Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ tìm hiểu về Khuếch đại thuật toán nói chung, đặc tính của nó, một số ứng dụng và một số kiến thức cơ bản quan trọng về Khuếch đại thuật toán.
Khuếch đại thuật toán hay đơn giản gọi là Op-amp là một trong những linh kiện điện tử được sử dụng thường xuyên và rộng rãi nhất. Chúng là các khối xây dựng chính trong các mạch tương tự và được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm điện tử tiêu dùng, thiết bị công nghiệp và thiết bị khoa học.
Giới thiệu
Khuếch đại thuật toán, thường được gọi là op-amp, là một bộ khuếch đại điện áp vi sai hai đầu vào một đầu ra được đặc trưng bởi độ khuếch đại cao, trở kháng đầu vào cao và trở kháng đầu ra thấp.
Khuếch đại thuật toán được gọi như vậy vì nó có nguồn gốc trong máy tính tương tự và chủ yếu được sử dụng để thực hiện các phép toán.
Tùy thuộc vào mạch phản hồi và độ lệch của nó, một op-amp có thể được thiết kế để cộng, trừ, nhân, chia, phủ định, và thậm chí thực hiện các phép tính toán vi phân và tích phân.
Ngày nay, op-amp là các khối xây dựng rất phổ biến trong các mạch điện tử. Op-amp được sử dụng cho nhiều ứng dụng như khuếch đại tín hiệu AC và DC, bộ lọc, dao động, điều chỉnh điện áp, so sánh và trong hầu hết các thiết bị tiêu dùng và công nghiệp.
Op-amp ít phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ hay sự khác biệt trong sản xuất, điều này làm chúng trở thành các khối xây dựng lý tưởng trong các mạch điện tử.
Mạch cơ bản của một khuếch đại thuật toán được thể hiện trong hình trên. Op-amp có một giai đoạn khuếch đại vi sai đầu vào và một giai đoạn theo dõi emitter đầu ra. Các mạch op-amp thực tế phức tạp hơn nhiều so với mạch op-amp cơ bản được hiển thị ở trên.
Transistor Q1 và Q2 tạo thành một bộ khuếch đại vi sai, trong đó điện áp đầu vào vi sai được đưa vào các đầu cực cơ sở của Q1 và Q2. Transistor Q3 hoạt động như một bộ theo dõi emitter và có trở kháng đầu ra thấp.
Đầu ra của mạch op-amp cơ bản VOUT được cho bởi,
- VOUT = VCC –VRC – VBE3
- VOUT = VCC – IC2RC – VBE
Trong đó, VRC là điện áp trên điện trở RC và VBE3 là điện áp cơ sở-emitter của transistor Q3.
Giả sử rằng transistor Q1 và Q2 là các transistor phù hợp, nghĩa là chúng có các mức VBE bằng nhau và hệ số khuếch đại dòng bằng nhau. Nếu cả hai đầu cực cơ sở của transistor được nối với nối đất, dòng emitter IE1 và IE2 bằng nhau và cả IE1 và IE2 đều chảy qua điện trở chung RE. Dòng emitter được cho bởi mối quan hệ,
- IE1 + IE2 = VRE / RE
Nếu cả hai cơ sở Q1 và Q2 được nối với nối đất,
- 0 – VBE –VRE +VEE = 0
nghĩa là VRE = VEE – VBE
Do đó, IE1 + IE2 = (VEE – VBE) / RE
Khi áp dụng một điện áp dương vào đầu vào không nghịch đảo, cơ sở của Q1 được kéo lên bởi điện áp đầu vào và đầu emitter của nó theo dõi tín hiệu đầu vào. Vì các emitter của Q1 và Q2 được kết nối với nhau, emitter của Q2 cũng bị kéo lên bởi đầu vào dương ở đầu cuối không nghịch đảo.
