Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬ T CÔNG NGHIỆP

VŨ THU Á NH

CÁ C PHƯƠNG PHÁ P THIÊT́ KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬ T ĐIỆN TỬ

Thái Nguyên 2016

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn “Các phương pháp thiết kế mạch điện tử” đã được
thực hiện theo đúng mục tiêu đề ra dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Duy
Cương. Kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của cá nhân tôi. Trong toàn bộ
luận văn, những điều được trình bày là của cá nhân và được tổng hợp từ nhiều nguồn tài
liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn
hợp pháp.
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong
đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận
văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho
lời cam đoan của mình.

Thái Nguyên, ngày 24 tháng 8 năm 2016
HỌC VIÊN

Vũ Thu Ánh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được rất
nhiều sự giúp đỡ từ thầy cô, gia đình và bạn bè,….
Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS. Nguyễn Duy Cương –
người đã hướng dẫn tận tình tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Các thầy cô giáo Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên
đã truyền thụ kiến thức cho tôi trong khoảng thời gian học tập tại trường và nhà trường
đã tạo điều kiện cơ sở vật chất, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, làm thực nghiệm.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn bố mẹ và gia đình đã bên cạnh động viên trong thời
gian qua.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và bạn bè đã đóng góp
giúp tôi hoàn thành luận văn.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của
bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi mong nhận được
sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè, đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 24 tháng 8 năm 2016

HỌC VIÊN

Vũ Thu Ánh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................................. x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... x
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................................ xii
CHƯƠNG 1. KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN ....................................................................... 1
1.1. Giới thiệu chung .............................................................................................................. 1
1.2. Đặc tính truyền đạt ........................................................................................................... 6
1.3. Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng............................................................................... 7
1.4. Các phép toán sử dụng mạch khuếch đại thuật toán ........................................................ 7
1.4.1. Mạch khuếch đại không đảo...................................................................................... 7
1.4.2. Mạch khuếch đại đảo (Khâu tỷ lệ) ............................................................................ 8
1.4.3. Mạch khuếch đại cộng đảo (bộ cộng) ....................................................................... 9
1.4.4. Mạch tích phân ........................................................................................................ 10
1.4.5. Mạch vi phân ........................................................................................................... 11
1.4.6. Mạch nhân tương tự ................................................................................................ 12

Kết luận chương 1................................................................................................................... 14
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ TỪ BIỂU THỨC TOÁN ...... 15
2.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................................... 15
2.2. Thiết kế mạch điện tử hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS sử dụng
khuếch đại thuật toán ............................................................................................................ 16
2.2.1. Xây dựng sơ đồ cấu trúc từ biểu thức toán mô tả bộ điều khiển ............................. 17
2.2.3. Kết quả mô phỏng mạch điện tử trên phần mềm Multisim ..................................... 22
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




v

Kết luận chương 2................................................................................................................... 25
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ TỪ SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU
KHIỂN ..................................................................................................................................... 26
3.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................................... 26
3.2. Thiết kế mạch điện tử tương đương hệ thống điều khiển tối ưu LQG sử dụng khuếch đại
thuật toán............................................................................................................................... 26
3.2.1. Xây dựng mạch điện tử tương đương cho bộ quan sát LQE ................................... 27
3.2.2. Xây dựng mạch điện tử tương đương của bộ hiệu chỉnh tham số LQR.................. 29
3.2.3. Xây dựng mạch điện tử tương đương của đối tượng điều khiển ............................. 31
3.3. Kết quả mô phỏng mạch điện tử LQG trên phần mềm Multisim 2013 ......................... 35
Kết luận chương 3................................................................................................................... 36
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ TỪ ĐỒ THỊ BODE............... 37
4.1. Đặc tính tần số của hệ thống .......................................................................................... 37
4.2. Giản đồ Bode ................................................................................................................. 38
4.2.1. Các bước vẽ giản đồ Bode bằng các đường gần đúng ............................................ 38
4.2.2. Nhận dạng hàm truyền đạt từ đặc tính tần cho trước .............................................. 42

4.3. Thiết kế mạch điện tử dựa trên cơ sở đặc tính tần cho trước ......................................... 45
4.3.1. Thiết kế mạch lọc tích cực dựa trên cơ sở đặc tính tần cho trước ........................... 46
4.3.2. Cách tiến hành ......................................................................................................... 46
Kết luận chương 4................................................................................................................... 53
CHƯƠNG 5. THỰC NGHIỆM ............................................................................................. 54
5.1. Phần mềm hỗ trợ thiết kế mạch PCB Altium Designer 2010 ........................................ 54
5.2. Thiết kế mô hình thực hệ thống LQG sử dụng IC khuếch đại thuật toán LM324 ......... 55
5.3. Thiết kế mô hình thực bộ lọc tích cực sử dụng IC khuếch đại thuật toán LM324 ........ 56
5.4. Kết quả đo hiển thị trên máy hiện sóng ......................................................................... 57
5.4.1. Kết quả đo dạng sóng của bộ điều khiển LQG ....................................................... 57
5.4.2. Kết quả đo trên hiện sóng của mô hình bộ lọc tích cực .......................................... 59
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi

Kết luận chương 5................................................................................................................... 61
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .................................................................................................... 62
Kết luận: ........................................................................................................................ 62
Kiến nghị: ...................................................................................................................... 62
Hướng nghiên cứu tiếp theo: ......................................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
CHƯƠNG 1. KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN ....................................................................... 1
Hình 1.1. Ký hiệu khuếch đại thuật toán trong sơ đồ mạch điện tử ....................................... 2
Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo bên trong của khuếch đại thuật toán µA741 .................................... 3
Hình 1.3. Đặc tuyến truyền đạt của khuếch đại ...................................................................... 6
Hình 1.4. Mạch khuếch đại không đảo ................................................................................... 7
Hình 1.5. Mạch khuếch đại đảo .............................................................................................. 8
Hình 1.6. Mạch khuếch đại cộng đảo ..................................................................................... 9
Hình 1.7. Mạch tích phân ...................................................................................................... 10
Hình 1.8. Mạch vi phân ........................................................................................................ 11
Hình 1.9. Sơ đồ chân của IC nhân AD633JN/AN ................................................................ 12
Hình 1.10. Sơ đồ mạch nhân sử dụng IC AD633JN ............................................................. 12
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TỪ BIỂU THỨC TOÁN ............................. 15
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) ......................... 16
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS)......... 20
Hình 2.3. Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “mô hình đối tượng” .......................... 21
Hình 2.4. Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “mô hình mẫu” ................................... 21
Hình 2.5. Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “bộ điều khiển PD thích nghi” ................ 22
Hình 2.6. Kết quả mô phỏng hệ thống MRAS trên phần mềm Multisim 2013 .................... 22
Hình 2.7. Tín hiệu thích nghi Kd .......................................................................................... 23
Hình 2.8. Tín hiệu thích nghi Kp .......................................................................................... 23
Hình 2.9. Sơ đồ mạch điện tử hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu MRAS sử dụng khuếch
đại thuật toán ......................................................................................................................... 24
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ TỪ SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU
KHIỂN ..................................................................................................................................... 26
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nâng cao LQG .............................................. 27
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

viii

Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc bộ quan sát LQE ........................................................................... 27
Hình 3.3. Sơ đồ mạch điện tử tương đương bộ quan sát LQE .............................................. 28
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc bộ hiệu chỉnh LQR........................................................................ 29
Hình 3.5. Mạch điện tử tương đương của bộ hiệu chỉnh LQR ............................................. 30
Hình 3.6. Sơ đồ cấu trúc đối tượng điều khiển ..................................................................... 31
Hình 3.7. Sơ đồ mạch điện tử hàm dấu sử dụng KĐTT ....................................................... 31
Hình 3.8. Sơ đồ mạch điện tử tương đương của đối tượng điều khiển sử dụng KĐTT ....... 32
Hình 3.9. Sơ đồ mạch mô phỏng hệ thống điều khiển LQG trên Multisim 2013................. 34
Hình 3.10. Kết quả mô phỏng mạch điện tử tương đương LQG trên phần mềm Multisim 2013
.............................................................................................................................................. 35
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TỪ ĐỒ THỊ BODE ..................................... 37
Hình 4.1. Giản đồ Bode (đặc tính biên độ) ........................................................................... 40
Hình 4.2. Giản đồ Bode (đặc tính pha) ................................................................................. 40
Hình 4.3. Biểu đồ Bode biên độ các hàm ............................................................................. 42
Hình 4.4. Biểu đồ Bode biên độ tổng thể của hệ thống ........................................................ 42
Hình 4.5. Biểu đồ đặc tính biên độ gần đúng ....................................................................... 43
Hình 4.6. Đặc tính biên độ của hàm truyền được nhận dạng ở bước 4 ................................ 45
Hình 4.7. Biểu đồ Bode (đặc tính biên độ và đặc tính pha) .................................................. 46
Hình 4.8. Đường gần đúng với đường biên độ của biểu đồ Bode ........................................ 47
Hình 4.9. Biểu đồ Bode (đặc tính biên độ) với các tần số gãy của đường gần đúng ............ 47
Hình 4.10. Biểu đồ Bode (Đặc tính biên độ, đặc tính pha) của hàm truyền vừa nhận dạng. 49
Hình 4.11. Sơ đồ cấu trúc của hàm truyền đạt ...................................................................... 49
Hình 4.12. Sơ đồ mạch điện tử tương đương của bộ lọc ...................................................... 50
Hình 4.13. Sơ đồ mạch điện tử tương đương mô phỏng trên Multisim 2013....................... 52
Hình 4.14. Kết quả mô phỏng hệ thống trên Multisim 2013 ................................................ 52

