ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
KHOA ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN. KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ
ĐỀ TÀI:THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI
CMOS

Thái Nguyên – 2024

KHOA ĐIỆN TỬ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN MƠN HỌC
THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ

Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Phương Huy
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Anh Duy
MSSV: K205520207074
Sinh viên thực hiện: Orn Chheangmai
MSSV: CPC205008
Lớp: K56KĐT.01

Lớp: 54KTDT Ngành : Kỹ thuật điện tử

Ngày giao đề : 14/2/2024 Ngày hoàn thành: 8/03/2024

1. Tên đề tài Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại hai tầng nhằm tối ưu hóa hiệu

suất và độ ổn định cho các ứng dụng y sinh

2. Yêu cầu của các bước thực hiện

- Nghiên cứu, tìm hiểu về mạch tích hợp tương tự
-Vai trị của mạch tương tự trong thực tế
- Nghiên cứu các mạch khuếch đại, các đặc tính, cấu trúc, và lý do lựa chọn mạch này
- Mơ tả bài tốn thiết kế, chỉ tiêu thiết kế và lựa chọn cấu trúc phù hợp
- Nghiên cứu, tính tốn, mơ phỏng và so sánh các tiêu chí này với kết quả đề ra

TRƯỞNG BỘ MƠN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

TS. Nguyễn Phương Huy

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Thái Nguyên, ngày….tháng…..năm 2024
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM

Thái Nguyên, ngày….tháng…..năm 2024
GIÁO VIÊN CHẤM
(Ký ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

MỤC LỤC...................................................................................................................... i

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH...................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU..........................................................................................iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...............................................................................v
LỜI MỞ ĐẦU...............................................................................................................1
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI........................................1

1.1 Khái quát chung về khuếch đại thuật toán.......................................................1
1.2 Các chỉ tiêu thiết kế.........................................................................................2
1.3 Mạch khuếch đại đơn tầng..............................................................................4
1.4 Mạch khuếch đại đa tầng.................................................................................9
1.5 Bù trong OPAMP..........................................................................................11
1.6 Bù kiểu Muller của OPAMP hai tầng............................................................12
1.7 Bù kiểu truyền thẳng.....................................................................................22
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ OPAMP 2 TẦNG............................................................25
2.1 Cấu trúc chung của OPAMP hai tầng............................................................25

2.1.1 Tầng chuyển đổi vi sai- Transconductance Stage..................................26
2.1.2 Tầng bù/phản hồi- Circuitry...................................................................27
2.1.3 Tầng khuếch đại- High-Gain Stage........................................................28
2.1.4 Tầng phân cực-Bias...............................................................................29
2.1.5 Tầng đệm đầu ra-Output Buffer.............................................................31
2.2 Thiết kế cấu trúc mạch..................................................................................32
2.3 Lựa chọn linh kiện, tham số thiết kế..............................................................33
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG...........................................................35
3.1 Tính tốn và lựa chọn thơng số.....................................................................35
3.2 Mô phỏng thiết kế.........................................................................................38
3.2.1 Phân tích AC..........................................................................................39
3.2.2 Đo Transient..........................................................................................42
3.2.3 Trình bày hình vẽ các kết quả thu được từ Layout.................................44

1

3.2.4 Thiết kế bộ khuếch đại hoạt động cho các ứng dụng y sinh...................46
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..........................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................54

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1. 1 Sơ đồ khối của một op-amp thực tế. 1

Hình 1.3. 1-1 Sơ đồ chung cho mạch khuếch đại đơn tầng 5

Hình 1.3. 1-2 Sơ đồ tương đương hình Pi và hình T 5

Hình 1.3. 1-3 Các đặc trưng cơ bản của bộ khuếch đại đơn tầng dùng MOS 6

Hình 1.7 1-1 (a) Feedforward dẫn đến RHP bằng zero. (b) Feedforward dẫn đến LHP

bằng zero. (c) Mơ hình tín hiệu nhỏ cho (b) 23

Hình 2.1.1. 1 Tầng chuyển đổi vi sai 26

Hình 2.1.2. 1(a) Một mạch opamp không đảo. (b) Sơ đồ tương đương của mạch (a) 27

Hình 2.1.3. 1 khối High-Gain 28

Hình 2.1.4. 1 Một số kiểu phân cực 30

Hình 2.1.5. 1 Tầng đệm đầu ra 31

Hình 2.1.5. 2 Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của bộ đệm đầu ra 32