Cơ sở của Q2 được nối đất, vì vậy điện áp dương tại emitter của nó gây ra sự giảm điện áp cơ sở-emitter VBE2 của nó. Sự giảm VBE2 làm giảm dòng emitter IE2 và do đó IC2 cũng giảm.
Có thể nhận thấy rằng một đầu vào dương ở chân #3 cho ra một đầu ra dương, do đó có tên gọi là đầu vào không nghịch đảo.
Ký hiệu Op-Amp
Lưu ý:
- Nếu một tín hiệu đầu vào được áp dụng cho một trong các đầu vào với đầu vào còn lại được kết nối với nối đất, hoạt động được gọi là “đơn cực”.
- Trong hoạt động đơn cực, một đầu vào áp dụng sẽ điều khiển cả hai transistor do kết nối emitter chung. Do đó, đầu ra thu được là do cả hai bộ thu.
- Nếu hai tín hiệu đầu vào được áp dụng cho hai đầu vào, hoạt động được gọi là “lưỡng cực”.
- Trong hoạt động lưỡng cực, hiệu các đầu vào áp dụng cho hai đầu vào sẽ điều khiển các transistor và đầu ra thu được là do cả hai bộ thu.
- Nếu cùng một tín hiệu đầu vào được áp dụng cho cả hai đầu vào, hoạt động được gọi là “chế độ chung”. Trong hoạt động chế độ chung, tín hiệu đầu vào chung ở cả hai đầu vào sẽ dẫn đến các tín hiệu đối lập ở mỗi bộ thu.
- Các tín hiệu này triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến tín hiệu đầu ra bằng không. Trên thực tế, các tín hiệu đối lập không hoàn toàn triệt tiêu nhau và một tín hiệu nhỏ xuất hiện ở đầu ra.
Khuếch đại vi sai sử dụng Transistor
Tất cả các op-amp đều bao gồm một bộ khuếch đại vi sai ở giai đoạn đầu vào của chúng. Nếu hai tín hiệu điện áp khác nhau được áp dụng cho hai đầu vào của op-amp, tín hiệu đầu ra thu được sẽ tỷ lệ với “hiệu” giữa hai tín hiệu.
Do đó, các bộ khuếch đại vi sai khuếch đại sự chênh lệch giữa hai điện áp được đo so với một tham chiếu chung. Giai đoạn khuếch đại vi sai của op-amp được thể hiện như hình dưới đây.
Hai transistor Q1 và Q2 có đặc tính giống hệt nhau. Hai tín hiệu đầu vào Vi1 và Vi2 được áp dụng tương ứng vào các đầu cực cơ sở của Q1 và Q2. Lưu ý rằng bộ khuếch đại vi sai có hai đầu ra VO1 và VO2.
Lý tưởng nhất, điện áp đầu ra bằng không khi cả hai đầu vào bằng nhau. Khi Vi1 lớn hơn Vi2, đầu ra VO1 sẽ dương và VO2 âm. Khi Vi2 lớn hơn Vi1, đầu ra VO2 sẽ dương so với VO1.
Đầu ra VO được cho bởi,
- VO = AD (Vi1 – Vi2)
Trong đó AD là độ khuếch đại vi sai.
AD
Một bộ khuếch đại vi sai có thể được cấu hình theo bốn cách khác nhau:
- Bộ khuếch đại vi sai đầu vào kép đầu ra cân bằng.
- Bộ khuếch đại vi sai đầu vào kép đầu ra không cân bằng.
- Bộ khuếch đại vi sai đầu vào đơn đầu ra cân bằng.
- Bộ khuếch đại vi sai đầu vào đơn đầu ra không cân bằng.
Độ khuếch đại chế độ chung
Khi cùng một tín hiệu điện áp đầu vào được áp dụng cho cả hai đầu vào, hoạt động được gọi là “chế độ chung”. Tín hiệu chế độ chung thường là tín hiệu nhiễu hoặc tĩnh điện.
