Ngoài các ứng dụng khuếch đại thông thường, bộ khuếch đại thuật toán còn được sử dụng trong nhiều ứng dụng và mạch điện tử khác. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một số mạch khuếch đại thuật toán phi tuyến thường được sử dụng. Trong các mạch khuếch đại thuật toán phi tuyến, đặc tính vào/ra không phải là đường thẳng.
Bộ khuếch đại thuật toán, cùng với các mạch tuyến tính, còn được sử dụng rộng rãi để thiết kế các mạch phi tuyến, tức là các mạch có đầu ra thay đổi phi tuyến theo sự thay đổi ở đầu vào. Những mạch này thường được gọi là mạch chuyển mạch, có đầu ra chuyển đổi giữa các mức điện áp bão hòa dương và âm. Các cấu hình mạch được sử dụng phổ biến nhất là mạch phát hiện điểm không, mạch trích phân Schmitt, mạch dao động đa hài và đơn ổn.
Mạch phát hiện điểm không
Mạch phát hiện điểm không là cấu hình mạch chuyển mạch đơn giản nhất của bộ khuếch đại thuật toán. Trong cấu hình này, tín hiệu vào được đưa vào một trong các đầu vào, trong khi đầu vào còn lại được nối với đất. Mạch này không cần kết nối phản hồi.
Mạch phát hiện điểm không không nghịch đảo
Nếu tín hiệu đầu vào được nối với đầu vào không nghịch đảo của bộ khuếch đại thuật toán và đầu vào nghịch đảo được nối đất, mạch được gọi là mạch phát hiện điểm không không nghịch đảo. Sơ đồ nguyên lý được cho ở hình dưới:
Khi tín hiệu đầu vào lớn hơn mức 0, đầu ra bão hòa ở mức cực đại dương. Khi đầu vào nhỏ hơn mức 0, đầu ra lập tức chuyển sang mức bão hòa cực đại âm. Mỗi lần đầu vào vượt qua mức 0V, đầu ra sẽ chuyển đổi giữa mức bão hòa này sang mức bão hòa kia. Vì đầu ra ở trạng thái bão hòa dương khi điện áp vào dương, mạch được gọi là mạch phát hiện điểm không không nghịch đảo. Các sóng đầu vào và đầu ra của một mạch phát hiện điểm không không nghịch đảo điển hình được thể hiện trên hình. Bất kể dạng sóng vào như thế nào, sóng ra luôn là một sóng vuông.
Mạch phát hiện điểm không nghịch đảo
Nếu tín hiệu đầu vào được đưa vào đầu vào nghịch đảo của bộ khuếch đại thuật toán, và đầu vào không nghịch đảo được nối với đất, mạch được gọi là mạch phát hiện điểm không nghịch đảo. Mạch được thể hiện trong hình dưới:
Khi đầu vào lớn hơn mức 0, đầu ra bão hòa ở mức cực đại âm. Khi điện áp vào xuống dưới mức 0, đầu ra ngay lập tức chuyển sang mức bão hòa cực đại dương. Vì đầu ra ở trạng thái bão hòa âm khi đầu vào dương, mạch này được gọi là mạch phát hiện điểm không nghịch đảo. Các sóng đầu vào và đầu ra của một mạch phát hiện điểm không nghịch đảo điển hình được thể hiện trên hình.
Mạch trích phân Schmitt
Một mạch phát hiện điểm không với kết nối phản hồi, thường là dương, tạo thành mạch trích phân Schmitt. Mạch trích phân Schmitt có các mức điện áp ngưỡng vào trên và dưới xác định rõ ràng sẽ kích hoạt đầu ra chuyển đổi từ mức bão hòa này sang mức kia.
Mạch của một mạch trích phân Schmitt điển hình được thể hiện trong hình trên. Điện áp đầu vào Vin được đưa vào đầu vào nghịch đảo và một phần điện áp đầu ra được phản hồi tới đầu vào không nghịch đảo thông qua mạch chia áp. Điện áp vào Vin sẽ kích hoạt điện áp đầu ra Vout thay đổi từ mức bão hòa này sang mức khác, mỗi khi điện áp vào vượt quá các mức ngưỡng xác định trước. Các mức điện áp này gọi là điện áp ngưỡng trên (VUT) và điện áp ngưỡng dưới (VLT).
Theo công thức:
- VUT = [R2.(+Vsat)] / (R1 + R2)
- VLT = [R2.(-Vsat)] / (R1 + R2)
Nếu R2 / (R1 + R2) = β thì:
- VUT = β (+Vsat)
- VLT = β (-Vsat)
Các công thức trên cho thấy bằng cách lựa chọn thích hợp giá trị điện trở R1 và R2, có thể điều chỉnh và kiểm soát chính xác các mức ngưỡng trên và dưới.
