Khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier), thường được gọi tắt là Op.Amp là một mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín hiệu ngõ vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có ngõ vào vi sai, và thông thường có ngõ ra đơn. Trong những ứng dụng thông thường, ngõ ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi ngõ ra, tổng trở ngõ vào và tổng trở ngõ ra. IC khuếch đại thuật toán nay đã là loại linh kiện điện tử rất thông dụng trong kỹ thuật điện tử.

KÝ HIỆU

Trên mạch điện của một mạch khuếch đại thuật toán có ký hiệu như sau:

Ký hiệu của Op.Amp

Trong đó:

V+ : Đầu vào không đảo
V- : Đầu vào đảo
V_out: Đầu ra

Vị trí của đầu vào đảo và đầu vào không đảo có thể hoán chuyển cho nhau khi cần thiết. Chân cấp nguồn thường người ta có thể giản lược lại, và không vẽ phần cấp nguồn này trên sơ đồ.

ĐẶC TÍNH

- Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép Op.Amp khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng.
- Ngõ ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào nên Op.Amp có độ miễn nhiễu rất cao vì khi tín hiệu nhiễu đến hai ngõ vào cùng lúc sẽ không thể xuất hiện ở ngõ ra. Cũng vì lý do này Op.Amp có khả năng khuếch đại tín hiệu có tần số rất thấp, xem như tín hiệu một chiều.
- Hệ số khuếch đại rất lớn do đó cho phép Op.Amp khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ chỉ vài chục mico Volt.
- Do các mạch khuếch đại vi sai trong Op.Amp được chế tạo trên cùng một phiến do đó độ ổn định nhiệt rất cao.
- Điện áp phân cực ngõ vào và ngõ ra bằng không khi không có tín hiệu, do đó dễ dàng trong việc chuẩn hoá khi lắp ghép giữa các khối.
- Tổng trở ngõ vào của Op.Amp rất lớn, cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất nhỏ.
- Tổng trở ngõ ra thấp, cho phép Op.Amp cung cấp dòng tốt cho phụ tải.
- Băng thông rất rộng, cho phép Op.Amp làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau
. . .
Tuy vậy, OpAmp không thể ổn định khi làm việc với tần số và công suất cao.

Sơ đồ chân Op.Amp 741

SƠ ĐỒ KHỐI

Mặc dù các thiết kế có thể khác nhau giữa các sản phẩm và các nhà chế tạo, nhưng tất cả các mạch khuếch đại thuật toán đều có chung những cấu trúc bên trong, bao gồm 3 tầng:

Sơ đồ khối của Op.Amp

Mạch khuếch đại vi sai: đây là tầng khuếch đại đầu vào có tạo ra độ khuếch đại tạp âm thấp, tổng trở vào cao, thường đầu ra là vi sai
Mạch khuếch đại trung gian: là tầng khuếch đại điện áp, tạo ra hệ số khuếch đại điện áp lớn, độ suy giảm tần số đơn cực, và thường có ngõ ra đơn
Mạch khuếch đại đệm: là tầng khuếch dại ngõ ra cho khả năng tải dòng lớn, tổng trở ngõ ra thấp, có giới hạn dòng và bảo vệ ngắn mạch.

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

Ta xét sơ đồ nguyên lý của IC khuếch đại thuật toán 741

Sơ đồ nguyên lý IC khuếch đại thuật toán 741

Các gương dòng điện (khối màu cam)

Dòng điện ban đầu để có thể sinh ra các dòng điện khác được xác định bởi điện áp cấp nguồn và điện trở 39 kΩ cùng với 2 mối nối PN tạo ra. Dòng điện được tính gần đúng bằng:

(V_S+ − V_S− − 2V_be)/39 kΩ.

