Giáo án môn Vật lý - Mạch khuếch đại thuật toán op - Amp

Chào mừng các bạn đến với bài thuyết trình của nhóm đề tài:Mạch khuếch đại thuật toán op-ampMạch khuếch đại thuật toán (tiếng Anh: operational amplifier), thường được gọi tắt là op-amp.là một mạch khuếch đại một chiều nối tầng trực tiếp với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn. 1.Khái niệm*Mạch khuếch đại thuật toán tích hợp (loại đơn và đôi) được đóng gói trong vỏ chất dẻo 2 hàng chân (dual in-line package) ("DIPs") có 8 chân ra.một mạch khuếch đại thuật toán 741 được đóng gói trong vỏ kim loại TO-52.Lich sử hình thành và phát triểnTừ khi mới ra đời, mạch khuếch đại thuật toán được thiết kế để thực hiện các phép tính bằng cách sử dụng điện áp như một giá trị tương tự để mô phỏng các đại lượng khác. Do đó, nó mới được đặt tên là "Mạch khuếch đại thuật toán". Các mạch khuếch đại thuật toán thực nghiệm, được lắp ráp bằng các transistor, các đèn điện tử chân không hoặc những linh kiện khuếch đại khác, được trình mày dưới dạng những mạch linh kiện rời rạc hoặc các mạch tích hợp đã tỏ ra rất tương hợp với những linh kiện thực sựNhững mạch khuếch đại thuật toán tích hợp đầu tiên được ứng dụng rộng rãi từ cuối thập niên 1960, là các mạch sử dụng transistor lưỡng cực μA709 của hãng Fairchild, do Bob Widlar thiết kế năm 1965; nó nhanh chóng bị thay thế bằng mạch 741, mạch này có những tiện ích tốt hơn, độ ổn định cao hơn và dễ sử dụng hơn.  Những thiết kế tốt hơn đã được giới thiệu, một số dựa trên transistor hiệu ứng trường FET (cuối thập niên 1970) và transistor hiệu ứng trường có cổng cách điện MOSFET(đầu thập niên 1980). Rất nhiều những linh kiện hiện đại này có thể thay thế được cho các mạch sử dụng 741, mà không cần thay đổi gì, nhưng lại cho những hiệu năng tốt hơn.3.Nguyên lý hoạt độngĐầu vào vi sai của mạch khuếch đại gồm có đầu vào đảo và đầu vào không đảo, và mạch khuếch đại thuật toán thực tế sẽ chỉ khuếch đại hiệu số điện thế giữa hai đầu vào này. Điện áp này gọi là điện áp vi sai đầu vàoTrong hầu hết các trường hợp, điện áp đầu ra của mạch khuếch đại thuật toán sẽ được điều khiển bằng cách trích một tỷ lệ nào đó của điện áp ra để đưa ngược về đầu vào đảo. Tác động này được gọi là hồi tiếp âm. Nếu tỷ lệ này bằng 0, nghĩa là không có hồi tiếp âm, mạch khuếch đại được gọi là hoạt động ở vòng hở. Và điện áp ra sẽ bằng với điện áp vi sai đầu vào nhân với độ lợi tổng của mạch khuếch đại, theo công thức sau: V = (V+ - V− ).GTrong đó V+ là điện thế tại đầu vào không đảo, V− là điện thế ở đầu vào đảo và G gọi là độ lợi vòng hở của mạch khuếch đại.Do giá trị của độ lợi vòng hở rất lớn và thường không được quản lý chạt chẽ ngay từ khi chế tạo, các mạch khuếch đại thuật toán thường ít khi làm việc ở tình trạng không có hồi tiếp âm. Ngoại trừ trường hợp điện áp vi sai đầu vào vô cùng bé, độ lợi vòng hở quá lớn sẽ làm cho mạch khuếch đại làm việc ở trạng thái bão hòa trong các trường hợp khác sẽ nói ở những phần sau. Một cấu hình khác của mạch khuếch đại thuật toán là sử dụng hồi tiếp dương, mạch này trích một phần điện áp ra đưa ngược trở về đầu vào không đảo. Ứng dụng quan trọng của nó dùng để so sánh, với đặc tính trễ hysteresis .3.1. Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng Với mọi giá trị điện áp ở đầu vào, một mạch khuếch đại thuật toán "lý tưởng" có:Độ lợi vòng hở vô cùng lớn,Băng thông vô cùng lớn,Tổng trở đầu vào vô cùng lớn, (để cho dòng điện đầu vào bằng không),Điện áp bù bằng khôngTốc độ thay đổi điện áp vô cùng lớn,Tổng trở đầu ra bằng không.Tạp nhiễu (độ ồn) bằng không Như thế, đầu vào của mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng khi tính toán trong vòng hồi tiếp có thể mô phỏng bằng một khâu nullator, ngõ ra với một khâu norator và kết hợp cả 2 ( một mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng hoàn chỉnh) bằng một khâu nullor.Thực sự mạch khuếch đại thuật toán chỉ gần đạt được các ý tưởng trên: bên cạnh các giá trị giới hạn về tốc độ thay đổi, băng thông, điện áp bù và những thứ tương tự như thế, các thông số của mạch khuếch đại thuật toán thực tế sẽ bị thay đổi theo thời gian và có thể bị thay đổi theo nhiệt độ, tình trạng của các đầu vào...Các mạch tích hợp hiện đại sử dụng transistor hiệu ứng trường (FET) hoặc transistor hiệu ứng trường có cổng cách điện Oxit kim loại MOSFET sẽ có các đặc tính gần với mạch lý tưởng hơn các mạch sử dụng transistor lưỡng cực khi các tín hiệu lớn phải xử lý trong điều kiện nhiệt độ phòng qua một băng thông giới hạn. Đặc biệt, tổng trở vào cao hơn rất nhiều, tuy nhiên các mạch dùng transistor lưỡng cực thường tốt hơn về mặt trôi điện áp bù, và độ ồn.3.2 Những giới hạn của bộ khuếch đại thuật toán thực tếNhững sai lệch về mặt một chiềuNhững sai lệch về mặt xoay chiềuNhững sai lệch do phi tuyếnNhững lưu ý về mặt công suấtNhững sai lệch về mặt một chiềuĐộ lợi hữu hạn - Người ta thường nhắc đến điều này khi thiết kế toàn diện cố gắng tính toán độ lợi đến gần với độ lợi của mạch khuếch đại.Tổng trở vào hữu hạn - điều này sẽ tạo ra giới hạn trên cho việc tính toán các điện trở trong mạch hồi tiếp.Tổng trở ra không xuống đến không -Tổng trở ra tỷ lệ nghịch với dòng tĩnh của tầng cuối (nếu dòng tĩnh rất bé thì tổng trở ra sẽ rất lớn).Dòng điện định thiên đầu vào — Một dòng điện nhỏ (cỡ ~10 nA đối với các mạch khuếch đại thuật toán dùng Transistor lưỡng cực, hoặc cỡ picoamperes đối với các thiết kế dùng CMOS) chảy trong mạch vào. Ảnh hưởng của nó chỉ có ý nghĩa đối với những mạch có công suất rất thấp.Điện áp bù đầu vào (Input offset voltage) — Đây là điện áp cần đặt vào đầu vào để bảo đảm đầu ra bằng 0. Hạn chế này làm ảnh hưởng mạnh đến các thông số của mạch khuếch đại mà có thể phụ thuộc vào điểm không của mạch, thường là điện áp nằm giữa điện áp cấp nguồn dương và điện áp cấp nguồn âm.Độ lợi đồng pha - Thông số tiêu chuẩn để đánh giá tác động này là hệ số triệt tín hiệu đồng pha (hoặc đồng thời) common-mode rejection ratio (viết tắt là CMRR). Giảm thiểu hệ số này là điều rất quan trọng trong các mạch khuếch đại không đảo làm việc ở hệ số khuếch đại lớn.Hiệu ứng nhiệt — Tất cả các thông số của mạch khuếch đại thuật toán bị ảnh hưởng do nhiệt. Độ trôi nhiệt của điện áp bù đầu vào đặc biệt quan trọng.Những sai lệch về mặt xoay chiềuBăng thông hữu hạn — Tất cả các mạch khuếch đại đề có băng thông hữu hạn. Hạn chế này sẽ gây ra những vấn đề cho mạch khuếch đại thuật toán.