Mạch dao động đa hài dùng bộ khuếch đại thuật toán
Một mạch dao động đa hài sử dụng bộ khuếch đại thuật toán được tạo ra bằng cách thêm các linh kiện ngoài vào mạch phát hiện điểm không hoặc mạch trích phân Schmitt. Mạch dao động đa hài là một cấu hình mạch phi tuyến sử dụng bộ khuếch đại thuật toán (đầu ra thay đổi phi tuyến theo đầu vào), tạo ra sóng vuông mà không cần xung kích thích ngoài. Mạch này không có trạng thái đầu ra ổn định, mà chỉ có hai trạng thái bán ổn định. Đầu ra dao động liên tục giữa hai trạng thái bán ổn định này. Mạch dao động đa hài về bản chất là một bộ dao động, vì nó không đòi hỏi xung ngoài để kích hoạt. Vì lý do này, mạch thường được gọi là bộ dao động chạy tự do. Tuy nhiên, mạch sử dụng nguồn cung cấp một chiều cho bộ khuếch đại thuật toán. Mạch dao động đa hài có thể được cấu hình để tạo ra sóng vuông với tần số, biên độ và độ rộng xung theo yêu cầu.
Sơ đồ mạch của một mạch dao động đa hài sử dụng bộ khuếch đại thuật toán được thể hiện trong hình trên. Mạch có cấu hình trích phân Schmitt với kết nối phản hồi và một tụ điện đầu vào ở đầu vào nghịch đảo.
Khi đầu ra của mạch dao động đa hài ở mức bão hòa dương, dòng điện chạy qua điện trở phản hồi R1 vào tụ điện C. Điều này sẽ nạp điện cho tụ với đầu dương ở phía trên. Tụ tiếp tục nạp điện cho tới khi điện áp của nó đạt ngưỡng trên của mạch trích phân Schmitt. Tại điểm này, đầu ra của mạch ngay lập tức chuyển sang mức bão hòa cực đại âm. Lúc này không có dòng chạy vào tụ và tụ bắt đầu phóng điện. Quá trình phóng điện của tụ tiếp tục cho tới khi điện áp trên tụ xuống tới mức ngưỡng dưới của mạch trích phân Schmitt. Đầu ra chuyển về mức bão hòa dương và chu kỳ lặp lại.
Có thể thấy mạch là một bộ tạo sóng vuông mà đầu ra dao động giữa các mức điện áp bão hòa cực đại dương và âm của bộ khuếch đại thuật toán. Tần số của sóng vuông đầu ra phụ thuộc vào tụ điện C và giá trị điện trở phản hồi R1.
Các sóng đầu ra và điện áp tụ của mạch dao động đa hài được thể hiện trong hình trên.
Có thể sử dụng cấu hình mạch tương tự để tạo ra sóng vuông có tần số điều chỉnh được trong một dải, bằng cách thêm một biến trở nối tiếp giữa R2 và R3. Bằng cách điều chỉnh giá trị điện trở của biến trở, tần số của sóng vuông đầu ra có thể thay đổi.
Mạch đơn ổn dùng bộ khuếch đại thuật toán
Mạch đơn ổn, như tên gọi, là mạch có một trạng thái đầu ra ổn định. Điện áp đầu ra bình thường của nó có thể cao hoặc thấp, và nó duy trì ở trạng thái đó cho tới khi được kích hoạt. Khi một xung kích thích được đưa vào, đầu ra chuyển sang trạng thái đối nghịch trong một khoảng thời gian phụ thuộc vào các thành phần RC của mạch.
Mạch của một mạch đơn ổn điển hình sử dụng bộ khuếch đại thuật toán được thể hiện trong hình trên. Đầu vào nghịch đảo của bộ khuếch đại thuật toán được nối đất thông qua điện trở R3 và đầu vào không nghịch đảo được phân cực dương bởi các điện trở R1 và R2. Điều này khiến đầu ra bình thường ở mức bão hòa dương, và tụ điện C2 được nạp điện với phân cực như trong hình.
Khi một xung đầu vào Vin được đặt vào tụ C1, đầu vào được vi phân bởi C1 và điện trở R3, tạo ra các xung dương và âm ở đầu vào nghịch đảo của bộ khuếch đại thuật toán. Xung âm bị kẹp ở mức -0.7V bởi diode D1, do đó xung âm không có tác dụng lên mạch. Xung dương nâng điện áp đầu vào nghịch đảo lên trên mức điện áp phân cực của đầu vào không nghịch đảo. Do đó, đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán chuyển sang mức bão hòa âm. Thời gian của xung rất ngắn và điện áp đầu vào nghịch đảo nhanh chóng trở về 0. Tuy nhiên, khi đầu ra xuống mức bão hòa âm, tụ C2 đẩy điện áp đầu vào không nghịch đảo. Điều này giữ cho đầu vào không nghịch đảo dưới mức 0 sau khi xung đã biến mất, do đó giữ cho đầu ra ở mức bão hòa âm.
Khi đầu ra ở mức bão hòa â
m, tụ điện C2 bắt đầu phóng điện qua các điện trở R1 và R2, dần dần nâng điện áp đầu vào không nghịch đảo lên mức 0. Khi điện áp đầu vào không nghịch đảo tăng lên một chút trên mức 0, đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán ngay lập tức chuyển sang mức bão hòa dương, và mạch trở về trạng thái ban đầu. Độ rộng xung của sóng đầu ra phụ thuộc vào tụ C2 và điện áp phân cực VR2, cũng như các điện trở R1 và R2.
Các sóng đầu vào và đầu ra của một mạch đơn ổn được thể hiện trong hình trên.