Trạng thái của tầng khuếch đại ngõ vào được điều khiển bởi hai gương dòng điện bên phía trái. Q10 và Q11 hình thành một nguồn dòng Widlar trong đó điện trở 5 kΩ sẽ đặt dòng điện cực C của Q10 đến một trị số có tỷ lệ rất nhỏ so với dòng điện ban đầu. Dòng điện cố định của Q10 cấp dòng cho cực B của transistor Q3 và Q4 nhưng cũng cấp dòng cho cực B của Q9, trong khi gương dòng điện Q8 và Q9 sẽ cố bám theo độ lớn của dòng cực C của Q3 và Q4. Dòng nay cũng bằng với dòng điện yêu cầu cho ngõ vào, và sẽ là một tỷ lệ nhỏ của dòng điện Q10 vốn đã nhỏ.

Một cách khác để nhìn nhận vấn đề là nếu dòng điện của ngõ vào có khuynh hướng tăng cao hơn dòng điện Q10, thì gương dòng điện Q8, Q9 sẽ tháo bớt dòng điện ra khỏi cực B của Q3 và Q4, hạn chế dòng ngõ vào, và ngược lại. Như vậy, điều kiện về một chiều của tầng ngõ vào sẽ được ổn định nhờ một hệ thống hồi tiếp âm có độ lợi cao. Vòng hồi tiếp này cũng loại trừ những thay đổi theo hướn đồng pha của các thành phần khác trong mạch bằng cách làm cho điện áp cực B của Q3 và Q4 bám theo 2V_be thấp hơn trị số của điện áp ngõ vào.

Gương dòng điện Q12 và Q13 tạo ra dòng điện cố định cho tầng khuếch đại điện áp hạng A qua cực C của Q13, và độc lập với điện áp ngõ ra.

Ngõ vào khuếch đại vi sai (khối màu xanh dương)

Q1 và Q2 là transistor ngõ vào, lắp theo kiểu theo cực C chung phối hợp bởi cặp transistor Q3 và Q4 thành mạch vi sai ngõ vào. Ngoài ra, Q3 và Q4 cũng tác động như một bộ dời mức điện áp và tạo ra một độ lợi để kéo tầng khuếch đại hạng A, đồng thời tăng cường khả năng chịu điện áp ngược của V_be rating cho các transistor đầu vào.

Mạch khuếch đại vi sai Q1 - Q4 sẽ kéo một tải tích cực là gương dòng điện Q5 - Q7. Q7 làm tăng độ chính xác của gương dòng điện bằng cách giảm trị số dòng điện tín hiệu cần thiết đi từ Q3 để kéo cực B của Q5 và Q6. Gương dòng điện này sẽ biến đổi tín hiệu vi sai thành tín hiệu đơn theo cách sau:

Dòng điện tín hiệu của Q3 sẽ là ngõ vào của gương dòng điện trong khi ngõ ra của gương dòng điện (cực C của Q6) được nối đến cực C của Q4. Ở đây, dòng tín hiệu của Q3 và Q4 sẽ được cộng lại với nhau. Đối với nguồn vi sai ngõ vào, tín hiệu của Q3 và Q4 bằng và ngược dấu với nhau. Như thế, tổng này sẽ bằng hai lần dòng điện tín hiệu. Mạch này đã hoàn tất quá trình biến từ tín hiệu vào vi sai thành tín hiệu ra đơn.

Điện áp tín hiệu hở mạch xuất hiện ở điểm này do tổng dòng điện trên và các điện trở cực C của Q4 và Q6 nối song song. Do điện trở cực C của Q4 và Q6 đối với tín hiệu sẽ rất lớn, nên điện áp hở mạch của tầng này sẽ rất lớn.

Cần lưu ý rằng dòng điện cực B của ngõ vào khác không, và tổng trở ngõ vào vi sai của 741 sẽ xấp xỉ 2 MΩ. Chân "offset null" có thể được dùng để lắp các điện trở ngoài song song với điện trở 1 kΩ (thông thường đó sẽ là 2 đầu cuối của 1 biến trở tinh chỉnh) để điều chỉnh cân bằng cho gương dòng điện Q5, Q6, và như thế sẽ gián tiếp điều chỉnh điện áp ra khi tín hiệu ngõ vào = 0.

