Khái niệm cơ bản về Bộ khuếch đại thuật toán

Khái niệm cơ bản về Bộ khuếch đại thuật toán

Bộ khuếch đại thuật toán hay op-amp là thiết bị tuyến tính có tất cả các đặc tính cần thiết để khuếch đại DC gần như lý tưởng và do đó được sử dụng rộng rãi trong điều hòa tín hiệu, lọc hoặc thực hiện các phép toán như cộng, trừ, tích phân và vi phân.

Bộ khuếch đại thuật toán hoặc op-amp, về cơ bản là một thiết bị khuếch đại điện áp được thiết kế để sử dụng với các thành phần phản hồi bên ngoài như điện trở và tụ điện giữa đầu ra và đầu vào. Các thành phần phản hồi này xác định chức năng kết quả hoặc “thuật toán” của bộ khuếch đại và nhờ các cấu hình phản hồi khác nhau cho dù điện trở, điện dung hay cả hai, bộ khuếch đại có thể thực hiện nhiều hoạt động khác nhau, dẫn đến tên gọi của nó là “Bộ khuếch đại thuật toán”.

Một Bộ khuếch đại thuật toán về cơ bản là một thiết bị ba chân bao gồm hai đầu vào trở kháng cao. Một trong các đầu vào được gọi là Đầu vào đảo , được đánh dấu bằng dấu âm hoặc dấu “trừ”, (  –  ). Đầu vào khác được gọi là Đầu vào không đảo , được đánh dấu bằng dấu dương hoặc dấu “cộng” (  +  ).

Đầu thứ ba đại diện cho cổng đầu ra của Bộ khuếch đại thuật toán có thể vừa Sink vừa source điện áp hoặc dòng điện (khái niện sink-source sẽ có bài tìm hiểu ở bài tiếp theo trong phần này bây giờ bạn hiểu đơn giản là đâu ra nó có thể đóng vai trò vừa nối đất vừa nối nguồn). Trong Bộ khuếch đại thuật toán tuyến tính, tín hiệu đầu ra là hệ số khuếch đại, được gọi là hệ số khuếch đại (  A ) nhân với giá trị của tín hiệu đầu vào và tùy thuộc vào bản chất của các tín hiệu đầu vào và đầu ra này, có thể có bốn cách phân loại khác nhau về hoạt động khuếch đại khuếch đại.

  • Điện áp   – Tỷ lệ Điện áp “vào” và Điện áp “ra”
  • Dòng điện   – Tỷ lệ Dòng điện “vào” và Dòng điện “ra”
  • Dẫn truyền – Tỷ lệ Điện áp “vào” và Dòng điện “ra”
  • Trở kháng dẫn   – Tỷ lệ Dòng điện “vào” và Điện áp “ra”

Vì hầu hết các mạch xử lý Bộ khuếch đại thuật toán là bộ khuếch đại điện áp, chúng tôi sẽ giới hạn các hướng dẫn trong phần này chỉ với bộ khuếch đại điện áp, (Vin và Vout).

Tín hiệu điện áp đầu ra từ Bộ khuếch đại thuật toán là sự khác biệt giữa các tín hiệu được áp dụng cho hai đầu vào. Nói cách khác, tín hiệu đầu ra op-amps là sự khác biệt giữa hai tín hiệu đầu vào vì giai đoạn đầu vào của Bộ khuếch đại thuật toán trên thực tế là một bộ khuếch đại vi sai như hình dưới đây.

Bộ khuếch đại vi sai

Mạch bên dưới cho thấy một dạng tổng quát của bộ khuếch đại vi sai với hai đầu vào V1 và V2 . Hai Transistor giống nhau TR1 và TR2 đều được phân cực tại cùng một điểm hoạt động với các cực E của chúng được kết nối với nhau qua điện trở Re .

Bộ khuếch đại vi sai

Mạch hoạt động từ nguồn cung cấp kép + Vcc và -Vee đảm bảo cung cấp liên tục. Điện áp xuất hiện ở đầu ra, Vout của bộ khuếch đại là sự khác biệt giữa hai tín hiệu đầu vào vì hai đầu vào tại cực B ngược pha với nhau.