CHƯƠNG 5. THỰC NGHIỆM ............................................................................................. 54
Hình 5.1. Mạch in (PCB) được hoàn thiện bằng phần mềm Altium Designer 2010 ............ 55
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ix

Hình 5.2. Mạch in (PCB) thực hiện với phần mềm Altium Designer 2010 ........................ 56
Hình 5.3. Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của bộ lọc tích cực trên Altium Designer ............ 56
Hình 5.4. Sơ đồ mạch in PCB của bộ lọc tích cực trên phần mềm Altium Designer ........... 57
Hình 5.5. Hình ảnh thực nghiệm trên phòng thí nghiệm Khoa Điện tử -TNUT .................. 57
Hình 5.6. Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng đầu ra đối tượng của bộ điều khiển LQG ..... 58
Hình 5.7. Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng của khối quan sát LQE ................................. 58
Hình 5.8. Tín hiệu đầu ra của đối tượng điều khiển và khối quan sát .................................. 59
Hình 5.9. Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng của bộ lọc tích cực 1 .................................... 59
Hình 5.10. Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng của bộ lọc tích cực 2 .................................. 60

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Các cấu hình khuếch đại thuật toán cơ bản .......................................................... 13
Bảng 3.1. Giá trị các linh kiện sử dụng để xây dựng bộ quan sát LQE ................................ 29

Bảng 3.2. Giá trị các linh kiện sử dụng để xây dựng bộ hiệu chỉnh LQR ............................ 30
Bảng 3.3. Giá trị các linh kiện sử dụng để xây dựng đối tượng điều khiển.......................... 33
Bảng 4.1. Các thông số giá trị các linh kiện (tụ điện, điện trở) ............................................ 51

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
KCL

:

Kirchhoff Current Law

KVL

:

Kirchhoff Voltage Law

ĐLK1

:

Định luật Kirchhoff về dòng điện

ĐLK2

:

Định luật Kirchhoff về điện áp

KĐTT :

Khuếch đại thuật toán

LQR

:

Linear Quadratic Regulator

LQE

:

Linear Quadratic Estimator

PCB

:

Printed Circuit Board

KĐTT :

Khuếch đại thuật toán

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




xii

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến của
thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển
của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự
chính xác cao, tốc độ đáp ứng nhanh,… là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt
động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn.
Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Điện tử đã đáp ứng
được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu
thiết yếu của con người trong cuộc sống hằng ngày. Điện tử tương tự là môn học cơ sở,
nhằm cùng cấp cho người học những kiến thức cơ bản nhất để phân tích, thiết kế các
mạch điện trong hệ thống mạch điện tử. Khi nghiên cứu chuyên sâu về kỹ thuật điện tử
phải biết thiết kế mạch điện tử theo yêu cầu thực tế cuộc sống.
Nhận thấy được mức độ cấp thiết của vấn đề và được sự gợi ý của thầy giáo
hướng dẫn em đã chọn đề tài: “Các phương pháp thiết kế mạch điện tử” làm luận văn
tốt nghiệp của mình.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài như sau:
-

Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng các bước thiết kế mạch điện tử từ yêu cầu cho
trước, tính toán, thiết kế các mạch điện tử tương đương sử dụng IC khuếch đại thuật
toán.

-

Kiểm chứng kết quả lý thuyết thông qua mô phỏng trên phần mềm Multisim 2013

-

Tiến hành thiết kế mô hình thực sử dụng công cụ phần mềm hỗ trợ Altium Designer
2010.

