Bộ khuếch đại thuật toán là gì

0
257
Khái niệm cơ bản về bộ khuếch đại thuật toán

Bộ khuếch đại thuật toán là gì là thiết bị tuyến tính có tất cả các đặc tính cần thiết để khuếch đại tín hiệu DC gần như lý tưởng và do đó được sử dụng rộng rãi trong điều hòa tín hiệu, lọc hoặc để thực hiện các phép toán như cộng, trừ, tích phân và vi phân.

Bộ khuếch đại thuật toán , hoặc op-amp , về cơ bản là một thiết bị khuếch đại điện áp được thiết kế để được sử dụng với các linh kiện phản hồi bên ngoài như điện trở và tụ điện giữa đầu ra và đầu vào của nó. Các thành phần phản hồi này xác định chức năng kết quả hoặc “hoạt động” của bộ khuếch đại và nhờ các cấu hình phản hồi khác nhau cho dù điện trở, điện dung hay cả hai, bộ khuếch đại có thể thực hiện nhiều hoạt động khác nhau, dẫn đến tên gọi là “Bộ khuếch đại thuật toán”.

Một bộ khuếch đaih thuật toán về cơ bản là một thiết bị có ba đầu kết nối bao gồm hai đầu vào trở kháng cao. Một trong các đầu vào được gọi là Đầu vào Đảo , được ký hiệu bằng dấu âm hoặc dấu “trừ”, (    ). Đầu vào khác được gọi là Đầu vào không đảo , được ký hiệu bằng dấu dương hoặc dấu “cộng” (  +  ).

Các bạn đã hiểu Bộ khuếch đại thuật toán là gì chưa ???

Đầu kết ba đại diện cho cổng đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán có thể vừa tạo sink vừa tạo source điện áp hoặc dòng điện. Trong bộ khuếch đại thuật toán tuyến tính, tín hiệu đầu ra là hệ số khuếch đại, được gọi là hệ số khuếch đại (  A  ) nhân với giá trị của tín hiệu đầu vào và tùy thuộc vào bản chất của các tín hiệu đầu vào và đầu ra này, có thể có bốn cách phân loại khác nhau về hoạt động khuếch đại khuếch đại.

  • Điện áp  :  Điện áp “vào” và Điện áp “ra”
  • Dòng điện  :  Dòng điện “vào” và Dòng điện”ra”
  • Transconductance   – Điện áp “vào” và Dòng “ra”
  • Transresistance   – Dòng điện “vào” và Điện áp “ra”

Giải thích : ” Đối với các mạch điện tử logic, người ta phân biệt sink và source theo trạng thái của tầng ra khi được kích hoạt
(active).
Tầng ra sink, sẽ active khi ở mức 0, và trans ngõ ra sẽ là nguồn hút dòng từ bên ngoài. Do đó phải có điện trở tải kéo lên cực dương để cấp dòng cho nó. Nếu không có điện trở tải này, thì khi không kích hoạt (deactive) ngõ ra không lên 1 được. Tầng ra sink thường được thiết kế dạng mạch open collector.

Tầng ra source, sẽ active khi ở mức 1. Trans ngõ ra sẽ là nguồn cấp dòng cho tải bên ngoài. Nếu không có tải, ngõ ra khi không kích hoạt sẽ không xuống 0 được.

Một số tầng ra source, có thêm một tải bên trong, thụ động hay tích cực, nên khi không kích hoạt vẫn xuống 0 được.

Đa số các IC họ TTL và CMOS, ngõ ra vừa có chức năng sink, vừa có chức năng source. Các IC giải mã cho đèn 7 đoạn, thường là sink, hoặc source…”

Vì hầu hết các mạch xử lý bộ khuếch đại thuật toán là bộ khuếch đại điện áp, chúng tôi sẽ giới hạn các hướng dẫn trong phần này chỉ với bộ khuếch đại điện áp, (Vin và Vout).

Tín hiệu điện áp đầu ra từ Bộ khuếch đại thuật toán là sự khác biệt giữa các tín hiệu được áp dụng cho hai đầu vào riêng lẻ của nó. Nói cách khác, tín hiệu đầu ra op-amps là sự khác biệt giữa hai tín hiệu đầu vào vì giai đoạn đầu vào của Bộ khuếch đại thuật toán trên thực tế là một bộ khuếch đại vi sai như hình dưới đây.