Độ khuếch đại chế độ chung là sự thay đổi điện áp đầu ra do đầu vào chế độ chung chia cho điện áp đầu vào chế độ chung.
Trong khi một bộ khuếch đại vi sai cung cấp khả năng khuếch đại lớn cho điện áp chênh lệch được áp dụng vào cả hai đầu vào, nó phân biệt các tín hiệu đầu vào chế độ chung, nghĩa là nó từ chối khuếch đại các tín hiệu chế độ chung.
Khả năng của một bộ khuếch đại vi sai trong việc loại bỏ tín hiệu chế độ chung được biểu thị bằng tỷ số loại bỏ chế độ chung (CMRR) của nó.
Giá trị CMRR càng cao thể hiện khả năng loại bỏ tín hiệu chế độ chung tốt hơn. Do đó, bất kỳ tín hiệu không mong muốn nào như nhiễu hoặc nhiễu bắt được sẽ xuất hiện chung ở cả hai đầu vào và tác động của tín hiệu này lên đầu ra sẽ bằng không.
CMRR là tỷ số giữa độ khuếch đại vi sai và độ khuếch đại chế độ chung của bộ khuếch đại vi sai, nghĩa là
- CMRR = AD /AC
Trong đó, AD = VO / (Vi1 – Vi2)
và AC = VO(CM) / Vi(CM)
Mạch tương đương của Op-Amp lý tưởng
Mạch tương đương của một op-amp lý tưởng được thể hiện ở trên. Điện áp đầu vào VDIFF là điện áp chênh lệch (V1-V2). Zin là trở kháng đầu vào và Zout là trở kháng đầu ra.
Tham số độ khuếch đại A được gọi là độ khuếch đại vòng hở. Nếu một op-amp không có phản hồi từ đầu ra đến một trong các đầu vào, nó được coi là hoạt động trong cấu hình vòng hở.
Một op-amp lý tưởng có độ khuếch đại vòng hở vô hạn, trở kháng đầu vào vô hạn, trở kháng đầu ra bằng không, biên độ điện áp vô hạn, băng thông vô hạn, tốc độ quét vô hạn và điện áp offset đầu vào bằng không.
Đặc tính của Khuếch đại thuật toán
Trở kháng đầu vào (Zin)
Một op-amp lý tưởng có trở kháng đầu vào vô hạn để ngăn chặn bất kỳ dòng điện nào chảy từ nguồn cấp vào mạch op-amp. Nhưng khi op-amp được sử dụng trong các ứng dụng tuyến tính, một dạng phản hồi âm nào đó được cung cấp bên ngoài. Do phản hồi âm này, trở kháng đầu vào trở thành
- Zin = (1 + AOL β) Zi
Trong đó, Zin là trở kháng đầu vào không có phản hồi
- AOL là độ khuếch đại vòng hở
- β là hệ số phản hồi (bằng 1 cho bộ cộng tín hiệu)
Trở kháng của các nguồn tín hiệu được kết nối với đầu vào của op-amp phải nhỏ hơn rất nhiều so với trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại để tránh mất tín hiệu.
Trở kháng đầu ra (Zout)
Một op-amp lý tưởng có trở kháng đầu ra bằng không. Điều này có nghĩa là điện áp đầu ra không phụ thuộc vào dòng điện đầu ra. Do đó, một op-amp lý tưởng có thể hoạt động như một nguồn điện áp nội bộ hoàn hảo với điện trở nội bằng không, để có thể cung cấp dòng điện tối đa cho tải.
Trên thực tế, trở kháng đầu ra của op-amp bị ảnh hưởng bởi phản hồi âm và được cho bởi,
- Zout = Zo / (1 + AOL β)
Trong đó,
- Zo là trở kháng đầu ra của op-amp khi không có phản hồi
- AOL là độ khuếch đại vòng hở
- β là hệ số phản hồi
Trở kháng tải được kết nối ở đầu ra của op-amp phải lớn hơn nhiều so với trở kháng đầu ra của mạch, để tránh bất kỳ tổn thất đáng kể nào của đầu ra dưới dạng độ sụt áp qua Zout.