-

Tiến hành đo thực nghiệm thông qua máy hiện sóng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




xiii

Cấu trúc luận văn bao gồm 5 chương, nội dung tóm tắt của các chương như sau:
Chương 1. Khuếch đại thuật toán.
Chương 2. Thiết kế mạch điện tử tương tự từ biểu thức toán.
Chương 3. Thiết kế mạch điện tử tương tự từ sơ đồ cấu trúc điều khiển.
Chương 4. Thiết kế mạch điện tử tương tự từ đồ thị Bode.
Chương 5. Thực nghiệm.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

1

CHƯƠNG 1. KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
Ngày nay IC analog sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử. Khi sử dụng chúng
cần đấu thêm các điện trở, tụ điện, điện cảm tùy theo từng loại và chức năng của
chúng. Sơ đồ đấu cũng như trị số của các linh kiện ngoài được cho trong các sổ tay
IC analog. Các IC analog được chế tạo chủ yếu dưới dạng khuếch đại thuật toán (như
một mạch khuếch đại lý tưởng) thực hiện nhiều chức năng trong các máy điện tử một
cách gọn - nhẹ - hiệu suất cao. Chương này sẽ giới thiệu về IC khuếch đại thuật toán
(Mục 1.1), đặc tính truyền đạt (Mục 1.2), mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng (Mục
1.3), các cấu hình được thực hiện bởi khuếch đại thuật toán (Mục 1.4).
1.1. Giới thiệu chung
Khuếch đại thuật toán [1]; [2]; [3]; [5]; [7]; [8] (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 thông thường có đầu ra đơn. Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được
điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở
đầu vào và tổng trở đầu ra.
Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều
các thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa học.
Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất rẻ. Các thiết kế
hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây và một số thiết kế cho phép mạch
điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không làm hư hỏng.
Danh từ "Khuếch đại thuật toán" (OA- Operational Amplifier) thuộc về bộ
khuếch đại dòng một chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai và một đầu
ra chung. Tên gọi này có quan hệ tới việc ứng dụng đầu tiên của chúng chủ yếu để
thực hiện các phép tính cộng, trừ, tích phân, vi phân… Hiện nay các bộ khuếch đại

thuật toán đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch
đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực... Ký hiệu quy
ước của một bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) cho trên Hình 1.1 với đầu vào không
đảo (ký hiệu bằng dấu “+”) và đầu thứ hai là đầu vào đảo (ký hiệu bằng dấu “-”).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2

Hình 1.1. Ký hiệu khuếch đại thuật toán trong sơ đồ mạch điện tử
Khi có tín hiệu đưa vào đầu không đảo thì gia số tín hiệu ra cùng dấu (cùng
pha) với gia số tín hiệu vào. Nếu tín hiệu được đưa vào đầu vào đảo thì gia số tín hiệu
ra ngược dấu (ngược pha) so với gia số tín hiệu vào. Đầu vào đảo thường được dùng
để thực hiện phản hồi âm bên ngoài cho KĐTT.
Cấu tạo cơ sở của KĐTT là các tầng vi sai dùng làm tầng vào và tầng giữa của
bộ khuếch đại. Tầng ra của KĐTT thường là tầng lặp phát (CC) đảm bảo khả năng
tải yêu cầu của các sơ đồ. Vì hệ số khuếch đại của tầng lặp phát gần bằng 1 nên hệ số
khuếch đại đạt được nhờ tầng vào và các tầng khuếch đại trung gian mắc giữa tầng
vi sai và tầng ra. Tuỳ thuộc vào hệ số khuếch đại của KĐTT mà quyết định số lượng
tầng trung gian. Ngoài ra KĐTT còn có các tầng phụ như tầng dịch mức điện áp một
chiều, tầng tạo nguồn ổn dòng, mạch hồi tiếp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo bên trong của khuếch đại thuật toán µA741
Mặc dù các thiết kế có thể khác nhau giữa các sản phẩm và các nhà chế tạo,
nhưng tất cả các mạch khuếch đại thuật toán đều có chung những cấu trúc bên trong,
bao gồm 3 tầng:
Mạch khuếch đại vi sai:
Tầng khuếch đại đầu vào, tạo ra độ khuếch đại tạp âm thấp, tổng trở vào cao,
thường có đầu ra vi sai.
Mạch khuếch đại điện áp:
Tầng khuếch đại điện áp, tạo ra hệ số khuếch đại điện áp lớn, độ suy giảm tần
số đơn cực, và thường có ngõ ra đơn.
Mạch khuếch đại đầu ra:
Tầng khuếch đại đầu ra, tạo ra khả năng tải dòng lớn, tổng trở đầu ra thấp, có
giới hạn dòng và bảo vệ ngắn mạch.
Gương dòng điện:
Các phần mạch điện được tô màu đỏ cam là các gương dòng điện. Dòng điện
ban đầu để có thể sinh ra các dòng điện khác được xác định bởi điện áp cấp nguồn và
điện trở 39kΩ cùng với 2 mối nối pn tạo ra. Dòng điện được tính gần đúng bằng:
(𝑉𝑠+ − 𝑉𝑠− − 2𝑉𝑏𝑒 )/39𝑘𝛺.
Trạng thái của tầng khuếch đại đầu vào được điều khiển bởi hai gương dòng
điện bên phía trái. Q10 and Q11 hình thành một nguồn dòng Widlar trong đó
điện trở 5kΩ sẽ đặt dòng điện của cực thu Q10 đến một trị số có tỷ lệ rất nhỏ so với
dòng điện ban đầu. Dòng điện cố định của Q10 cấp dòng cực nền cho transistor Q3
và Q4 nhưng cũng cấp dòng cực thu cho Q9, trong khi gương dòng điện Q8 và Q9 sẽ
cố bám theo độ lớn của dòng cực thu Q3 và Q4. Dòng nay cũng bằng với dòng điện
yêu cầu cho đầu vào và sẽ là một tỷ lệ nhỏ của dòng điện Q10 vốn đã nhỏ.
Một cách khác để nhìn nhận vấn đề là nếu dòng điện của đầu vào có khuynh
hướng tăng cao hơn dòng điện Q10, thì gương dòng điện Q8, Q9 sẽ tháo bớt dòng
điện ra khỏi cực nền chung của Q3 và Q4, hạn chế dòng đầu vào và ngược lại. Như
vậy, điều kiện về một chiều của tầng đầu vào sẽ được ổn định nhờ một hệ thống hồi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4

