đượ c g ọ i là gi ả i thông khi không có m ạ ch h ồ i ti ế p âm, f c th ườ ng th ấ p c ỡ vài ch ụ c Hz. Khi dùng OA khu ế ch đạ i tín hi ệ u, th ườ ng s ử d ụ ng h ồ i ti ế p âm ở đầ u vào đả o. Vì có s ự d ị ch pha tín hi ệ u ra so v ớ i tín hi ệ u vào ở t ầ n s ố cao nên đặ c tuy ế n pha t ầ n s ố c ủ a OA theo đầ u vào còn có thêm góc l ệ ch pha ph ụ và tr ở nên l ớ n h ơ n 180 o (h.1.105b). Ở m ộ t t ầ n s ố cao f * nào đ ó, n ế u t ổ ng góc d ị ch pha b ằ ng 360 o thì xu ấ t hi ệ n h ồ i ti ế p d ươ ng theo đầ u vào đả o ở t ầ n s ố đ ó làm m ạ ch b ị m ấ t ổ n đị nh (xem 2.5.1) ở t ầ n s ố này. Để kh ắ c ph ụ c hi ệ n t ượ ng trên, ng ườ i ta m ắ c thêm m ạ ch hi ệ u ch ỉ nh pha RC ngoài để chuy ể n t ầ n s ố f * ra kh ỏ i d ả i thông c ủ a b ộ khu ế ch đạ i. Tham s ố m ạ ch RC và v ị trí m ắ c chúng trong s ơ đồ IC để kh ử t ự kích do ng ườ i s ả n xu ấ t ch ỉ d ẫ n. D ướ i đ ây ta kh ả o sát m ộ t s ố m ạ ch ứ ng d ụ ng c ơ b ả n dùng OA ở ch ế độ làm vi ệ c trong mi ề n tuy ế n tính c ủ a đặ c tuy ế n truy ề n đạ t và có s ử d ụ ng h ồ i ti ế p âm để đ i ề u khi ể n các tham s ố c ơ b ả n c ủ a m ạ ch. Hình 2.105: Khảo sát IC thuật toán bằng mô phỏng 2.4.2. Bộ khuếch đại đảo 139 Hình 2.106: Khuếch đại đảo dùng IC thuật toán B ộ khu ế ch đạ i đả o cho trên hình 2.106, có th ự c hi ệ n h ồ i ti ế p âm song song đ i ệ n áp ra qua R ht . Đầ u vào không đả o đượ c n ố i v ớ i đ i ể m chung c ủ a s ơ đồ (n ố i đấ t). Tín hi ệ u vào qua R 1 đặ t vào đầ u đả o c ủ a OA. N ế u coi OA là lý t ưở ng thì đ i ệ n tr ở vào c ủ a nó vô cùng l ớ n R v → ∞ , và dòng vào OA vô cùng bé I 0 = 0, khi đ ó t ạ i nút N có ph ươ ng trình nút dòng đ i ệ n : I v ≈ I ht . T ừ đ ó ta có : ht ra0 1 0v R UU R UU − = − (2-325) Khi K → ∞ , đ i ệ n áp đầ u vào U 0 = U r /K → 0, vì v ậ y (2-235) có d ạ ng : U v /R 1 = -U r /U ht (2-236) Do đ ó h ệ s ố khu ế ch đạ i đ i ệ n áp K đ c ủ a b ộ khu ế ch đạ i đả o có h ồ i ti ế p âm song song đượ c xác đị nh b ằ ng tham s ố c ủ a các ph ầ n t ử th ụ độ ng trong s ơ đồ : K đ = U r /U v = – R ht /R 1 (2-237) N ế u ch ọ n R ht = R 1 , thì K đ = –1, s ơ đồ (h.2.106) có tính ch ấ t t ầ ng đả o l ặ p l ạ i đ i ệ n áp ( đả o tín hi ệ u). N ế u R 1 = 0 thì t ừ ph ươ ng trình I v ≈ I ht ta có I v = – U ra /R ht hay U ra = –I v .R ht t ứ c là đ i ệ n áp ra t ỉ l ệ v ớ i dòng đ i ệ n vào (b ộ bi ế n đổ i dòng thành áp). Vì U 0 → 0 nên R v = R 1 , khi K → ∞ thì R r = 0. 140 2.4.3. Bộ khuếch đại không đảo B ộ khu ế ch đạ i không đả o (h.2.107) g ồ m có m ạ ch h ồ i ti ế p âm đ i ệ n áp đặ t vào đầ u đả o, còn tín hi ệ u đặ t t ớ i đầ u vào không đả o c ủ a OA. Vì đ i ệ n áp gi ữ a các đầ u vào OA b ằ ng 0 (U 0 = 0) nên quan h ệ gi ữ a U v và U r xác đị nh b ở i : Hình 2.107: Khuếch đại không đảo dùng IC thuật toán U v = U r . ht1 1 RR R + H ệ s ố khu ế ch đạ i không đả o có d ạ ng : K k = 1 ht 1 1ht vao ra R R 1 R RR U U += + = (2-238a) L ư u ý khi đế n v ị trí gi ữ a l ố i vào và l ố i ra t ứ c là thay th ế U ra b ằ ng U vào và ng ượ c l ạ i trong s ơ đồ (2.107a), ta có b ộ suy gi ả m đ i ệ n áp : U ra = ( ) 1 1ht vao .R RR U + (2-238b) Khi R ht = 0 và R 1 = ∞ thì ta có s ơ đồ b ộ l ặ p l ạ i đ i ệ n áp (h.2.107b) v ớ i K k = 1. Đ i ệ n tr ở vào c ủ a b ộ khu ế ch đạ i không đả o b ằ ng đ i ệ n tr ở vào OA theo đầ u vào đả o và khá l ớ n, đ i ệ n tr ở ra R r  0. 2.4.4. Mạch cộng a - Mạch cộng đảo: Sơ đồ hình 2.108 có dạng bộ khuếch đại đảo với các nhánh song song ở đầu vào bằng số lượng tín hiệu cần cộng. Coi các điện trở là bằng nhau: R ht = R 1 = R 2 = … = R n < R v . . ht ra0 1 0v R UU R UU − = − ( 2-3 25) Khi K → ∞ , đ i ệ n áp đầ u vào U 0 = U r /K → 0, vì v ậ y ( 2-2 35) có d ạ ng : U v /R 1 = -U r /U ht ( 2-2 36) Do đ ó h ệ s ố khu ế ch đạ i. t ừ U r U v U v đảo U v không đảo 138 t ầ n s ố c ắ t f c v ớ i độ d ố c đề u (-2 0dB) trên m ộ t kho ả ng c ủ a tr ụ c t ầ n s ố . Nguyên nhân là do s ự ph ụ thu ộ c các tham. đầ u ra OA có đ i ệ n áp c ự c d ươ ng U r > 0. N ế u tín hi ệ u vào ứ ng v ớ i n ử a sóng - thì ở đầ u ra OA có đ i ệ n áp c ự c tính âm U r < 0. Đặ c tuy ế n quan tr ọ ng nh ấ t