Độ khuếch đại vòng hở (AVO)
Độ khuếch đại vòng hở của một op-amp được định nghĩa là độ khuếch đại của op-amp khi không có phản hồi từ đầu ra đến bất kỳ đầu vào nào. Đối với một op-amp lý tưởng, độ khuếch đại sẽ vô hạn về mặt lý thuyết, nhưng giá trị thực tế dao động từ 20.000 đến 200.000.
Băng thông (BW)
Một op-amp lý tưởng có thể khuếch đại bất kỳ tín hiệu tần số nào từ DC đến các tần số AC cao nhất, do đó nó có đáp ứng tần số vô hạn. Vì vậy, băng thông của một op-amp lý tưởng phải vô hạn.
Trong các mạch thực tế, băng thông của op-amp bị giới hạn bởi tích băng thông-độ khuếch đại (GB).
CMRR (Tỷ số loại bỏ chế độ chung)
CMRR được định nghĩa là khả năng của một op-amp để loại bỏ tín hiệu đầu vào chế độ chung. CMRR là một thông số quan trọng của op-amp. Một op-amp lý tưởng sẽ có CMRR vô hạn. Trong các mạch thực tế, CMRR được cho bởi
- CMRR = 20 log10 (AD/|AC|) dB
Trong đó, AD là độ khuếch đại vi sai và AC là độ khuếch đại chế độ chung của op-amp.
Điện áp offset (ViO)
Điện áp offset đầu vào xác định điện áp DC vi sai cần thiết giữa các đầu vào để làm cho đầu ra bằng không volt so với nối đất. Một op-amp lý tưởng sẽ có điện áp offset bằng không, trong khi các op-amp thực tế có một lượng offset nhỏ.
Tốc độ quét
Tốc độ quét được định nghĩa là sự thay đổi tối đa của điện áp đầu ra trên một đơn vị thời gian và được biểu thị bằng volt trên giây.
Một op-amp lý tưởng sẽ có tốc độ quét vô hạn. Trong các op-amp thực tế, tốc độ quét bị giới hạn một cách tự nhiên bởi các dòng điện kích thích nội bộ nhỏ của op-amp và cũng bởi điện dung nội bộ được thiết kế để bù cho các dao động tần số cao.
Bảng đặc tính Op-Amp
Đáp ứng tần số của Op-amp
Độ khuếch đại vòng hở AOL không phải là hằng số cho tất cả các tần số. Các op-amp thực tế có độ khuếch đại vòng hở phụ thuộc vào tần số. Đường cong đáp ứng tần số của một op-amp thực tế được thể hiện như hình dưới đây.
Từ đường cong trên, chúng ta có thể nhận thấy rằng tích của độ khuếch đại và tần số là hằng số tại bất kỳ điểm nào trên đường cong. Hằng số này được gọi là tích băng thông-độ khuếch đại (GB). Ngoài ra, độ khuếch đại của bộ khuếch đại tại bất kỳ điểm nào trên đường cong được xác định bởi tần số độ khuếch đại đơn vị (0 dB).
Băng thông của Khuếch đại thuật toán
Băng thông của khuếch đại thuật toán được định nghĩa là dải tần số mà trên đó độ khuếch đại điện áp của bộ khuếch đại vượt quá -3dB (tối đa là 0dB) so với giá trị đầu ra tối đa của nó.
Trong hình trên, -3dB của AV(max) được thể hiện là 37dB. Đường 37dB cắt đường cong ở tần số hơn 10 kHz. Tần số này có thể được tính toán chính xác hơn nếu biết tích GB của bộ khuếch đại.
Có thể nhận thấy rằng độ khuếch đại vòng hở giảm khi tần số tín hiệu đầu vào tăng. Tần số được vẽ theo thang logarit và độ khuếch đại giảm tuyến tính khi tần số tăng theo cách logarit.