Bộ khuếch đại vi sai

Mạch dưới đây cho thấy một dạng tổng quát của bộ khuếch đại vi sai với hai đầu vào V1 và V2 . Hai bóng bán dẫn giống nhau TR1 và TR2 đều được phân cực tại cùng một điểm hoạt động , với Cực E của chúng được kết nối với nhau.

opamp-opamp52 Bộ khuếch đại thuật toán là gì

Bộ khuếch đại vi sai

Mạch hoạt động từ nguồn cung cấp kép + Vcc và -Vee đảm bảo cung cấp liên tục. Điện áp ở đầu ra, Vout của bộ khuếch đại là sự khác biệt giữa hai tín hiệu đầu vào vì hai đầu vào cơ sở ngược pha với nhau.

Vì vậy, khi phân cực thuận của bóng bán dẫn, TR1 tăng lên, phân cực thuận của bóng bán dẫn TR2 giảm và ngược lại. Sau đó, nếu hai bóng bán dẫn được kết hợp hoàn hảo, dòng điện chạy qua điện trở RE chung.

Giống như tín hiệu đầu vào, tín hiệu đầu ra cũng cân bằng và vì điện áp cực C dao động theo hướng ngược nhau (ngược pha) hoặc cùng hướng (cùng pha) nên tín hiệu điện áp đầu ra, được lấy từ giữa hai cực C, giả sử một đoạn mạch hoàn toàn cân bằng thì hiệu điện thế giữa hai cực C bằng không.

Đây được gọi là Chế độ chung hoạt động với độ lợi chế độ chung của bộ khuếch đại là độ lợi đầu ra khi đầu vào bằng không.

Bộ khuếch đại thuật toán cũng có một đầu ra (mặc dù có những đầu ra có đầu ra khác biệt bổ sung) trở kháng thấp được nối đất và nó sẽ bỏ qua bất kỳ tín hiệu chế độ chung nào, nếu một tín hiệu giống hệt nhau được áp dụng cho cả đảo và đầu vào không đảo ngược nên không thay đổi đầu ra.

Tuy nhiên, trong các bộ khuếch đại thực tế luôn có một số biến thiên và tỷ lệ giữa sự thay đổi của điện áp đầu ra liên quan đến sự thay đổi của điện áp đầu vào chế độ chung được gọi là Tỷ lệ loại bỏ Chế độ Chung hoặc viết tắt là CMRR .

Bản thân Bộ khuếch đại thuật toán có mức khuếch đại DC vòng hở rất cao và bằng cách áp dụng một số dạng Phản hồi âm, chúng ta có thể tạo ra mạch khuếch đại hoạt động có đặc tính khuếch đại rất chính xác chỉ phụ thuộc vào tính hiệu phản hồi được sử dụng. Lưu ý rằng thuật ngữ “vòng lặp mở” có nghĩa là không có thành phần phản hồi nào được sử dụng xung quanh bộ khuếch đại nên đường phản hồi hoặc vòng lặp sẽ mở.

Một bộ khuếch đại thuật toán chỉ phản hồi sự khác biệt giữa điện áp trên hai đầu vào của nó, thường được gọi là “ Điện áp đầu vào chênh lệch ” chứ không phải điện thế chung của chúng. Sau đó, nếu cùng một hiệu điện thế được áp dụng cho cả hai đầu thì đầu ra kết quả sẽ bằng không. Độ lợi của Bộ khuếch đại hoạt động thường được gọi là Độ lợi vi sai vòng mở và được ký hiệu ( o ).

Mạch tương đương của một bộ khuếch thuật toán lý tưởng

Khai-niem-co-ban-ve-bo-khuech-dai-thuat-toan Bộ khuếch đại thuật toán là gì

Tham số Op-amp

Open Loop Gain

  • Chức năng chính của bộ khuếch đại hoạt động là khuếch đại tín hiệu đầu vào và càng có độ lợi vòng hở càng tốt. Độ lợi vòng hở là độ lợi của op-amp không có phản hồi tích cực hoặc tiêu cực và đối với bộ khuếch đại như vậy, độ lợi sẽ là vô hạn nhưng giá trị thực điển hình nằm trong khoảng 20.000 đến 200.000.

Trở kháng đầu vào, (Z IN )

  • Vô hạn – Trở kháng đầu vào là tỷ số của điện áp đầu vào so với dòng điện đầu vào và được giả định là vô hạn để ngăn chặn bất kỳ dòng điện nào chạy từ nguồn cung cấp vào mạch đầu vào của bộ khuếch đại ( IN = 0 ). Op-amps thực có dòng rò đầu vào từ một vài pico-amps đến vài mili-amps.