tiếp âm có độ lợi cao. Vòng hồi tiếp này cũng loại trừ những thay đổi theo hướng
đồng pha của các thành phần khác trong mạch bằng cách làm cho điện áp cực nền
của Q3/Q4 bám theo 2Vbe thấp hơn trị số của điện áp đầu vào.
Gương dòng điện ở góc trái trên Q12/Q13 tạo ra dòng điện cố định cho tầng
khuếch đại điện áp lớp A qua cực thu của Q13 và độc lập với điện áp ngõ ra.
Tầng khuếch đại vi sai đầu vào:
Phần mạch điện tô màu xanh dương đậm là một tầng khuếch đại vi sai. Q1 và
Q2 là transistor đầu vào, lắp theo kiểu theo cực phát (hay kiểu cực thu chung) phối
hợp bởi đôi transistor Q3 và Q4 nối cực gốc chung thành mạch vi sai đầu vào. Ngoài
ra, Q3 và Q4 cũng tác động như một bộ dời mức điện áp và tạo ra một độ lợi để kéo
tầng khuếch đại lớp A. Chúng cũng tăng cường khả năng chịu điện áp ngược của Vbe
rating cho các transistor đầu vào.
Mạch khuếch đại vi sai Q1 - Q4 sẽ kéo một tải tích cực là gương dòng điện
Q5 - Q7. Q7 làm tăng độ chính xác của gương dòng điện bằng cách giảm trị số dòng
điện tín hiệu cần thiết đi từ Q3 để kéo cực nền của Q5 và Q6. Gương dòng điện này
sẽ biến đổi tín hiệu vi sai thành tín hiệu đơn theo cách sau:
Dòng điện tín hiệu của Q3 sẽ là đầu vào của gương dòng điện trong khi đầu ra
của gương dòng điện (cực thu của Q6) được nối đến cực thu của Q4. Ở đây, dòng tín
hiệu của Q3 và Q4 sẽ được cộng lại với nhau. Đối với nguồn vi sai đầu vào, tín hiệu
của Q3 và Q4 bằng và ngược dấu với nhau. Như thế, tổng này sẽ bằng hai lần dòng
điện tín hiệu. Mạch này đã hoàn tất quá trình biến từ tín hiệu vào vi sai thành tín hiệu
ra đơn.
Điện áp tín hiệu hở mạch xuất hiện ở điểm này do tổng dòng điện trên, các

điện trở cực thu của Q4 và Q6 nối song song. Do điện trở cực thu của Q4 và Q6 đối
với tín hiệu sẽ rất lớn, nên độ li75 của điện áp hở mạch của tầng này sẽ rất lớn.
Cần lưu ý rằng dòng điện cực nền của đầu vào khác không và tổng trở đầu vào
vi sai của 741 sẽ xấp xỉ 2MΩ. Chân "offset null" có thể được dùng để lắp các điện trở
ngoài song song với điện trở 1kΩ (thông thường đó sẽ là 2 đầu cuối của 1 biến trở
tinh chỉnh) để điều chỉnh cân bằng cho gương dòng điện Q5, Q6 và như thế sẽ gián
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5