Điện dung đầu vào — Rất quan trọng trong các ứng dụng cao tần vì nó làm hạ thấp băng thông vòng hở của mạch khuếch đại.Hệ số khuếch đại đồng phaNhững sai lệch do phi tuyếnBão hòa — điện áp đầu ra sẽ bị giới hạn ở trị số thấp nhất và cao nhất gần với điện áp nguồn nuôi. Hiện tượng bão hòa xảy ra khi điện áp đầu ra của mạch khuếch đại đạt đến các giá trị, và thường tùy thuộc vào: Trong trường hợp mạch khuếch đại thuật toán sử dụng nguồn lưỡng cực, độ lợi điện áp làm cho điện áp đầu ra dương hơn trị số cao nhất hoặc âm hơn trị số thấp nhấtTrong trường hợp mạch khuếch đại thuật toán sử dụng nguồn đơn cực, nếu độ lợi điện áp gây ra điện áp đầu ra dương hơn trị số cao nhất, hoặc khi điện áp ra quá thấp, gần điện thế đất hơn trị số giới hạn thấp nhấtĐộ dốc điện áp — Đầu ra của các mạch khuếch đại có thể đạt đến mức thay đổi điện áp cao nhất của nó. Đại lượng tốc độ thay đổi điện áp tối đa đo được thường được hiển thị theo đơn vị vôn trên mili giây. Khi đang ở trong thời điểm thay đổi này, mọi thay đổi ở đầu vào đều không ảnh hưởng đến đầu ra. Độ dốc của đầu ra mạch khuếch đại thường do các điện dung ký sinh bên trong mạch khuếch đại, đặc biệt là những mạch có hỗ trợ mạch bù tần số bên trongHàm truyền phi tuyến — Điện áp ra có thể sẽ không tỷ lệ chính xác vối điện áp vi sai đầu vào. Điều này sinh ra méo dạng nếu đầu vào là một tín hiệu có dạng sóng. Ảnh hưởng của nó sẽ rất bé trong các mạch có sử dụng hồi tiếp âm.Những lưu ý về mặt công suấtGiới hạn dòng điện đầu ra — Dòng điện đầu ra phải được giới hạn. Thực ra đa số các mạch khuếch đại thuật toán đã được thiết kế sao cho giới hạn dòng điện đầu ra không vượt quá một trị số xác định, khoảng 25 mA đối với mạch khuếch đại thuật toán 741 do đó có thể tự bảo vệ mạch và các mạch bên ngoài không bị hư hỏng.Giới hạn công suất tiêu tán — Một mạch khuếch đại thuật toán là một mạch khuếch đại tuyến tính. Do đó nó sẽ bị tiêu tán một năng lượng dưới dạng nhiệt năng, tỷ lệ với dòng điện đầu ra và hiệu số điện áp giữa điện áp nguồn và điện áp đầu ra. Nếu mạch khuếch đại tiêu tán quá nhiều năng lượng, nhiệt độ của nó có thể tăng lên trên ngưỡng an toàn. Mạch có thể bị dẫn đến sụp đổ do nhiệt hoặc bị phá hỏng.4. Ký hiệuKý hiệu của mạch khuếch đại thuật toán trên sơ đồ điện Trong đó:V+: Đầu vào không đảoV−: Đầu vào đảoVout: Đầu raVS+: Nguồn cung cấp điện dươngVS−: Nguồn cung cấp điện âmỨng dụng mạch khuếch đại thuật toánỨng dụng mạch tuyến tính 1.1 Mạch khuếch đại vi sai  Mạch điện này dùng để tìm ra hiệu số, hoặc sai số giữa 2 điện áp mà mỗi điện áp có thể được nhân với một vài hằng số nào đó. Các hằng số này xác định nhờ các điện trở. Tổng trở vi sai Zin (giữa 2 chân đầu vào) = R1 + R2 Hệ số khuếch đại vi saiNếu R1 = R2 và Rf = Rg,Vout = A(V2 − V1) và A = Rf / R11.2 Mạch khuếch đại đảo Mạch khuếch đại đảoDùng để đổi dấu và khuếch đại một điện áp (nhân với một số âm)Zin = Rin (vì V − là một điểm đất ảo)Một điện trở thứ ba, được thêm vào giữa đầu vào không đảo và đất mặc dù đôi khi không cần thiết lắm, nhưng nó sẽ giảm thiểu sai số do dòng định thiên đầu vào.1.3 Mạch khuếch đại không đảo Mạch khuếch đại không đảoDùng để khuếch đại một điện áp (nhân với một hằng số lớn hơn 1) : thực ra, tổng trở bản thân của đầu vào op-amp có giá trị từ 1 MΩ đến 10 TΩ. Trong nhiều trường hợp tổng trở đầu vào có thể được xem như cao hơn, do ảnh hưởng của mạch hồi tiếpMột điện trở thứ ba, được thêm vào giữa nguồn tín hiệu vào Vin và đầu vào không đảo trong khi thực ra không cần thiết, nhưng nó sẽ làm giảm thiểu những sai số do dòng điện định thiên đầu vào.