articlewriting1 1

Khuếch đại thuật toán là gì? Đầu vào đảo của ic khuếch đại thuật toán được dùng để làm gì mới nhất 2021 | LADIGI

Học tập
Khuếch đại thuật toán
Op-amps.jpg
Khuếch đại thuật toán tích hợp ( loại đơn và đôi ) được đóng gói trong vỏ chất dẻo 2 hàng chân ( dual in-line package ) ( “ DIPs ” ) có 8 chân ra .
Loại Chủ động
Chân Nhiều chân nhiều chức năng
Ký hiệu điện
Op-amp symbol.svg

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 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 những thiết bị điện tử thời nay từ những thiết bị điện tử gia dụng, công nghiệp và khoa học. Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng lúc bấy giờ có giá bán rất rẻ. Các phong cách thiết kế văn minh đã được điện tử hóa ngặt nghèo hơn trước đây, và 1 số ít phong cách thiết kế được cho phép mạch điện chịu đựng được thực trạng ngắn mạch đầu ra mà không làm hư hỏng .

Mục lục

  • 1 Lịch sử
    • 1.1 Nguyên lý hoạt động giải trí
  • 2 Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng
  • 3 Những số lượng giới hạn của bộ khuếch đại thuật toán thực tiễn
    • 3.1 Những rơi lệch về mặt một chiều
    • 3.2 Những rơi lệch về mặt xoay chiều
    • 3.3 Những rơi lệch do phi tuyến
    • 3.4 Những quan tâm về mặt hiệu suất
  • 4 Ký hiệu
  • 5 Ứng dụng trong phong cách thiết kế mạng lưới hệ thống điện tử
  • 6 Hoạt động – Đối với một chiều
  • 7 Hoạt động – Đối với xoay chiều
  • 8 Mạch khuếch đại không hòn đảo cơ bản
  • 9 Sơ đồ bên trong của mạch khuếch đại thuật toán 741
    • 9.1 Gương dòng điện
    • 9.2 Tầng khuếch đại vi sai đầu vào
    • 9.3 Tầng khuếch đại điện áp lớp A
    • 9.4 Mạch định thiên đầu ra
    • 9.5 Tầng xuất
  • 10 Tham khảo
  • 11 Xem thêm
  • 12 Liên kết ngoài

Lịch sử

220px 741 op amp in TO 5 metal can package close up

một mạch khuếch đại thuật toán 741 được đóng gói trong vỏ sắt kẽm kim loại TO-5 .
Từ khi mới sinh ra, mạch khuếch đại thuật toán được phong cách thiết kế để thực thi những phép tính bằng cách sử dụng điện áp như một giá trị tựa như để mô phỏng những đại lượng khác. [ 1 ] Do đó, nó mới được đặt tên là “ Mạch khuếch đại thuật toán ”. Đây là thành phần cơ bản trong những máy tính tựa như, trong đó mạch khuếch đại thuật toán sẽ thực thi những thuật toán như cộng, trừ, tích phân và vi phân, … Tuy nhiên, mạch khuếch đại thuật toán lại rất đa năng, với rất nhiều ứng dụng khác ngoài những ứng dụng thuật toán. Các mạch khuếch đại thuật toán thực nghiệm, được lắp ráp bằng những transistor, những đèn điện tử chân không hoặc những linh phụ kiện khuếch đại khác, được trình diễn dưới dạng những mạch linh phụ kiện rời rạc hoặc những mạch tích hợp đã tỏ ra rất tương hợp với những linh phụ kiện thực sự .
Trong khi những mạch khuếch đại thuật toán tiên phong tăng trưởng trên những đèn điện tử chân không, giờ đây chúng thường được sản xuất dưới dạng mạch tích hợp ( ICs ), mặc dầu vậy, những phiên bản lắp ráp bằng linh phụ kiện rời cũng được sử dụng nếu cần những tiện ích vượt quá tầm của những IC .
Những mạch khuếch đại thuật toán tích hợp tiên phong được ứng dụng thoáng đãng từ cuối thập niên 1960, là những mạch sử dụng transistor lưỡng cực μA709 của hãng Fairchild, do Bob Widlar phong cách thiết kế năm 1965. Nó nhanh gọn bị sửa chữa thay thế bằng mạch 741, mạch này có những tiện ích tốt hơn, độ không thay đổi cao hơn và dễ sử dụng hơn. Mạch μA741 đến nay vẫn còn được sản xuất, và xuất hiện khắp nơi trong nghành nghề dịch vụ điện tử – rất nhiều nhà sản xuất đã sản xuất ra những phiên bản khác của mạch này, nhưng vẫn liên tục thừa nhận số lượng bắt đầu là “ 741 ”. Những phong cách thiết kế tốt hơn đã được ra mắt, một số ít dựa trên transistor hiệu ứng trường FET ( cuối thập niên 1970 ) và transistor hiệu ứng trường có cổng cách điện MOSFET ( đầu thập niên 1980 ). Rất nhiều những linh phụ kiện văn minh này hoàn toàn có thể sửa chữa thay thế được cho những mạch sử dụng 741, mà không cần đổi khác gì, nhưng lại cho những hiệu năng tốt hơn .
Các mạch khuếch đại thuật toán thường có những thông số kỹ thuật nằm trong những số lượng giới hạn nhất định, và có những vỏ ngoài tiêu chuẩn, cùng với nguồn điện cung ứng tiêu chuẩn. Chúng có rất nhiều ứng dụng trong nghành nghề dịch vụ điện tử ; chỉ cần 1 số ít ít linh phụ kiện bên ngoài nó hoàn toàn có thể thực thi cả một dải rộng những tác vụ giải quyết và xử lý tín hiệu tựa như. Rất nhiều mạch khuếch đại thuật toán tính hợp có giá chỉ chừng vài trăm đồng nếu mua với số lượng vừa phải, trong khi những mạch khuếch đại tích hợp hoặc rời rạc với những thông số kỹ thuật kỹ thuật không tiêu chuẩn hoàn toàn có thể có giá đến cả vài triệu đồng đặt hàng số lượng ít .