Trở kháng đầu ra, (Z OUT )

  • ZERO – Trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng được giả định là bằng không hoạt động như một nguồn điện áp bên trong hoàn hảo không có điện trở bên trong để nó có thể cung cấp nhiều dòng điện cần thiết cho tải. Nội trở này mắc nối tiếp hiệu quả với tải do đó làm giảm điện áp đầu ra có sẵn cho tải. Op-amps thực có trở kháng đầu ra trong phạm vi 100-20kΩ.

Band With, (BW)

  • Vô hạn – Một bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng có đáp ứng tần số vô hạn và có thể khuếch đại bất kỳ tín hiệu tần số nào từ tần số DC đến tần số AC cao nhất, do đó nó được giả định là có băng thông vô hạn. Với op-amps thực, băng thông bị giới hạn bởi sản phẩm Độ lợi-Băng thông (GB), bằng với tần số mà độ lợi của bộ khuếch đại trở nên thống nhất.

Điện áp bù, (V IO )

  • Zero – Đầu ra của bộ khuếch đại sẽ bằng không khi chênh lệch điện áp giữa đầu vào đảo  và không đảo bằng 0, giống nhau hoặc khi cả hai đầu vào đều được nối đất. Op-amps thực có một số lượng điện áp bù đầu ra.

Từ các đặc điểm “lý tưởng hóa” ở trên, chúng ta có thể thấy rằng điện trở đầu vào là vô hạn, vì vậy không có dòng điện nào chạy vào một trong hai đầu vào (“quy tắc dòng điện”) và điện áp bù đầu vào vi sai bằng 0 (“quy tắc điện áp”). Điều quan trọng là phải nhớ hai thuộc tính này vì chúng sẽ giúp chúng ta hiểu hoạt động của Bộ khuếch đại hoạt động liên quan đến phân tích và thiết kế mạch op-amp.

Tuy nhiên, các Bộ khuếch đại thuật toán thực tế như uA741 thường có sẵn , chẳng hạn không có độ lợi hoặc băng thông vô hạn nhưng có “Độ lợi vòng lặp mở” điển hình, được định nghĩa là bộ khuếch đại đầu ra của bộ khuếch đại mà không có bất kỳ tín hiệu phản hồi bên ngoài nào được kết nối với nó và cho một bộ khuếch đại thuật toán là khoảng 100dB tại DC (không Hz). Độ lợi đầu ra này giảm tuyến tính với tần số xuống “Unity Gain” hoặc 1, ở khoảng 1MHz và điều này được thể hiện trong đường cong đáp ứng độ lợi vòng hở sau đây.

Đường cong đáp ứng tần số vòng mở – bộ khuếch đại thuật toán là gì

Duong-cong-dap-ung-tan-so-vong-mo Bộ khuếch đại thuật toán là gì

Từ đường cong đáp ứng tần số này, chúng ta có thể thấy rằng tích của độ lợi so với tần số là không đổi tại bất kỳ điểm nào dọc theo đường cong. Ngoài ra, tần số Unity gain (0dB) cũng xác định độ lợi của bộ khuếch đại tại bất kỳ điểm nào dọc theo đường cong. Hằng số này thường được gọi là Gain Bandwidth hoặc GBP . Vì thế:

GBP = Gain x Bandwidth = A x BW

Tương tự, các bộ khuếch đại hoạt động đạt được ở 1kHz = 60dB hoặc 1000, do đó GBP được cho là:

GBP = A x BW = 1.000 x 1.000Hz = 1.000.000 . Giống nhau! .

Các Voltage Gain ( AV ) của bộ khuếch đại thuật toán có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng công thức sau đây:

Voltage-Gain Bộ khuếch đại thuật toán là gì

và tính bằng Decibel hoặc ( dB ) được cho là:

Băng thông của bộ khuếch đại thuật toán là gì

Băng thông của bộ khuếch đại hoạt động là dải tần mà độ lợi điện áp của bộ khuếch đại trên 70,7% hoặc -3dB (trong đó 0dB là cực đại) của giá trị đầu ra tối đa của nó như hình dưới đây.

Bang-thong-cua-bo-khuech-dai-thuat-toan Bộ khuếch đại thuật toán là gì

Ở đây chúng tôi đã sử dụng dòng 40dB làm ví dụ. -3dB hoặc 70,7% của Vmax điểm xuống từ đường cong đáp ứng tần số được cho là 37dB . Lấy một đường ngang cho đến khi nó giao với đường cong GBP chính cho chúng ta một điểm tần số ngay trên đường 10kHz vào khoảng 12 đến 15kHz. Bây giờ chúng ta có thể tính toán điều này chính xác hơn vì chúng ta đã biết GBP của bộ khuếch đại, trong trường hợp cụ thể này là 1MHz.