tiếp điều chỉnh điện áp ra khi tín hiệu đầu vào = 0.
Tầng khuếch đại điện áp lớp A:
Phần nằm trong khối màu tím là một mạch khuếch đại lớp A. Nó bao gồm 2
transistor NPN nối Darling ton và sử dụng đầu ra của một gương dòng điện làm tải
cực thu nhằm có độ lợi lớn. Tụ điện 30pF tạo ra hồi tiếp âm chọn lọc tần số cho tầng
khuếch đại này, hình thành một bộ bù tần số để tạo sự ổn định. Kỹ thuật này gọi là
bù kiểu Miller và chức năng của nó giống như một mạch tích phân dùng mạch khuếch
đại thuật toán. Đặc tuyến biên độ tần số của nó có độ dốc bắt đầu từ 10Hz và giảm
3dB/bát độ theo tần số. Nó sẽ kết thúc khi độ lợi giảm xuống một.
Mạch định thiên đầu ra:
Khối màu xanh lá cây (Q16) là một mạch dời mức điện áp hoặc một mạch
nhân Vbe, một dạng của nguồn điện áp. Trong mạch điện như hình vẽ, Q16 tạo ra
một sụt áp không đổi giữa cực thu và cực phát bất kể dòng điện qua mạch. Nếu dòng
điện cực nền gần bằng không, điện áp giữa hai cực phát và cực nền là 0.625V (trị số
tiêu chuẩn của BJT trong miền tích cực). Do đó, dòng điện đi qua điện trở 4.5kΩ sẽ
bằng với dòng đi qua điện trở 7.5kΩ và sẽ gây ra giảm áp trên đó là 0.375V. Do đó,
nó sẽ duy trì điện áp trên 2 đầu transistor và 2 điện trở là 0.625 + 0.375 = 1V. Nó sẽ

định thiên cho 2 transistor đầu ra ở vùng dẫn gần và giảm méo xuyên tâm. Trong một
số mạch khuếch đại linh kiện rời, chức năng này được thực hiện với chỉ 2 diode.
Tầng xuất:
Tầng xuất (khối màu xanh nhạt) là một mạch khuếch đại đầy kéo lớp AB (Q14,
Q20) được định thiên bằng bộ nhân điện áp Vbe Q16 và các điện trở cực thu của nó.
Tầng này được kéo bằng cực thu của Q13 và Q19. Dải điện áp ra khoảng thấp hơn
1volt so với nguồn cấp ứng bao gồm phần điện áp của Vbe transistors Q14 và Q20.
Điện trở 25Ω trong mạch ra tác động như một mạch nhạy dòng, để tạo chức
năng giới hạn dòng ra của transistor Q14 đến trị số khoảng 25mA đối với 741. Giới
hạn cho dòng điện ra âm bằng cách sử dụng điện áp ngang qua điện trở cực phát của
Q19 và dùng điện áp này để giảm bớt dòng điện kéo cực nền của Q15. Với các phiên
bản mới hơn có thể thấy những sai biệt nhỏ trong mạch giới hạn dòng ra này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




6

Điện trở ra không bằng 0 nhưng nếu sử dụng hồi tiếp thì có thể tiến đến
gần 0 nếu có sử dụng hồi tiếp âm.
1.2. Đặc tính truyền đạt
Đặc tuyến quan trọng nhất của KĐTT là đặc tuyến truyền đạt Hình 1.3, gồm
hai đường cong tương ứng với các đầu vào đảo và không đảo.

Hình 1.3. Đặc tuyến truyền đạt của khuếch đại
Mỗi đường cong gồm hai đoạn nằm ngang và một đoạn dốc. Đoạn nằm ngang
tương ứng với chế độ tranzitor tầng ra thông bão hòa hoặc cắt dòng. Trên những đoạn
đó khi thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp ra của bộ KĐTT không đổi và được
xác định bằng các giá trị U + ra max, U− ra max gọi là giá trị điện áp ra cực đại (điện

áp bão hòa) gần bằng nguồn cung cấp EC (thường nhỏ hơn nguồn EC từ (13) V).
Đoạn dốc biểu thị phụ thuộc tỉ lệ của điện áp ra với điện áp vào với góc nghiêng xác
định hệ số khuếch đại của KĐTT (khi không có mạch phản hồi
bên ngoài).
𝐾=

𝑈𝑟𝑎
⁄𝑈
𝑣à𝑜

(1.1)