Hình 2.2. 1 Cấu trúc mạch được đề xuất 32

Hình 3.1. 1 Mạch khuếch đại 35

2

Hình 3.2. 1 Sơ đồ triển khai của opamp hai tầng 39

Hình 3.2.2. 1Đường cong phân tích transient cho cơng nghệ 180nm 42

Hình 3.2.2. 2 . Đường cong phân tích transient cho cơng nghệ 90nm 43

HÌnh 3.2.3. 1Đồ thị mức tăng hệ số khuếch đại trong công nghệ 180nm và 90 nm

trước và sau khi vẽ layout 44

HÌnh 3.2.3. 2Biểu đồ băng thông khuếch đại trong công nghệ 180nm và 90 nm trước

và sau khi layout 45

HÌnh 3.2.3. 3Đồ thị biểu diễn độ dự trữ pha trong công nghệ 180nm và 90 nm trước

và sau khi layout 45

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật được lấy cho quy trình thiết kế 34

Bảng 3.1. Tỷ lệ khung hình được lấy cho các trans 39

Bảng 3.2. Giá trị thông số đạt được khi phân tích AC 41

Bảng 3.3.Các giá trị tham số đạt được khi chia tỷ lệ trong q trình phân tích AC 42

Bảng 3.4.Giá trị thơng số đạt được khi phân tích transient 43

Bảng 3.5.Các giá trị tham số đạt được khi chia tỷ lệ trong q trình phân tích transisent
44

Bảng 3.6.Giá trị thông số đạt được ở công nghệ 180nm và 90nm 46

Bảng 3.7.Các đặc điểm khác nhau của Tín hiệu Tiềm năng Sinh học. 47

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ hoặc cụm Từ tiếng Anh Từ tiếng Việt
từ

3

OPAMP Operational Amplifier Khuếch đại thuật toán
CMOS Complementary Metal-Oxide-
Semiconductor Chất bán dẫn oxit kim loại bổ
PM Phase margin sung
ECG Electrocardiogram
IC Integrated Circuit Độ dự trữ pha
GB Gain Bandwith
Đo nhịp tim

EMG electromyography
Mạch tích hợp

Tích của hệ số khuếch đại với
băng thông

Đo sóng não

4

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thế kỷ 21, sự tiến bộ của công nghệ đã mở ra một loạt các cơ hội mới trong lĩnh
vực y học và chăm sóc sức khỏe. Cơng nghệ điện tử và vi mạch tích hợp tương tự (IC)
đã đóng vai trị ngày càng quan trọng trong việc tạo ra các thiết bị y tế thông minh, cải
thiện chẩn đốn, điều trị và giám sát bệnh tình. Trong tác động tích cực này, việc thiết
kế và ứng dụng các mạch Ampli tần số cao (OPAMP) đã trở thành một phần không thể
thiếu trong nền y học hiện đại.

Mạch OPAMP, với khả năng khuếch đại tín hiệu và cung cấp độ chính xác cao, đã
được áp dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng y sinh khác nhau. Từ cảm biến sinh học
đến thiết bị y tế di động, từ các hệ thống giám sát sức khỏe đến các thiết bị hỗ trợ điều
trị, OPAMP đóng vai trị quan trọng trong việc cung cấp sự ổn định, độ nhạy và độ tin
cậy cần thiết cho các hệ thống y tế.

Làm việc trong lĩnh vực này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cả y học và công nghệ điện
tử. Việc tối ưu hóa thiết kế OPAMP cho các ứng dụng y sinh đòi hỏi sự cân nhắc kỹ
lưỡng về các yếu tố như tiêu thụ năng lượng, ổn định, độ phản hồi, và khả năng chống
nhiễu. Ngoài ra, việc đảm bảo tính an tồn và tn thủ các tiêu chuẩn y tế cũng là một
phần không thể thiếu trong quá trình phát triển và triển khai các thiết bị y tế.