Ví dụ về bộ khuếch đại hoạt động số 1.

Sử dụng công thức 20 log (A) , chúng ta có thể tính toán băng thông của bộ khuếch đại là:

37 = 20 log (A)   Nên A = anti-log (37 ÷ 20) = 70.8

GBP ÷ A = Bandwidth,  do đó, 1,000,000 ÷ 70.8 = 14,124Hz, or 14kHz

Sau đó, băng thông của bộ khuếch đại ở mức tăng 40dB được cho là 14kHz như dự đoán trước đó từ đồ thị.

Ví dụ về bộ khuếch đại hoạt động số 2.

Nếu mức tăng của bộ khuếch đại thuật toán được giảm một nửa để nói rằng 20dB trong đường cong đáp ứng tần số ở trên, điểm -3dB bây giờ sẽ ở mức 17dB. Sau đó, điều này sẽ cung cấp cho bộ khuếch đại hoạt động đạt được tổng thể là 7,08, do đó A = 7,08 .

Nếu chúng ta sử dụng công thức tương tự như trên, độ lợi mới này sẽ cung cấp cho chúng ta một băng thông xấp xỉ 141,2kHz , nhiều hơn mười lần so với tần số được đưa ra tại điểm 40dB. Do đó, có thể thấy rằng bằng cách giảm “độ lợi vòng mở” tổng thể của một bộ khuếch đại thuật toán, băng thông của nó được tăng lên và ngược lại.

Nói cách khác, băng thông của bộ khuếch đại hoạt động tỷ lệ nghịch với độ lợi của nó, (  A1/∞BW  ). Ngoài ra, điểm tần số góc -3dB này thường được gọi là “điểm nửa công suất”, vì công suất đầu ra của bộ khuếch đại ở một nửa giá trị lớn nhất của nó như được hiển thị:

cong-thuc-tinh-cong-suat-dau-ra-bo-khuech-dai Bộ khuếch đại thuật toán là gì

Tóm tắt hoạt động của bộ khuếch đại thuật toán là gì 

Bây giờ chúng ta biết rằng bộ khuếch đại thuật toán là bộ khuếch đại vi sai DC có độ lợi rất cao sử dụng một hoặc nhiều mạng phản hồi bên ngoài để điều khiển phản ứng và đặc tính của nó. Chúng ta có thể kết nối các điện trở hoặc tụ điện bên ngoài với op-amp theo một số cách khác nhau để tạo thành các mạch “Khối xây dựng” cơ bản như: Bộ khuếch đại loại đảo , không đảo, theo điện áp, tổng, vi sai, tích hợp và bộ khuếch đại loại khác nhau.

ky-hieu-op-amp Bộ khuếch đại thuật toán là gì
Ký hiệu Op-amp

Một bộ khuếch đại hoạt động “lý tưởng” hoặc hoàn hảo là một thiết bị có một số đặc điểm đặc biệt như độ lợi vòng hở vô hạn O , điện trở đầu vào vô hạn IN , điện trở đầu ra bằng không OUT , băng thông vô hạn 0 đến  và độ lệch 0 (đầu ra chính xác 0 khi đầu vào bằng 0).

Có một số lượng rất lớn IC khuếch đại hoạt động có sẵn để phù hợp với mọi ứng dụng có thể từ lưỡng cực tiêu chuẩn, độ chính xác, tốc độ cao, tiếng ồn thấp, điện áp cao, v.v., ở cả cấu hình tiêu chuẩn hoặc với bóng bán dẫn Junction FET bên trong.

Bộ khuếch đại thuật toán có sẵn trong các IC của op-amps đơn, kép hoặc quad trong một thiết bị duy nhất. Phổ biến nhất hiện có và được sử dụng trong tất cả các bộ khuếch đại thuật toán trong các dự án và bộ dụng cụ điện tử cơ bản là tiêu chuẩn công nghiệp μA-741 .

A-741 Bộ khuếch đại thuật toán là gì

Trong hướng dẫn tiếp theo về Bộ khuếch đại thuật toán, chúng tôi sẽ sử dụng phản hồi âm được kết nối xung quanh op-amp để tạo ra mạch khuếch đại vòng kín tiêu chuẩn được gọi là mạch Bộ khuếch đại đảo tạo ra tín hiệu đầu ra 180 o “lệch pha” với đầu vào.

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here