Hiệu giữa các điện áp ở các đầu vào không đảo và đầu vào đảo được định
nghĩa là điện áp vào vi sai 𝑢0 : 𝑢0 = 𝑢𝑣+ − 𝑢𝑣 –
Khi đó điện áp ra 𝑈𝑟𝑎 (so với mass) được tính:
𝑈𝑟𝑎 = 𝐾. 𝑢0 = 𝐾. (𝑢𝑣+ − 𝑢𝑣 − )
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



(1.2)


7

1.3. Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng
- Trở kháng vào của KĐTT nhìn từ hai đầu lối vào là vô cùng lớn: 𝑍𝑣 = ∞
- Trở kháng ra của KĐTT nhìn từ đầu ra so với mass là bằng 0: 𝑍𝑟 = 0
- Hệ số khuếch đại (chưa thực hiện phản hồi) tiến tới vô cùng: 𝐾 = ∞
- Độ "trôi điểm không" bằng 0 - các đường đặc tuyến đi qua gốc tọa độ.

Hệ quả:
 Với giả thiết trở kháng vào là vô cùng lớn nên không có dòng điện vào hoặc ra
khỏi đầu vào của KĐTT: 𝐼𝑜 + = 𝐼𝑜 − = 𝐼𝑜 = 0
 Giả thiết trở kháng ra bằng 0 nên giá trị điện áp ở đầu ra 𝑈𝑟𝑎 không phụ thuộc vào
dòng điện tải.
 Vì 𝑈𝑟𝑎 = 𝐾. 𝑢0 = 𝐾. (𝑢𝑣+ − 𝑢𝑣 − ) với giả thiết K =  (giá trị điện áp ra 𝑈𝑟𝑎
hữu hạn)  𝑢0  0  𝑢𝑣+ = 𝑢𝑣 –
1.4. Các phép toán sử dụng mạch khuếch đại thuật toán
1.4.1. Mạch khuếch đại không đảo
Điện áp vào được đưa đến đầu vào không đảo. Mạch thực hiện phản hồi âm
điện áp, thông qua điện trở R1, Rph đưa đến đầu vào đảo. Giả thiết KĐTT là lý tưởng,
ta có:
𝑢𝑣 = U0 + 𝑢𝑁 . 𝑉ì U0 = 0  𝑢𝑣 = 𝑢𝑁

Hình 1.4. Mạch khuếch đại không đảo
Áp dụng định luật Kirchoff 1 tại điểm N ta có:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8

Iph = I1 + Io
Suy ra:
𝑢𝑟𝑎 − 𝑢𝑁 𝑢𝑁
=
+0
𝑅𝑝ℎ
𝑅1

Mặt khác ta có: 𝑢𝑁 = 𝑢𝑉
Do vậy,
𝑢𝑟𝑎 − 𝑢𝑣 𝑢𝑣
=
𝑅𝑝ℎ
𝑅1
Hay có thể biểu diễn dưới dạng đầu ra so với đầu vào như sau:
𝑅𝑝ℎ
𝑢𝑟𝑎
=1+
𝑢𝑣
𝑅1
1.4.2. Mạch khuếch đại đảo (Khâu tỷ lệ)
Điện áp vào cần khuếch đại được đưa đến đầu vào đảo thông qua điện trở R1.
Đầu vào không đảo được nối với điểm chung của sơ đồ (nối đất). Để lấy phản hồi âm
ta dùng điện trở Rph đưa từ đầu ra quay về đầu vào đảo.

Hình 1.5. Mạch khuếch đại đảo
Giả thiết IC KĐTT là lý tưởng, chiều các dòng điện như Hình 1.5
𝑖0 : Dòng điện đầu vào đảo của KĐTT.
𝑢0 : Điện áp giữa hai đầu vào của KĐTT (𝑢0 = 𝑢𝑁 − 𝑢𝑃 = 0)
Do KĐTT có trở kháng đầu vào là vô cùng lớn (𝑍𝑣  ) nên 𝑖0 = 0.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




9

Áp dụng định luật Kirchoff 1 tại nút N ta có:

𝑖1 − 𝑖𝑝ℎ − 𝑖0 − = 0
Trong đó:
𝑖1 =

𝑢𝑣 − 𝑢𝑁
𝑢𝑁 − 𝑢𝑟𝑎
; 𝑖𝑝ℎ =
𝑅1
𝑅𝑝ℎ

Suy ra:
𝑅𝑝ℎ
𝑢𝑟𝑎
=−
𝑢𝑣
𝑅1
Ta nhận thấy hệ số khuếch đại của mạch chỉ phụ thuộc vào thông số của các
phần tử thụ động trong sơ đồ. Khi thay đổi giá trị điện trở Rph ta có thể thay đổi được
hệ số khuếch đại của toàn mạch.
1.4.3. Mạch khuếch đại cộng đảo (bộ cộng)