Tốc độ giảm của độ khuếch đại trong op-amp được biết là 20 dB mỗi thập kỷ.
Các ứng dụng của Op-Amp
- Khuếch đại thuật toán là các khối xây dựng phổ biến trong các mạch điện tử và chúng tìm thấy các ứng dụng trong hầu hết các hệ thống điện tử tiêu dùng và công nghiệp.
- Op-amp có thể được cấu hình để hoạt động như các loại bộ khuếch đại tín hiệu khác nhau như nghịch đảo, không nghịch đảo, vi sai, tổng hợp, v.v. cũng như nó được sử dụng để thực hiện các phép toán như cộng, trừ, nhân, chia và cả vi phân và tích phân.
- Khuếch đại thuật toán có thể được sử dụng trong việc xây dựng các bộ lọc tích cực, cung cấp các chức năng thông cao, thông thấp, thông dải, loại dải và trễ.
- Trở kháng đầu vào cao và độ khuếch đại của op-amp cho phép tính toán đơn giản các giá trị phần tử, cho phép thực hiện chính xác bất kỳ cấu trúc bộ lọc mong muốn nào mà ít quan tâm đến các tác động tải của các giai đoạn trong bộ lọc hoặc của các giai đoạn tiếp theo.
- Một khuếch đại thuật toán có thể, nếu cần thiết, được buộc phải hoạt động như một bộ so sánh. Sự khác biệt nhỏ nhất giữa các điện áp đầu vào sẽ được khuếch đại đáng kể.
- Op-amp được sử dụng trong việc xây dựng các bộ dao động, như bộ dao động cầu Wein. Op-amp cũng được sử dụng trong các mạch phi tuyến như bộ khuếch đại logarit và nghịch đảo logarit.
- Op-amp tìm thấy các ứng dụng như nguồn điện áp, nguồn dòng điện và bể chứa dòng điện cũng như vôn kế DC & AC. Op-amp cũng được sử dụng trong các mạch xử lý tín hiệu như chỉnh lưu chính xác, mạch kẹp và mạch lấy mẫu và giữ.
Tóm tắt về Op-Amp
- Khuếch đại thuật toán là một bộ khuếch đại vi sai DC có độ khuếch đại rất cao. Hầu hết các op-amp đều yêu cầu cả nguồn cấp dương và âm để hoạt động.
- Op-amp có thể được cấu hình thông qua một hoặc nhiều phản hồi bên ngoài và độ lệch điện áp để thu được các đáp ứng và đặc tính mong muốn.
- Cấu trúc op-amp cơ bản là một thiết bị ba đầu nối, không bao gồm các kết nối nguồn. Op-amp cảm nhận sự chênh lệch giữa các tín hiệu điện áp được áp dụng tại các đầu vào của chúng và sau đó khuếch đại nó theo một độ khuếch đại được xác định trước. Độ khuếch đại này thường được gọi là độ khuếch đại “vòng hở”.
- Việc đóng vòng hở bằng cách kết nối một linh kiện điện trở hoặc phản ứng giữa đầu ra và một đầu vào của op-amp làm giảm đáng kể và kiểm soát độ khuếch đại vòng hở này.
- Một op-amp lý tưởng có độ khuếch đại vòng hở vô hạn, trở kháng đầu vào vô hạn, trở kháng đầu ra bằng không, băng thông vô hạn, tốc độ quét vô hạn và độ offset bằng không.
- Một op-amp thực tế có độ khuếch đại vòng hở cao, trở kháng đầu vào cao và trở kháng đầu ra thấp.
- Vì có nhiều công dụng đa dạng nên op-amp được sử dụng kết hợp với điện trở và tụ điện để xây dựng các mạch chức năng như bộ khuếch đại nghịch đảo, không nghịch đảo, theo dõi điện áp, tổng hợp, trừ, tích phân và vi phân.