Mạch khuếch đại hạng A (khối màu tím)

Mạch khuếch đại điện áp hạng A bao gồm 2 transistor NPN nối Darling ton và sử dụng ngõ ra của một gương dòng điện làm tải cực C nhằm có độ lợi lớn. Tụ điện 30 pF tạo ra hồi tiếp âm chọn lọc tần số cho tầng khuếch đại này, hình thành một bộ bù tần số để tạo sự ổn định. Kỹ thuật này gọi là bù kiểu Miller và chức năng của nó giống như một mạch tích phân dùng mạch khuếch đại thuật toán. Đặc tuyến biên độ tần số của nó có độ dốc bắt đầu từ 10 Hz và giảm 3 dB / bát độ theo tần số. Nó sẽ kết thúc khi độ lợi giàm xuống một.

Mạch phân cực ngõ ra (khối màu xanh lá)

Q16 là một mạch dời mức điện áp, hoặc một mạch nhân V_be,một dạng của nguồn điện áp. Trong mạch, Q16 tạo ra một sụt áp không đổi giữa cực C và cực E bất kể dòng điện qua mạch. Nếu dòng điện cực B gần bằng không, điện áp giữa hai cực E và cực B là 0.625 V (trị số tiêu chuẩn của BJT trong miền tích cực), Do đó dòng điện đi qua điện trở 4.5 kΩ sẽ bằng với dòng đi qua điện trở 7.5 kΩ, và sẽ gây ra giảm áp trên đó là 0.375 V. Do đó nó sẽ duy trì điện áp trên 2 đầu transistor và 2 điện trở là 0.625 + 0.375 = 1 V. Nó sẽ phân cực cho 2 transistor ngõ ra ở vùng dẫn và giúpn giảm méo xuyên tâm. Trong một số mạch khuếch đại linh kiện rời, chức năng này được thực hiện với chỉ 2 diode.

Tầng khuếch đại ngõ ra (khối màu vàng)

Đây là một mạch khuếch đại kiểu đầy kéo hạng AB (Q14 và Q20) được phân cực bằng bộ nhân điện áp V_be Q16 và các điện trở cực C của nó. Tầng này được kéo bằng cực C của Q13 và Q19. Dải điện áp ra khoảng thấp hơn 1 volt so với nguồn cấp ứng bao gồm phần điện áp của V_be transistors Q14 và Q20.

Điện trở 25 Ω trong mạch ra tác động như một mạch nhạy dòng, để tạo chức năng giới hạn dòng ra của transistor Q14 đến trị số khoảng 25 mA đối với 741. Giới hạn cho dòng điện ra âm bằng cách sử dụng điện áp ngang qua điện trở cực E của Q19 và dùng điện áp này để giảm bớt dòng điện kéo cực B của Q15. Với các phiên bản mới hơn có thể thấy những sai biệt nhỏ trong mạch giới hạn dòng ra này.

Điện trở ra có thể không bằng 0 nhưng ta có thể cho nó tiến đến gần 0 nếu có sử dụng hồi tiếp âm.

(Còn nữa...)

Tin tức - Dịch vụ khác

Chính sách bảo hành - đổi trả - hoàn tiền trên linhkien4u.com

Chính sách bảo mật thông tin trên linhkien4u.com

Chính sách vận chuyển và giao nhận

Các phương thức thanh toán

LED - Cơ bản và ứng dụng.

Cảm biến chuyển động PIR và ứng dụng

Power ampli đèn lai Class D Medusa

Thanh toán an toàn sử dụng tài khoản Bảo Kim

Linh kiện điện tử và DIY

Đặt hàng với linhkien4u

CÔNG TY TNHH.MTV THƯƠNG MẠI DỊCH VỤ BKITEC

Mã số doanh nghiệp: 0313009850

Địa chỉ: 42 Hồng Lạc phường 11 quận Tân Bình TP.HCM. ĐT: 08.39714641