Trong bối cảnh này, đồ án này nhằm mục đích tìm hiểu và thảo luận về q trình thiết
kế và ứng dụng các mạch OPAMP trong lĩnh vực y sinh. Thông qua việc nghiên cứu
sâu rộng về nguyên lý hoạt động của OPAMP, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và
ứng dụng thực tế của chúng trong y học, chúng ta sẽ khám phá cách mà công nghệ này
đóng góp vào việc nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe và cải thiện cuộc sống của
con người.

Bằng cách khám phá sâu hơn vào những ứng dụng cụ thể của OPAMP trong y học,
chúng ta sẽ có cái nhìn rõ ràng hơn về tiềm năng của công nghệ này trong việc thúc
đẩy sự tiến bộ y tế và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Đồ án này cũng

1

nhằm mục đích là một tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư điện tử, nhà nghiên
cứu y học, và những người quan tâm đến sự giao thoa giữa công nghệ và y học.
Dự kiến kết quả của dự án này sẽ là một mạch khuếch đại hiệu suất cao, có thể tích
hợp vào các thiết bị y tế hiện đại, giúp nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe và
mang lại lợi ích đáng kể cho cộng đồng y tế.

2

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI

1.1 Khái quát chung về khuếch đại thuật toán
Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng anh: operational amplifier), thường được gọi tắt
là op-amp là một mạch khuếch đại “DC-coupled” (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín
hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thơng thường có đầu ra
đơn. Trong những ứng dụng thơng thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi
tiếp âm sao cho có thể xác định hệ số khuếch đại, trở kháng vào và trở kháng ra.

Hầu như trong tất cả các thiết kế mạch điện tử, bộ khuếch đại hoạt động như một khối
xây dựng mạch quan trọng. OPAMP là mạch khuếch đại vi sai đầu vào sử dụng phản
hồi bên ngoài để xây dựng các mạch thực tế như bộ so sánh, bộ đệm, bộ dao động, bộ
lọc, bộ khuếch đại thiết bị đo đạc, v.v.

Cấu trúc của một khuếch đại thuật toán thường bao gồm các khối sau:

Hình 1. 1 Sơ đồ khối của một op-amp thực tế.
● Differential input amplifier: Đây là tầng khuếch đại vi sai, nó có nhiệm vụ

khuếch đại sự sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào va và vb. Nó hội tục các ưu
điểm của mạch khuếch đại vi sai như: Độ miễn nhiễu cao; khuếch đại
được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn…

1

● Level shift differential to -single-ended gain stage: Tầng khuếch đại trung

gian, nó bao gồm nhiều tầng khuếch đại vì sai mắc nối tiếp nhau tạo nên
một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhay cho
Op-Amps. Trong tầng này cịn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực
DC ở ngõ ra.

● Output buffer stage: Đây là tầng khuếch đại đệm, tầng này nhằm tăng

dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp Op-Amps phối hợp dễ
dàng với nhiều dạng tài khác nhau
Op-Amps thực tế vẫn có một số khác biệt so với Op-Amps lý tưởng. Nhưng để dễ
dàng trong việc tính tốn trên Op-Amps người ta thường tỉnh trên Op-Amps lý tưởng,
sau đó dùng các biện pháp bù giúp Op-Amps thực tế tiệm cận với Op-Amps lý tưởng.

Do đó để thuận tiện cho việc trình bày nội dung trong chương này có thể hiểu Op-
Amps nói chung là Op-Amps lý tưởng sau đó sẽ thực hiện việc bố sung sau.

1.2 Các chỉ tiêu thiết kế

Khi thiết kế một mạch khuếch đại thuật toán cho ứng dụng trong y sinh, các chỉ
tiêu thiết kế cần được xem xét cẩn thận để đảm bảo rằng mạch đáp ứng được yêu cầu
chính xác và đáng tin cậy của lĩnh vực y tế. Dưới đây là các chỉ tiêu quan trọng cụ
thể::

1. Hệ số khuếch đại (Gain): Đo lường mức độ khuếch đại của mạch, là tỷ lệ
giữa biên độ của tín hiệu đầu ra và tín hiệu đầu vào.