Hình 1.6. Mạch khuếch đại cộng đảo
Giả thiết KĐTT là lý tưởng. Áp dụng định luật Kirchoff 1 tại nút N ta có:
𝐼𝑝ℎ = 𝐼1 + 𝐼2 + ⋯ + 𝐼𝑛
Hoặc có thể viết dưới dạng:
𝑢𝑁 − 𝑢𝑟𝑎 𝑢1 − 𝑢𝑁 𝑢2 − 𝑢𝑁
𝑢𝑛 − 𝑢𝑁
=
+
+ ⋯+

𝑅𝑝ℎ
𝑅1
𝑅2
𝑅𝑛
Mặt khác ta có: 𝑢𝑁 = 𝑢𝑃 = 0 (tính chất của khuếch đại thuật toán)
Suy ra:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10

𝑢1 𝑢2
𝑢𝑛
𝑢𝑟𝑎 = −𝑅𝑝ℎ ( +
+ ⋯+ )
𝑅1 𝑅2
𝑅𝑛
Nếu ta chọn: 𝑅𝑝ℎ = 𝑅1 = 𝑅2 = ⋯ = 𝑅𝑛
Ta có biểu thức sau:
𝑛

𝑢𝑟𝑎 = −(𝑢1 + 𝑢2 + ⋯ + 𝑢𝑛 ) = − ∑ 𝑢𝑖
1

1.4.4. Mạch tích phân
Sơ đồ mạch thể hiện khâu tích phân như Hình 1.7. Giả sử KĐTT là lý tưởng,
áp dụng định luật Kirchoff 1 tại nút N ta có phương trình dòng điện sau:
𝑖𝑅 = 𝑖𝐶 →

𝑢𝑣 − 𝑢𝑁
𝑑(𝑢𝑁 − 𝑢𝑟𝑎 )
=𝐶
𝑅
𝑑𝑡

(*)

𝑢𝑣 − 𝑢𝑁 𝑢𝑁 − 𝑢𝑟𝑎
=
1⁄
𝑅
𝑠𝐶

(**)

Hoặc
𝑖𝑅 = 𝑖𝐶 →

Hình 1.7. Mạch tích phân
Mặt khác ta có: 𝑢𝑁 = 𝑢𝑃 = 0
Từ (*) ta có thể biểu diễn mối quan hệ dưới dạng đầu ra so với đầu vào như sau:
ura

t
1
=−
. ∫ u dt + ura (0)
RC 0 v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11

Từ (**) ta có thể biểu diễn mối quan hệ vào ra trên miền S như sau:
ura = −

1 1
. .u
RC s v

1.4.5. Mạch vi phân
Sơ đồ mạch vi phân cho trên Hình 1.8. Giả thiết IC lý tưởng.
Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại nút N ta có:
iC = iR
Hay
C

d(uv − uN ) uN − ura
=
dt
R

Mặt khác ta có: 𝑢𝑁 = 𝑢𝑃 = 0

Hình 1.8. Mạch vi phân

Suy ra ta có:
Biểu thức miêu tả mối quan hệ vào/ra trên miền thời gian:
ura = −RC

duv
dt

Biểu thức miêu tả mối quan hệ vào/ra trên miền S:
ura = −s. RC
Trong đó: RC là hằng số tích phân của mạch.
Khi tín hiệu vào là hình sin, bộ vi phân làm việc như là bộ lọc tần cao, hệ số khuếch
đại của nó tỷ lệ thuận với tần số tín hiệu vào và làm quay pha u vào một góc 90 độ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12

Thường bộ vi phân làm việc kém ổn định ở tần cao vì khi đó:
𝑍𝑐 =

1
→0
𝜔𝐶

làm hệ số hồi tiếp âm giảm.
1.4.6. Mạch nhân tương tự
IC nhân AD633:

Hình 1.9. Sơ đồ chân của IC nhân AD633JN/AN
IC AD633 là bộ nhân tương tự 4 góc phần tư hoàn chỉnh, có trở kháng vào
lớn, các đầu vào vi sai X và Y và có trở kháng cộng với tín hiệu vào (Z). IC AD633
là một sản phẩm có chi phí hợp lý và dễ sử dụng. Điện áp cấp để duy trì hoạt động
cho IC từ ±8𝑉 đến ±18𝑉. Điện áp chia tỷ lệ bên trong được tạo ra bởi đi-ốt Zener
ổn định điện áp.
Mối liên hệ đầu vào – đầu ra:

Hình 1.10. Sơ đồ mạch nhân sử dụng IC AD633JN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN