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

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VŨ THU ÁNH

CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCHĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Thái Nguyên 2016
Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


ii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VŨ THU ÁNH

CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ
Chuyên ngành

:

Kỹ thuật Điện tử

Mã số

:

60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

KHOA CHUYÊN MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Nguyễn Duy Cương

PHÒNG ĐÀO TẠO

Thái Nguyên 2016

Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn “Các phƣơng 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 Cƣơng. 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 hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


iv

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 hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................................iv
MỤC LỤC ................................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................................xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................................x
LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................................................... xiii
CHƢƠNG 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 chƣơng 1.................................................................................................................... 15
CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƢƠNG TỰ TỪ BIỂU THỨC TOÁN ....... 16
2.1. Cơ sở lý thuyết ................................................................................................................ 16

2.2. Thiết kế mạch điện tử hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS sử
dụng khuếch đại thuật toán .................................................................................................... 17
2.2.1. Xây dựng sơ đồ cấu trúc từ biểu thức toán mô tả bộ điều khiển .............................. 18
2.2.3. Kết quả mô phỏng mạch điện tử trên phần mềm Multisim ...................................... 24
Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


vi

Kết luận chƣơng 2.................................................................................................................... 28
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƢƠNG TỰ TỪ SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU
KHIỂN ...................................................................................................................................... 29
3.1. Cơ sở lý thuyết ................................................................................................................ 29
3.2. Thiết kế mạch điện tử tương đương hệ thống điều khiển tối ưu LQG sử dụng khuếch
đại thuật toán .......................................................................................................................... 29
3.2.1. Xây dựng mạch điện tử tương đương cho bộ quan sát LQE .................................... 30
3.2.2. Xây dựng mạch điện tử tương đương của bộ hiệu chỉnh tham số LQR................... 32
3.2.3. Xây dựng mạch điện tử tương đương của đối tượng điều khiển .............................. 34
3.3. Kết quả mô phỏng mạch điện tử LQG trên phần mềm Multisim 2013 .......................... 37
Kết luận chƣơng 3.................................................................................................................... 38
CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƢƠNG TỰ TỪ ĐỒ THỊ BODE................ 39
4.1. Đặc tính tần số của hệ thống ........................................................................................... 39
4.2. Giản đồ Bode .................................................................................................................. 40
4.2.1. Các bước vẽ giản đồ Bode bằng các đường gần đúng ............................................. 40
4.2.2. Nhận dạng hàm truyền đạt từ đặc tính tần cho trước ............................................... 44
4.3. Thiết kế mạch điện tử dựa trên cơ sở đặc tính tần cho trước .......................................... 47
4.3.1. Thiết kế mạch lọc tích cực dựa trên cơ sở đặc tính tần cho trước ............................ 48
4.3.2. Cách tiến hành .......................................................................................................... 48
Kết luận chƣơng 4.................................................................................................................... 55
CHƢƠNG 5. THỰC NGHIỆM .............................................................................................. 56

5.1. Phần mềm hỗ trợ thiết kế mạch PCB Altium Designer 2010 ......................................... 56
5.2. Thiết kế mô hình thực hệ thống LQG sử dụng IC khuếch đại thuật toán LM324 .......... 57
5.3. Thiết kế mô hình thực bộ lọc tích cực sử dụng IC khuếch đại thuật toán LM324 ......... 58
5.4. Kết quả đo hiển thị trên máy hiện sóng .......................................................................... 59
5.4.1. Kết quả đo dạng sóng của bộ điều khiển LQG ........................................................ 59
5.4.2. Kết quả đo trên hiện sóng của mô hình bộ lọc tích cực ........................................... 61
Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


vii

Kết luận chƣơng 5.................................................................................................................... 63
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ..................................................................................................... 64
 Kết luận: ......................................................................................................................... 64
 Kiến nghị: ....................................................................................................................... 64
 Hướng nghiên cứu tiếp theo: .......................................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................... 65

Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
CHƢƠNG 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 .................................................................................... 8
Hình 1.5. Mạch khuếch đại đảo ............................................................................................... 9

Hình 1.6. Mạch khuếch đại cộng đảo .................................................................................... 10
Hình 1.7. Mạch tích phân ....................................................................................................... 11
Hình 1.8. Mạch vi phân ......................................................................................................... 12
Hình 1.9. Sơ đồ chân của IC nhân AD633JN/AN ................................................................. 13
Hình 1.10. Sơ đồ mạch nhân sử dụng IC AD633JN .............................................................. 13
CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TỪ BIỂU THỨC TOÁN .............................. 16
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) .......................... 18
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS).......... 21
Hình 2.3. Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “mô hìnhđối tượng” ............................ 22
Hình 2.4. Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “mô hình mẫu” .................................... 22
Hình 2.5. Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “bộ điều khiển PD thích nghi” ................. 24
Hình 2.6. Kết quả mô phỏng hệ thống MRAS trên phần mềm Multisim 2013 ..................... 24
Hình 2.7. Tín hiệu thích nghi Kd ........................................................................................... 26
Hình 2.8. Tín hiệu thích nghi Kp ........................................................................................... 26
Hình 2.9. Sơ đồ mạch điện tử hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu MRAS sử dụng
khuếch đại thuật toán ............................................................................................................. 27
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƢƠNG TỰ TỪ SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU
KHIỂN ...................................................................................................................................... 29
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nâng cao LQG ............................................... 30
Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


ix

Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc bộ quan sát LQE ............................................................................ 30
Hình 3.3. Sơ đồ mạch điện tử tương đương bộ quan sát LQE ............................................... 31
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc bộ hiệu chỉnh LQR......................................................................... 32
Hình 3.5. Mạch điện tử tương đương của bộ hiệu chỉnh LQR .............................................. 33
Hình 3.6. Sơ đồ cấu trúc đối tượng điều khiển ...................................................................... 34
Hình 3.7. Sơ đồ mạch điện tử hàm dấu sử dụng KĐTT ........................................................ 34