2. Băng thơng (Bandwidth): Là phạm vi tần số mà mạch có thể hoạt động một
cách hiệu quả mà không làm biến đổi tín hiệu quá mức cho phép.

3. Trở kháng vào và trở kháng ra (Input and Output Impedance): Trở kháng
của mạch đối với tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra cần được thiết kế sao cho phù hợp
với các điều kiện đặc biệt của ứng dụng y tế. Trở kháng vào thường cần phải thấp để

2

khơng làm suy giảm tín hiệu từ cảm biến, trong khi trở kháng ra cần phải cao để không
làm giảm độ khuếch đại của mạch.

4. Slew Rate: Là tốc độ tối đa mà mạch có thể thay đổi biên độ của tín hiệu đầu
ra..

5.Nhiễu (Noise): Đo lường mức độ nhiễu và biến động trong tín hiệu đầu ra của
mạch.

6. Công suất (Power Consumption): Là lượng điện năng mà mạch tiêu tốn
trong quá trình hoạt động..

Các chỉ tiêu thiết kế này cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo rằng mạch
khuếch đại thuật toán trong y sinh đáp ứng được yêu cầu chính xác và đáng tin cậy của
ứng dụng.

Trong lĩnh vực y sinh, việc quan tâm đến hệ số khuếch đại và băng thông của
mạch khuếch đại là rất quan trọng vì các yêu cầu đặc biệt của ứng dụng y tế. Việc đảm
bảo chính xác và độ tin cậy của dữ liệu là rất quan trọng. Hệ số khuếch đại đóng vai
trị quan trọng trong việc đảm bảo rằng tín hiệu y tế như tín hiệu từ cảm biến hoặc từ
bệnh nhân được khuếch đại đủ lớn để có thể được phân tích và đưa ra quyết định chính
xác. Băng thơng đảm bảo rằng mạch có thể tái tạo chính xác các tín hiệu y tế, bao
gồm cả các tín hiệu có tần số cao như tín hiệu ECG hoặc tín hiệu EMG.
Trong một số trường hợp, việc phản ứng nhanh đối với các biến động trong tín hiệu y
tế là cần thiết. Hệ số khuếch đại và băng thông cần phải được thiết kế để đảm bảo rằng
mạch có thể phản ứng nhanh chóng đối với các biến động trong tín hiệu, như trong
việc phát hiện các sự kiện y tế quan trọng hoặc trong các hệ thống điều khiển y tế.
Trong môi trường y tế, các tín hiệu thường bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ các nguồn khác
nhau như từ môi trường xung quanh hoặc từ các thiết bị điện tử khác. Băng thông cần
phải đủ lớn để loại bỏ nhiễu mà không làm mất đi thông tin quan trọng. Đồng thời, hệ

3

số khuếch đại cần được điều chỉnh sao cho đảm bảo rằng nhiễu không được khuếch
đại lên cùng mức với tín hiệu quan trọng.
Một thiết kế khơng cân nhắc về hệ số khuếch đại và băng thơng có thể dẫn đến khuếch
đại khơng mong muốn của nhiễu hoặc tín hiệu khơng mong muốn, có thể gây ra rủi ro
cho bệnh nhân. Do đó, việc đảm bảo rằng mạch khuếch đại đáp ứng các yêu cầu an

toàn và hiệu suất là rất quan trọng trong ứng dụng y sinh.

Trong y sinh, công suất tiêu thụ cần phải được kiểm soát để giảm thiểu sự tiêu
tốn năng lượng và tăng tuổi thọ của mạch, đặc biệt khi được sử dụng trong các thiết bị
di động hoặc cảm biến y tế.Các chỉ tiêu thiết kế này cần được xem xét kỹ lưỡng để
đảm bảo rằng mạch khuếch đại thuật toán trong y sinh đáp ứng được yêu cầu chính
xác và đáng tin cậy của ứng dụng. Việc giảm thiểu công suất tiêu thụ của mạch khuếch
đại là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của thiết bị và cũng ảnh
hưởng đến nguồn năng lượng của bệnh nhân (nếu có). Mức tiêu thụ điện năng của
mạch cần được kiểm sốt để khơng làm nóng q mức và gây hại đến bệnh nhân hoặc
mơi trường xung quanh.Việc giảm công suất cũng giúp tăng tuổi thọ của pin hoặc
nguồn năng lượng, điều này quan trọng đặc biệt trong các thiết bị y tế di động.Trong
lĩnh vực y sinh, việc có một slew rate đủ lớn là cực kỳ quan trọng trong các ứng dụng
cần phản ứng nhanh chóng đối với các biến động tín hiệu, như trong điều khiển dữ liệu
thần kinh hoặc trong việc phát hiện sự kiện y tế cấp cứu.Nếu slew rate khơng đủ lớn,
có thể xảy ra hiện tượng biến dạng tín hiệu hoặc mất mát thơng tin quan trọng, đặc biệt
là trong việc đo lường và giám sát các tín hiệu sinh học như nhịp tim hay sóng não.