Vì vậy, khi phân cực thuận TR1 tăng lên, phân cực thuận của Transistor TR2 giảm và ngược lại. Sau đó, nếu hai Transistor được kết hợp hoàn hảo, dòng điện chạy qua điện trở Re sẽ không đổi.

Giống như tín hiệu đầu vào, tín hiệu đầu ra cũng cân bằng và vì điện áp cực C dao động theo hướng ngược nhau (ngược pha) hoặc cùng hướng (cùng pha) nên tín hiệu điện áp đầu ra, được lấy từ giữa hai cực C, giả sử một đoạn mạch hoàn toàn cân bằng thì hiệu điện thế giữa hai cực C bằng không.

Đây được gọi là Chế độ thuật toán chung với độ lợi chế độ chung của bộ khuếch đại là độ lợi đầu ra khi đầu vào bằng không.

Bộ khuếch đại thuật toán cũng có một đầu ra trở kháng thấp được tham chiếu đến đầu nối đất chung và nó sẽ bỏ qua bất kỳ tín hiệu chế độ chung nào, nếu một tín hiệu giống hệt nhau được áp dụng cho cả đảo và đầu vào không đảo sẽ không thay đổi đầu ra.

Tuy nhiên, trong các bộ khuếch đại thực luôn có một số biến thiên và tỷ lệ của sự thay đổi điện áp đầu ra liên quan đến sự thay đổi của điện áp đầu vào chế độ chung được gọi là hệ số từ chối phương thức chung hoặc viết tắt là CMRR .

Bản thân Bộ khuếch đại thuật toán có mức khuếch đại DC vòng hở rất cao và bằng cách áp dụng một số dạng Phản hồi âm, chúng ta có thể tạo ra mạch khuếch đại hoạt động có đặc tính khuếch đại rất chính xác chỉ phụ thuộc vào phản hồi được sử dụng. Lưu ý rằng thuật ngữ “vòng lặp mở” có nghĩa là không có thành phần phản hồi nào được sử dụng xung quanh bộ khuếch đại nên đường phản hồi hoặc vòng lặp sẽ mở.

Bộ khuếch đại thuật toán chỉ phản ứng với sự khác biệt giữa điện áp trên hai đầu vào của nó, thường được gọi là “ Điện áp đầu vào vi sai ” chứ không phải điện thế chung của chúng. Nếu cùng một hiệu điện thế được áp dụng cho cả hai đầu vào thì đầu ra kết quả sẽ bằng không. Độ lợi của Bộ khuếch đại thuật toán thường được gọi là Độ lợi vi sai vòng mở và được ký hiệu ( A o ).

Mạch tương đương của một Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng

Tham số Op-amp và Đặc tính Lý tưởng

  • Gain : Độ lợi vòng hở, (Avo)
    • Vô cùng – Chức năng chính của Bộ khuếch đại thuật toán là khuếch đại tín hiệu đầu vào và càng có nhiều khuếch đại vòng hở càng tốt. Độ lợi vòng hở là độ lợi của op-amp không có phản hồi dương hoặc âm và đối với bộ khuếch đại như vậy, độ lợi sẽ là vô hạn nhưng giá trị thực điển hình nằm trong khoảng 20.000 đến 200.000.
  • Trở kháng đầu vào, (Z IN )
    • Vô cùng – Trở kháng đầu vào là tỷ số của điện áp đầu vào so với dòng điện đầu vào và được giả định là vô hạn để ngăn chặn bất kỳ dòng điện nào chạy từ nguồn cung cấp vào mạch đầu vào của bộ khuếch đại ( IIN = 0 ). Op-amps thực có dòng rò đầu vào từ vài pico-amps đến vài mili-ampe.
  • Trở kháng đầu ra, (Z OUT )
    • Bằng không – Trở kháng đầu ra của Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng được giả định là bằng không hoạt động như một nguồn điện áp bên trong hoàn hảo không có điện trở bên trong để nó có thể cung cấp nhiều dòng điện đến mức cần thiết cho tải. Nội trở này mắc nối tiếp hiệu quả với tải do đó làm giảm điện áp đầu ra có sẵn cho tải. Op-amps thực có trở kháng đầu ra trong phạm vi 100-20kΩ.
  • Băng thông, (BW)
    • Vô cùng– Một Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng có đáp ứng tần số vô hạn và có thể khuếch đại bất kỳ tín hiệu tần số nào từ tần số DC đến tần số AC cao nhất, do đó nó được giả định là có băng thông vô hạn. Với op-amps thực, băng thông bị giới hạn bởi Độ lợi-Băng thông (GB), bằng với tần số mà độ lợi của bộ khuếch đại = 1.
  • Điện áp bù , (VIO )
    • Không – Đầu ra của bộ khuếch đại sẽ bằng không khi chênh lệch điện áp giữa đầu vào đảo và không đảo bằng 0, giống nhau hoặc khi cả hai đầu vào đều được nối đất. Op-amps thực tế có một số lượng điện áp bù đầu ra.