Hình 3.8. Sơ đồ mạch điện tử tương đương của đối tượng điều khiển sử dụng KĐTT ........ 35
Hình 3.9. Sơ đồ mạch mô phỏng hệ thống điều khiển LQG trên Multisim 2013.................. 36
Hình 3.10. Kết quả mô phỏng mạch điện tử tương đương LQG trên phần mềm Multisim
2013 ....................................................................................................................................... 37
CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TỪ ĐỒ THỊ BODE ...................................... 39
Hình 4.1. Giản đồ Bode (đặc tính biên độ) ............................................................................ 42
Hình 4.2. Giản đồ Bode (đặc tính pha) .................................................................................. 42
Hình 4.3. Biểu đồ Bode biên độ các hàm .............................................................................. 44
Hình 4.4. Biểu đồ Bode biên độ tổng thể của hệ thống ......................................................... 44
Hình 4.5. Biểu đồ đặc tính biên độ gần đúng ........................................................................ 45
Hình 4.6. Đặc tính biên độ của hàm truyền được nhận dạng ở bước 4 ................................. 47
Hình 4.7. Biểu đồ Bode (đặc tính biên độ và đặc tính pha) ................................................... 48
Hình 4.8. Đường gần đúng với đường biên độ của biểu đồ Bode ......................................... 49
Hình 4.9. Biểu đồ Bode (đặc tính biên độ) với các tần số gãy của đường gần đúng ............. 49
Hình 4.10. Biểu đồ Bode (Đặc tính biên độ, đặc tính pha) của hàm truyền vừa nhận dạng.. 51
Hình 4.11. Sơ đồ cấu trúc của hàm truyền đạt ....................................................................... 51
Hình 4.12. Sơ đồ mạch điện tử tương đương của bộ lọc ....................................................... 52
Hình 4.13. Sơ đồ mạch điện tử tương đương mô phỏng trên Multisim 2013........................ 54
Hình 4.14. Kết quả mô phỏng hệ thống trên Multisim 2013 ................................................. 54
CHƢƠNG 5. THỰC NGHIỆM .............................................................................................. 56
Hình 5.1. Mạch in (PCB) được hoàn thiện bằng phần mềm Altium Designer 2010 ............. 57
Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


x

Hình 5.2. Mạch in (PCB) thực hiện với phần mềm Altium Designer 2010 ......................... 58
Hình 5.3. Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của bộ lọc tích cực trên Altium Designer ............. 58
Hình 5.4. Sơ đồ mạch in PCB của bộ lọc tích cực trên phần mềm Altium Designer ............ 59
Hình 5.5. Hình ảnh thực nghiệm trên phòng thí nghiệm Khoa Điện tử -TNUT ................... 59

Hình 5.6. Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng đầu ra đối tượng của bộ điều khiển LQG ...... 60
Hình 5.7. Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng của khối quan sát LQE .................................. 60
Hình 5.8. Tín hiệu đầu ra của đối tượng điều khiển và khối quan sát ................................... 61
Hình 5.9. Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng của bộ lọc tích cực 1 ..................................... 61
Hình 5.10. Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng của bộ lọc tích cực 2 ................................... 62

Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


xi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Các cấu hình khuếch đại thuật toán cơ bản ........................................................... 14
Bảng 3.1. Giá trị các linh kiện sử dụng để xây dựng bộ quan sát LQE ................................. 32
Bảng 3.2. Giá trị các linh kiện sử dụng để xây dựng bộ hiệu chỉnh LQR ............................. 33
Bảng 3.3. Giá trị các linh kiện sử dụng để xây dựng đối tượng điều khiển........................... 35
Bảng 4.1. Các thông số giá trị các linh kiện (tụ điện, điện trở) ............................................. 53

Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


xii

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 hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


xiii

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 AltiumDesigner
2010.

-

Tiến hành đo thực nghiệm thông qua máy hiện sóng.

Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


xiv

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 hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


1

CHƢƠNG 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 đâyvà một số thiết kế cho phép mạch
điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không làmhư 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 1.1với đầu
vào không đảo (ký hiệu bằng dấu “+”) và đầu thứ hai là đầu vào đảo (ký hiệu bằng
Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


2

dấu “-”).

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 hoá 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.
Gƣơng 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 vàođược điều khiển bởi hai gương dòng
Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


4

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
tiếp âm có độ lợi cao. Vòng hồi tiếp này cũng loại trừ những thay đổi theo
hướngđồng 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
Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

5

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 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
Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


6

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.
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
Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

7

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

𝑈𝑣à𝑜

(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 − )

(1.2)

1.3. Mạch khuếch đại thuật toán lý tƣởng
- 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:
Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


8

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:
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.

Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


9

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.
Áp dụng định luật Kirchoff 1 tại nút N ta có:
𝑖1 − 𝑖𝑝ℎ − 𝑖0 − = 0
Trong đó:
𝑖1 =

𝑢𝑣 − 𝑢 𝑁
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)

Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


10

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:
𝑢𝑟𝑎 = −𝑅𝑝ℎ

𝑢1 𝑢2
𝑢𝑛
+
+ ⋯+
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

Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

(*)


11

Hoặc
𝑢𝑣 − 𝑢𝑁 𝑢𝑁 − 𝑢𝑟𝑎
=
1
𝑅
𝑠𝐶

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 = −

1
.
RC

t

uv dt + ura (0)
0

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
Số hoá bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

(**)