Như vậy, công suất và slew rate cũng đóng vai trị quan trọng trong việc đảm bảo
hiệu suất và an toàn của các mạch khuếch đại được sử dụng trong lĩnh vực y sinh. Các
thiết kế cần phải cân nhắc và tối ưu hóa các yếu tố này để đảm bảo rằng mạch hoạt
động hiệu quả và đáp ứng đúng yêu cầu của ứng dụng y tế.

4

1.3 Mạch khuếch đại đơn tầng
Ở mục 1.2, chúng ta đã xem xét các yếu tố quan trọng trong thiết kế mạch

khuếch đại thuật toán, từ hệ số khuếch đại đến băng thông và các chỉ tiêu kỹ thuật
khác. Những yếu tố này không chỉ là cơ sở quan trọng cho việc xây dựng một mạch

khuếch đại hiệu quả, mà còn đóng vai trị quan trọng trong việc đáp ứng các yêu cầu
đặc biệt của ứng dụng y sinh.Bây giờ, chúng ta sẽ đi sâu hơn vào một trong những loại
mạch khuếch đại phổ biến nhất trong lĩnh vực y tế - mạch khuếch đại đơn tầng. Mạch
này, mặc dù đơn giản, nhưng vẫn mang lại hiệu suất đáng kể và có nhiều ứng dụng
quan trọng trong các thiết bị y tế. Hãy cùng tìm hiểu về nguyên lý hoạt động, ưu điểm
và ứng dụng của mạch khuếch đại đơn tầng ngay sau đây
Trong lĩnh vực điện tử, mạch khuếch đại đơn tầng (Single-Stage Amplifier) là một
trong những kiểu mạch khuếch đại đơn giản nhất nhưng vẫn cung cấp hiệu suất tốt.
Mạch này thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu từ mức đầu vào lên mức đầu ra
mà không cần sử dụng nhiều các tầng khuếch đại phức tạp.

Hình 1.3. 1-1 Sơ đồ chung cho mạch khuếch đại đơn tầng
Mạch khuếch đại đơn tầng hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ bản của khuếch đại tín
hiệu bằng cách sử dụng một bộ khuếch đại thuật tốn đơn giản. Thơng thường, mạch
này bao gồm một transistor hoạt động ở chế độ tích cực (active mode), được phân cực

5

dưới dạng (self-biasing) hoặc nguồn dòng cố định (fixed bias). Khi một tín hiệu được
đưa vào cực cửa(Gate) của transistor, nó sẽ điều chỉnh dịng qua transistor và do đó tạo
ra một tín hiệu đầu ra lớn hơn.

● Mơ hình thay thế tương đương

Hình 1.3. 1-2 Sơ đồ tương đương hình Pi và hình T
Trước khi chúng ta bắt đầu nghiên cứu về các mạch khuếch đại MOS, chúng ta xem
xét các đặc tính của mạch khuếch đại như một khối chức năng.

6

Hình 1.3. 1-3 Các đặc trưng cơ bản của bộ khuếch đại đơn tầng dùng MOS
● Các cơng thức tính tốn

Hình 1.3. 1-3 cho thấy mạch khuếch đại với khối khuếch đại được thay thế bằng
sơ đồ tương đương. Trở kháng đầu vào R¿ đại diện cho ảnh hưởng tải của đầu vào bộ
khuếch đại lên nguồn tín hiệu.