Từ các đặc điểm “lý tưởng ” ở trên, chúng ta có thể thấy rằng điện trở đầu vào là vô hạn, vì vậy không có dòng điện nào chạy vào một trong hai đầu vào (“quy tắc dòng điện”) và điện áp bù đầu vào vi sai bằng 0 (“quy tắc điện áp”). Điều quan trọng là phải nhớ hai thuộc tính này vì chúng sẽ giúp chúng ta hiểu hoạt động của Bộ khuếch đại thuật toán liên quan đến phân tích và thiết kế mạch op-amp.

Tuy nhiên, các Bộ khuếch đại thuật toán thực tế như uA741 thường có sẵn , chẳng hạn không có độ lợi hoặc băng thông vô hạn nhưng có “Độ lợi vòng hơe” điển hình, được định nghĩa là bộ khuếch đại đầu ra của bộ khuếch đại mà không có bất kỳ tín hiệu phản hồi bên ngoài nào được kết nối với nó và cho một Bộ khuếch đại thuật toán là khoảng 100dB tại DC (không Hz). Độ lợi đầu ra =1 này giảm tuyến tính với tần số, ở khoảng 1MHz và điều này được thể hiện trong đường cong đáp ứng độ lợi vòng hở sau đây.

Đường cong đáp ứng tần số vòng hở

Từ đường cong đáp ứng tần số này, chúng ta có thể thấy rằng tích của độ lợi so với tần số là không đổi tại bất kỳ điểm nào dọc theo đường cong. Ngoài ra, độ lợi tần số đơn vị (độ lợi =1) (0dB) cũng xác định độ lợi của bộ khuếch đại tại bất kỳ điểm nào dọc theo đường cong. Hằng số này thường được gọi là GBP (Độ lợi băng thông) . Vì vậy:

GBP = Độ lợi x Băng thông = A x BW

Ví dụ, từ biểu đồ trên, độ lợi của bộ khuếch đại ở tần số 100kHz được cho là 20dB hoặc 10(bạn có thể chuyển đổi ở trang web này : http://www.sengpielaudio.com/calculator-FactorRatioLevelDecibel.htm), sau đó tích băng thông độ lợi được tính là:

GBP = A x BW = 10 x 100.000Hz = 1.000.000 .

Tương tự, các Bộ khuếch đại thuật toán đạt được ở 1kHz = 60dB hoặc 1000, do đó GBP được cho là:

GBP = A x BW = 1.000 x 1.000Hz = 1.000.000 . Như nhau! .

Độ lợi điện áp của Bộ khuếch đại thuật toán có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng công thức sau đây:

tính bằng Decibel hoặc ( dB ) được cho là:

Băng thông của Bộ khuếch đại thuật toán

Băng thông của Bộ khuếch đại thuật toán là dải tần mà độ lợi điện áp của bộ khuếch đại trên 70,7% hoặc -3dB (trong đó 0dB là cực đại) của giá trị đầu ra lớn nhất của nó như hình dưới đây.

Ở đây chúng tôi đã sử dụng đường 40dB làm ví dụ. -3dB hoặc 70,7% điểm Vmax từ đường cong đáp ứng tần số được cho là 37dB . Lấy một đường ngang cho đến khi nó giao với đường cong GBP chính cho chúng ta một điểm tần số ngay trên đường 10kHz ở khoảng 12 đến 15kHz. Bây giờ chúng ta có thể tính toán điều này chính xác hơn vì chúng ta đã biết GBP của bộ khuếch đại, trong trường hợp cụ thể này là 1MHz.

