khuech dai thuat toan

Chương 2: Khuếch đại thuật tốn

Khoa
Điệntửtử
- Viễn
thơng
Khoa Điện
- Viễn
thơng
Trường
Đại học
họcCơng
Cơngnghệ,
nghệ,
ĐHQGHN
Trường Đại
ĐHQGHN

KỹKỹ
thuật
thuậtĐiện
Điện tử
tử
Electronics
Engineering
Electronics Engineering


Nội dung
2.1. Giới thiệu về mạch khuếch đại thuật toán
2.2. Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng

2.3. Mạch khuếch đại đảo
2.4. Mạch khuếch đại không đảo
2.5. Mạch vi sai
2.6. Mạch khuếch đại cơng cụ
2.7. Mạch tích phân và vi phân
2.8. Các tác động xấu dc
2.9. Ảnh hưởng của Ao hữu hạn và dải thơng
2.10. Hoạt động của KĐTT với tín hiệu vào lớn
Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

2

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.1. Giới thiệu về khuếch đại thuật toán
-

-

Mạch khuếch đại thuật toán được thiết kế cho các mạch
khuếch đại vạn năng (universal amplifier).
Ban đầu, mạch này được thiết kế để thực hiện các phép
tính dựa trên các tín hiệu điện để mơ phỏng tính tốn các
đại lượng khác, do đó được gọi là mạch khuếch đại thuật
toán – operational amplifier.
Mạch khuếch đại thuật toán được chế tạo và ứng dụng
rộng rãi vào cuối những năm 1960. Vi mạch μA709 là chip

khuếch đại thuật toán đầu tiên được Fairchild, do Bob
Widlar thiết kế năm 1965 và nó nhanh chóng được thay
thế bằng μA741. Cho đến nay μA741 vẫn được sử dụng
rộng rãi trong các ứng dụng điện tử.
Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

3

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.1. Giới thiệu về khuếch đại thuật tốn
 Ví dụ 2.1: Một số hình ảnh của chip khuếch đại thuật tốn

SMD
Khoa Điện tử - Viễn thơng
Trường Đại học Cơng nghệ, ĐHQGHN

4

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.1. Giới thiệu về khuếch đại thuật toán

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

5

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.2. Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng
 Ký hiệu mạch
- Lối vào 1: lối vào đảo; (-)
inverting input terminal
- Lối vào 2: lối vào không đảo; (+)
noninverting input terminal
- Hệ số khuếch đại vi sai A

1
2

-

3

+

- Điện áp lối ra:

v3  A(v2  v1)

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

6

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.2. Mạch khuếch đại thuật tốn lý tưởng
 Thơng thường các khuếch đại thuật toán được nuối bằng
nguồn lưỡng cực. Hiện nay, với sự phát triển của các thiết bị
di động, các mạch khuếch đại thuật toán dùng nguồn đơn,
điện áp thấp đang được phát triển mạnh.
V CC
1
2

4

-

3

+

5

1
2

+

V CC

4
3
5

V EE

-V EE
Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

7

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.2. Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng
 Một số tính chất của khuếch đại thuật tốn lý tưởng:
• Hệ số khuếch đại vi sai (vịng hở) A là vơ cùng lớn

• Hệ số khuếch đại đồng pha bằng 0

• Điện trở lối vào lớn vơ cùng
• Điện trở lối ra bằng 0
• Dịng offset bằng 0
• Thế offset bằng 0
• Băng tần hoạt động rộng vơ cùng (Hệ số khuếch đại A

giữ giá trị không đổi khi tần số thay đổi)

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

8

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.2. Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng
 Mạch tương đương của khuếch đại thuật toán lý tưởng
Lối vào đảo
1
v1

i 1  0 A(v2  v1)

2
v2

Lối ra

-

i2  0

+

3

+
-

Lối vào không đảo

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

9

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.2. Mạch khuếch đại thuật tốn lý tưởng
 Tín hiệu lối vào vi sai và tín hiệu lối vào đồng pha

vI d  v2  v1
1
vI cm  (v1  v2 )
2
hay :
vI d
v1  vI cm 
2
vI d
v2  vI cm 
2

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

1

1

v1

2
v2

10

vI cm

vI d
2
vI d
2

2

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.2. Mạch khuếch đại thuật tốn lý tưởng
 Ví dụ 2.2: Mạch khuếch đại thuật tốn lý tưởng có hệ số

khuếch đại A = 103. Khuếch đại thuật toán này được sử dụng
trong mạch khuếch đại có phản hồi. Giá trị điện áp của hai
trong ba đầu của khuếch đại thuật toán được đo. Xác định giá
trị điện áp của đầu còn lại và điện áp vào vi sai và đồng pha
cho các trường hợp sau:
a)
b)
c)
d)

v2 = 0 V; v3 = 2 V.
v2 = 5 V; v3 = -10 V.
v1 = 1,002 V; v2 = 0,998 V.
v1 = -3,6 V; v3 = -3,6 V.

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

11

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.2. Mạch khuếch đại thuật tốn lý tưởng
 Ví dụ 2.3: Một mạch khuếch đại thuật tốn thơng thường
có thể mơ hình hố như mạch hình dưới. Biểu diễn điện áp lối
ra v3 theo các lối vào v1 và v2. Cho biết Gm = 10 mA/V, R =
10 kΩ, và µ=100, tính giá trị hệ số khuếch đại vịng hở A.

1
v+1
-

Gmv1

3
+

2

vd

+

v3
-

-

+
v2
-

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

+
-

R vd

Gmv2

12

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.3. Mạch khuếch đại đảo
 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo
R2

R1
vI

1 2 +

3
v+0
-

i2
i 1 R1
vI

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

13

R2

1
3
0 v2  v1
+
+ A(v2  v1)
2 +
v- 0
-

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.3. Mạch khuếch đại đảo
 Mạch khuếch đại đảo khi hệ số khuếch đại A là vô cùng

i1 

3
+

vI

vI
R1

R1

-

vI
i

i

5 2 1
R2 R1

0 4
+

1 0V
-

+

2 vI  0
Đất ảo

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

vI
R2
R1
R2

vo   vI
R1

6 v- o  0 

+

14

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.3. Mạch khuếch đại đảo
 Mạch khuếch đại đảo khi hệ số khuếch đại A là hữu hạn
i 2  i 1 R2

i1

R1

0

vo 1 
A 2+

vI

G

3
+

v0
-

vo
R2 / R1

vI
1  (1  R2 / R1) / A

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

15

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.3. Mạch khuếch đại đảo
 Ví dụ 2.4: Xét mạch khuếch đại đảo với R1 = 1 kΩ và R2 =
100 kΩ.
a. Tính hệ số khuếch đại vịng đóng trong trường hợp A = 103,
104, và 105. Trong mỗi trường hợp, xác định tỷ lệ lỗi của hệ
số G khi so với mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng (với A
= ∞). Xác định giá trị điện áp trên lối vào v1 khi vI = 0,1 V.
b. Khi hệ số khuếch đại A thay đổi từ 100000 xuống 50000
(giảm 50%), xác định tỷ lệ thay đổi tương ứng của hệ số

khuếch đại vịng đóng G?

Khoa Điện tử - Viễn thơng
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

16

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.3. Mạch khuếch đại đảo
 Điện trở vào và điện trở ra của mạch khuếch đại đảo
vI
vI
Ri 

 R1
i 1 vI / R1
R0  0

Thông thường yêu cầu Ri lớn, điều này dẫn đến G giảm. Nhược
điểm này bằng theo cách như ví dụ dưới đây.

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

17

Kỹ thuật Điện tử

Electronics Engineering


2.3. Mạch khuếch đại đảo
 Ví dụ 2.5: Giả sử mạch kuếch đại thuật toán là lý tưởng, hệ số khuếch
đại vịng đóng là vo/vi. Sử dụng mạch này thiết kế mạch khuếch đại có hệ
số khuếch đại 100, trở kháng lối vào là 1 MΩ. Theo yêu cầu thực tế
khơng sử dụng các điện trở thành phần có giá trị lớn hơn 1 MΩ. So sánh
vx
mạch này với mạch khuếch đại đảo cơ bản?

vo
R2 
R4 R4 
  1 


vI
R1 
R2 R3 

R2

x

R3

2 i1

0 3

R1

v+I
-

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

5

4 i2

18

1

i 4 7 R4
i3 6

+

+

8 v- 0

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.3. Mạch khuếch đại đảo

 Ví dụ 2.6: Cho mạch khuếch đại đảo dưới đây. Hãy xác định giá
trị R1 và R2 để thiết kế 1 mạch khuếch đại đảo có giá trị khuếch đại
-10 và trở kháng vào 100kΩ.
R2

R1
vI

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

1 2 +

19

3
+

v- 0

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.3. Mạch khuếch đại đảo
 Mạch tổng có trọng số cùng dấu
v1
v2
vn

i 1 R1
i 2 R2
..
.

in

Rf

i
i
0

Rn

+

0V

v+0
-

Rf
Rf 
 Rf
vo    v1 
v2  ... 
vn 
R2
Rn 

 R1

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

20

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.3. Mạch khuếch đại đảo
 Mạch tổng có trọng số khác dấu
Rc

Ra

v1
v2

R1
R2

Rb

+

v3
v4

R3

+

v0

R4

 Rc 
 Ra   Rc 
 Ra   Rc 
 Rc 
vo  v1 
  v2 
  v3 
  v4 



R
R
R
R
R
R
 1  b 
 2  b 
 4
 3

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

21

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.4. Mạch khuếch đại không đảo
 Mạch khuếch đại không đảo khi hệ số khuếch đại A là vô cùng
R2

vI
3 R1

R1
+

vI

+

v0
-

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

vI

5 R1 R2
R1

1 vI d

2

vI

- c 0 4
+
+

vI

22

v
vo  vI  I R2  vI
R1
+
v0 6


R2 
1 

R1 


-

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.4. Mạch khuếch đại không đảo
 Mạch khuếch đại không đảo khi hệ số khuếch đại A là hữu hạn
vo
1  (R2 / R1)
G

1  (R2 / R1)
vI
1
A

 Điện trở vào và ra của mạch khuếch đại không đảo
Rin = ∞
Rout = 0

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

23

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering

2.4. Mạch khuếch đại không đảo
 Sơ đồ mạch lặp lại

+

-

vI

+

vI
-

+

v0  vI

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

+
-

1x vI v+0
-

-

24

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering


2.5. Mạch vi sai
 Mạch vi sai chỉ khuếch đại sự sai khác giữa hai tín hiệu vào và
loại bỏ hai tín hiệu lối vào giống nhau.
Tín hiệu lối vào được biểu diễn thông qua thành phần vi sai và
đồng pha
vI 1  vI cm  vI d / 2
vI d / 2 vI d  vI 2  vI 1

vI cm

vI cm

vI d / 2

1
 vI 2  vI 1 
2

vI 2  vI cm  vI d / 2

Khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

25

Kỹ thuật Điện tử
Electronics Engineering