R¿= V i
Ii

Và cùng với trở kháng Rsig tạo thành một bộ phân áp làm giảm vsig đến giá trị vi
xuất hiện ở đầu vào bộ khuếch đại:

7

vi= R¿
R ¿+¿ R sig vsig ¿

Hầu hết các mạch khuếch đại được nghiên cứu trong phần này đều là đơn tầng.
Nghĩa là, chúng khơng có phản hồi nội bộ, và do đó R¿ sẽ độc lập với RL. Tuy nhiên,
nhìn chung R¿có thể phụ thuộc vào tải RL.

Tham số thứ hai trong việc mô tả đặc trưng của bộ khuyếch đại là hệ số khuếch
đại điện áp hở mạch Avo được định nghĩa là:

A vo= v0 v ∨¿ i R L=∞ ¿
Tham số thứ ba và cuối cùng là trở kháng đầu ra RO. RO là trở kháng nhìn từ
đầu ra của bộ khuếch đại đầu ra với vi đặt bằng khơng. Vì vậy, RO có thể được xác
định như sau

RO= vx i x
Vì RO được xác định với vi=0, giá trị của RO không phụ thuộc vào Rsing.
Nguồn dòng được điều khiển Avo vi và trở kháng đầu ra RO đại diện cho
Th'evenin của mạch khuếch đại ở đầu ra , và điện áp đầu ra vo có thể được tìm thấy từ:

v0= R L R A L+ R 0 vo vi
Do đó hệ số khuếch đại vịng kín của bộ khuếch đại, Av:

Av= v0 v =A i v 0 RL RL+ R0
Và hệ số khuếch đại toàn bộ mạch điện Gv:

Gv= v0 vsig
Có thể được xác định như sau

8

Gv= R¿
RL
R¿+¿ Rsig A v 0 R L+ R 0 ¿

Từ những công thức liên quan đến trở kháng vào, trở kháng ra, hệ số khuếch đại
vịng kín, hệ số khuếch đại vịng hở… ta có thể đưa ra vài lời nhận xét như sau
Mạch khuếch đại đơn tầng, mặc dù đơn giản và dễ triển khai, nhưng vẫn mang
theo những ưu và nhược điểm riêng biệt trong các ứng dụng điện tử:
Ưu Điểm:
1. Đơn Giản và Chi Phí Thấp: Mạch khuếch đại đơn tầng thường có cấu trúc
đơn giản và sử dụng ít thành phần hơn so với các mạch khuếch đại đa tầng.
Điều này làm giảm chi phí sản xuất và thiết kế, đồng thời giúp tối ưu hóa hiệu
suất kinh tế của mạch.
2. Dễ Thiết Kế và Triển Khai: Với cấu trúc đơn giản, mạch khuếch đại đơn

tầng dễ dàng thiết kế và triển khai trong các ứng dụng điện tử. Việc chỉ cần một
transistor và một số linh kiện phụ trợ giúp việc lập trình và sử dụng mạch trở
nên dễ dàng hơn.
3. Tiêu Thụ Điện Năng Thấp: Mạch khuếch đại đơn tầng thường tiêu thụ ít
điện năng hơn so với các mạch khuếch đại phức tạp hơn. Điều này làm giảm
nguy cơ quá nhiệt và gia tăng tuổi thọ của mạch, đồng thời giúp tiết kiệm năng
lượng trong các ứng dụng di động và pin dự phòng.
Nhược Điểm:
1. Hệ Số Khuếch Đại Thấp: Một trong những nhược điểm lớn của mạch
khuếch đại đơn tầng là hệ số khuếch đại thường thấp hơn so với các mạch
khuếch đại đa tầng. Điều này có thể làm giảm độ nhạy của mạch và làm giảm
chất lượng của tín hiệu đầu ra.
2. Băng Thơng Hạn Chế: Mạch khuếch đại đơn tầng thường có băng thơng
hạn chế, giới hạn khả năng tái tạo các tín hiệu có tần số cao hoặc biến đổi