Ví dụ về Bộ khuếch đại thuật toán số 1.

Sử dụng công thức 20 log (A) , chúng ta có thể tính toán băng thông của bộ khuếch đại là:

37 = 20 log (A) do đó A = anti-log (37 ÷ 20) = 70,8

GBP ÷ A = Băng thông, do đó, 1.000.000 ÷ 70,8 = 14.124Hz hoặc 14kHz

Sau đó, băng thông của bộ khuếch đại ở mức tăng 40dB được cho là 14kHz như dự đoán trước đó từ đồ thị.

Ví dụ về Bộ khuếch đại thuật toán số 2.

Nếu độ lợi của Bộ khuếch đại thuật toán được giảm đi một nửa là 20dB trong đường cong đáp ứng tần số ở trên, điểm -3dB bây giờ sẽ ở mức 17dB. Sau đó, điều này sẽ cung cấp cho Bộ khuếch đại thuật toán đạt được độ lợi là 7,08, do đó A = 7,08 .

Nếu chúng ta sử dụng công thức tương tự như trên, độ lợi mới này sẽ cung cấp cho chúng ta băng thông xấp xỉ 141,2kHz , nhiều hơn mười lần so với tần số được đưa ra tại điểm 40dB. Do đó, có thể thấy rằng bằng cách giảm “độ lợi vòng hở” tổng thể của một Bộ khuếch đại thuật toán, băng thông của nó được tăng lên và ngược lại.

Nói cách khác, băng thông của Bộ khuếch đại thuật toán tỷ lệ nghịch với độ lợi của nó, (  A : 1 / ∞ BW  ). Ngoài ra, điểm tần số góc -3dB này thường được gọi là “điểm nửa công suất”, vì công suất đầu ra của bộ khuếch đại ở một nửa giá trị lớn nhất của nó như được hiển thị:

Tóm tắt bộ khuếch đại thuật toán

Bây giờ chúng ta biết rằng Bộ khuếch đại thuật toánbộ khuếch đại vi sai DC có độ lợi rất cao sử dụng một hoặc nhiều mạng phản hồi bên ngoài để điều khiển đáp ứng và đặc tính của nó. Chúng ta có thể kết nối các điện trở hoặc tụ điện bên ngoài với op-amp theo một số cách khác nhau để tạo thành các mạch ” xây dựng Khối” cơ bản như: đảo, Không đảo, Bộ theo điện áp(bộ đêm điện áp), Tổng hợp, Bộ khuếch đại khác biệt, Bộ tích phân và Bộ khuếch đại loại khác nhau.

Ký hiệu Op-amp

Một Bộ khuếch đại thuật toán “lý tưởng” hoặc hoàn hảo là một thiết bị có một số đặc điểm đặc biệt như độ lợi vòng hở vô hạn AO , điện trở đầu vào vô hạn RIN , điện trở đầu ra bằng không ROUT , băng thông vô hạn từ 0 đến ∞ và độ lệch 0 (đầu ra là chính xác 0 khi đầu vào bằng 0).

Có một số lượng rất lớn IC khuếch đại hoạt động có sẵn để phù hợp với mọi ứng dụng có thể từ lưỡng cực tiêu chuẩn, độ chính xác, tốc độ cao, nhiễu thấp, điện áp cao, v.v., ở cả cấu hình tiêu chuẩn hoặc với các Transistor ,MosFET bên trong.

Bộ khuếch đại thuật toán có sẵn trong các IC của op-amps đơn, kép hoặc quad trong một thiết bị duy nhất. Phổ biến nhất hiện có và được sử dụng trong tất cả các Bộ khuếch đại thuật toán trong các dự án và bộ dụng cụ điện tử cơ bản là tiêu chuẩn công nghiệp μA-741 .

Trong hướng dẫn tiếp theo về Bộ khuếch đại thuật toán, chúng tôi sẽ sử dụng phản hồi âm được kết nối xung quanh op-amp để tạo ra mạch khuếch đại vòng kín tiêu chuẩn được gọi là mạch Bộ khuếch đại đảo tạo ra tín hiệu đầu ra 180 o “lệch pha” với đầu vào.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Back to top button