9

nhanh. Điều này có thể làm giảm độ chính xác và độ phản ứng của mạch đối
với các tín hiệu đầu vào biến động nhanh.
3. Nhiễu và Nhiệt Độ: Do cấu trúc đơn giản và số lượng linh kiện ít, mạch
khuếch đại đơn tầng thường dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ môi trường và biến
đổi nhiệt độ. Điều này có thể gây ra các sai số và biến dạng tín hiệu trong mơi
trường yếu tố nhiễu hoặc biến đổi.
Từ những điều trên ta thấy nhược điểm của mạch khuếch đại đơn tầng khiến nó
bị hạn chế ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. Mặc dù đơn giản và dễ triển khai,
nhưng hệ số khuếch đại thấp, băng thông hạn chế và độ nhạy cao với nhiễu là
những vấn đề gây khó khăn trong việc sử dụng mạch này trong các thiết bị y
tế.Để vượt qua những hạn chế này, người ta đã đề xuất và phát triển các cấu
trúc mạch khuếch đại đa tầng. Trong số đó, thiết kế mạch khuếch đại 2 tầng đã
thu hút sự chú ý đặc biệt. Bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều tầng khuếch đại

đơn tầng với các kỹ thuật khuếch đại và phản hồi phức tạp hơn, mạch khuếch
đại đa tầng cung cấp hiệu suất cao hơn, băng thông rộng hơn và độ ổn định tốt
hơn, phù hợp hơn với các yêu cầu chính xác và đáng tin cậy của các ứng dụng y
sinh.Do đó, trong nỗ lực cải thiện hiệu suất và độ chính xác của các thiết bị y tế,
việc sử dụng mạch khuếch đại đa tầng, đặc biệt là thiết kế mạch khuếch đại 2
tầng, đang trở thành xu hướng phổ biến và được ưu tiên. Sự kết hợp của các
tầng khuếch đại và các kỹ thuật tiên tiến giúp nâng cao chất lượng và độ tin cậy
của các thiết bị y tế, đồng thời tạo ra cơ hội mới để áp dụng công nghệ điện tử
trong lĩnh vực y sinh.
Để làm rõ hơn điều này, chúng tơi sẽ tiến hành nghiên cứu nó trong mục tiếp
theo

1.4 Mạch khuếch đại đa tầng

Mạch khuếch đại 2 tầng, một trong những cấu trúc phổ biến nhất trong điện tử, đóng
vai trị quan trọng trong việc khuếch đại và xử lý tín hiệu trong nhiều ứng dụng, đặc
biệt là trong lĩnh vực y sinh. Trong mục này, chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu trúc, nguyên

10

lý hoạt động và ứng dụng của mạch khuếch đại 2 tầng, đồng thời khám phá cách mà
nó có thể cải thiện và mở rộng khả năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh.

Hình 1.4 1-1 Sơ đồ khối chung cho mạch khuếch đại hai tầng
Mạch khuếch đại 2 tầng là một cấu trúc mạch phức tạp được hình thành từ hai tầng
khuếch đại, mỗi tầng cung cấp một mức độ khuếch đại riêng biệt. Cấu trúc này thường
bao gồm một tầng khuếch đại đầu tiên, thường là một tầng khuếch đại nhỏ gần tín hiệu
đầu vào, và một tầng khuếch đại thứ hai, cung cấp một mức độ khuếch đại cao hơn và
tinh chỉnh tín hiệu ra từ giai đoạn trước.
Trong tầng đầu tiên, thường sử dụng một transistor làm khuếch đại trong chế độ

common source. Tín hiệu đầu vào được đưa vào cổng gate của transistor này, và tín
hiệu đầu ra được lấy ra từ cực drain. Tầng đầu tiên thường là giai đoạn khuếch đại sơ
bộ và cung cấp một mức độ khuếch đại đầu ra nhỏ gần với tín hiệu đầu vào.Nó cũng
có thể được sử dụng để điều chỉnh và tinh chỉnh biên độ và pha của tín hiệu đầu ra
trước khi nó được đưa vào tầng thứ hai.
Tầng thứ hai thường sử dụng một transistor trong chế độ common source (CS), nhưng
với các kỹ thuật và thành phần phụ trợ được sử dụng để tăng cường hiệu suất.Mạch
khuếch đại 2 tầng cung cấp một sự linh hoạt cao cho việc tinh chỉnh và điều chỉnh hiệu

11