Nguyên lý hoạt động giải trí

Đầu vào vi sai của mạch khuếch đại gồm có đầu vào hòn đảo và nguồn vào không hòn đảo, và mạch khuếch đại thuật toán thực tiễn sẽ chỉ khuếch đại hiệu số điện thế giữa hai nguồn vào này. Điện áp này gọi là điện áp vi sai nguồn vào. Trong hầu hết những trường hợp, điện áp đầu ra của mạch khuếch đại thuật toán sẽ được điều khiển và tinh chỉnh bằng cách trích một tỷ suất nào đó của điện áp ra để đưa ngược về đầu vào hòn đảo. Tác động này được gọi là hồi tiếp âm. Nếu tỷ suất này bằng 0, nghĩa là không có hồi tiếp âm, mạch khuếch đại được gọi là hoạt động giải trí ở vòng hở. Và điện áp ra sẽ bằng với điện áp vi sai đầu vào nhân với độ lợi tổng của mạch khuếch đại, theo công thức sau :

 
V

r
a

=
(

V
+

V

)

G

v
o
n
g
h
o

{ displaystyle V_ { mathrm { ra } } = ( V_ { + } – V_ { – } ) cdot G_ { mathrm { vongho } } }

{displaystyle V_{mathrm {ra} }=(V_{+}-V_{-})cdot G_{mathrm {vongho} }}

Trong đó V + là điện thế tại đầu vào không hòn đảo, V – là điện thế ở đầu vào hòn đảo và G gọi là độ lợi vòng hở của mạch khuếch đại .
Do giá trị của độ lợi vòng hở rất lớn và thường không được quản trị ngặt nghèo ngay từ khi sản xuất, những mạch khuếch đại thuật toán thường ít khi thao tác ở thực trạng không có hồi tiếp âm. Ngoại trừ trường hợp điện áp vi sai đầu vào vô cùng bé, độ lợi vòng hở quá lớn sẽ làm cho mạch khuếch đại thao tác ở trạng thái bão hòa trong những trường hợp khác ( Xem phần dưới đây Những xô lệch do phi tuyến ). Một thí dụ cách thống kê giám sát điện áp ra khi có hồi tiếp âm sẽ được biểu lộ trong phần Mạch khuếch đại không hòn đảo cơ bản .
Một thông số kỹ thuật khác của mạch khuếch đại thuật toán là sử dụng hồi tiếp dương, mạch này trích một phần điện áp ra đưa ngược trở lại đầu vào không hòn đảo. Ứng dụng quan trọng của nó dùng để so sánh, với đặc tính trễ hysteresis ( Xem Schmitt trigger ) .

Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng

Với mọi giá trị điện áp ở đầu vào, một mạch khuếch đại thuật toán “lý tưởng” có:

  • Độ lợi vòng hở vô cùng lớn
  • Băng thông vô cùng lớn
  • Tổng trở đầu vào vô cùng lớn (để cho dòng điện đầu vào bằng không)
  • Điện áp bù bằng không
  • Tốc độ thay đổi điện áp vô cùng lớn
  • Tổng trở đầu ra bằng không
  • Tạp nhiễu (độ ồn) bằng không

Như thế, nguồn vào của mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng khi thống kê giám sát trong vòng hồi tiếp hoàn toàn có thể mô phỏng bằng một khâu nullator, ngõ ra với một khâu norator và tích hợp cả hai ( một mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng hoàn hảo ) bằng một khâu nullor .
Mạch khuếch đại thuật toán thực sự chỉ gần đạt được những sáng tạo độc đáo trên : bên cạnh những giá trị số lượng giới hạn về vận tốc biến hóa, băng thông, điện áp bù và những thứ tương tự như như thế, những thông số kỹ thuật của mạch khuếch đại thuật toán thực tiễn sẽ bị đổi khác theo thời hạn và hoàn toàn có thể bị biến hóa theo nhiệt độ, thực trạng của những nguồn vào … Các mạch tích hợp tân tiến sử dụng transistor hiệu ứng trường ( FET ) hoặc transistor hiệu ứng trường có cổng cách điện Oxit sắt kẽm kim loại MOSFET sẽ có những đặc tính gần với mạch lý tưởng hơn những mạch sử dụng transistor lưỡng cực khi những tín hiệu lớn phải giải quyết và xử lý trong điều kiện kèm theo nhiệt độ phòng qua một băng thông số lượng giới hạn. Đặc biệt, tổng trở vào cao hơn rất nhiều, tuy nhiên những mạch dùng transistor lưỡng cực thường tốt hơn về mặt trôi điện áp bù, và độ ồn .
Khi những số lượng giới hạn của một mạch khuếch đại thuật toán thực sự được trong thời điểm tạm thời bỏ lỡ, nó hoàn toàn có thể được xem như một chiếc hộp đen có độ lợi. Chức năng của mạch và những thông số kỹ thuật hoàn toàn có thể xác lập bằng mạch hồi tiếp, và thường là hồi tiếp âm .

Những số lượng giới hạn của bộ khuếch đại thuật toán thực tiễn

Những xô lệch về mặt một chiều

  • Độ lợi hữu hạn — Người ta thường nhắc đến điều này khi thiết kế toàn diện cố gắng tính toán độ lợi đến gần với độ lợi của mạch khuếch đại.
  • Tổng trở vào hữu hạn – điều này sẽ tạo ra giới hạn trên cho việc tính toán các điện trở trong mạch hồi tiếp. Một số mạch khuếch đại thuật toán có mạch bảo vệ đầu vào chống quá áp: điều này làm cho một vài thông số đầu vào trở nên xấu hơn. Một số mạch khuếch đại thuật toán có cả hai phiên bản: có bảo vệ đầu vào (như vậy làm giảm các đặc tính đôi chút) và không có bảo vệ đầu vào.
  • Tổng trở ra không xuống đến không – Điều này quan trọng đối với tải có tổng trở thấp. Ngoại trừ đối với trường hợp điện áp ra rất bé, người ta thường phải cân nhắc đến vấn đề công suất đầu tiên. Tổng trở ra tỷ lệ nghịch với dòng tĩnh của tầng cuối (nếu dòng tĩnh rất bé thì tổng trở ra sẽ rất lớn).
  • Dòng điện định thiên đầu vào — Một dòng điện nhỏ (cỡ ~10 nA đối với các mạch khuếch đại thuật toán dùng Transistor lưỡng cực, hoặc cỡ pA đối với các thiết kế dùng CMOS) chảy trong mạch vào. Dòng điện này thường hơi chênh lệch nhau đối với hai đầu vào đảo và không đảo. Sự chênh lệch ấy gọi là dòng bù đầu vào (input offset current). Ảnh hưởng của nó chỉ có ý nghĩa đối với những mạch có công suất rất thấp.
  • Điện áp bù đầu vào (Input offset voltage) — Đây là điện áp cần đặt vào đầu vào để bảo đảm đầu ra bằng 0. Hạn chế này làm ảnh hưởng mạnh đến các thông số của mạch khuếch đại mà có thể phụ thuộc vào điểm không của mạch, thường là điện áp nằm giữa điện áp cấp nguồn dương và điện áp cấp nguồn âm. Trong một mạch khuếch đại hoàn hảo, điện áp bù đầu vào bằng không. Tuy nhiên thực tế nó vẫn tồn tại trong các mạch khuếch đại thuật toán vì sự sai lệch trong mạch khuếch đại vi sai đầu vào. Điện áp bù đầu vào gây ra những vấn đề: Thứ nhất, do độ lợi vòng hở quá lớn, mạch khuếch đại sẽ chuyển sang trạng thái bào hòa khi hoạt động không có hồi tiếp âm, ngay cả khi chúng ta nối tắt 2 đầu vào với nhau. Thứ nhì, trong một vòng kín, hệ thống hồi tiếp âm sẽ định hình điện áp đầu vào sao cho được khuếch đại lên cùng với mức tín hiệu, và điều này có thể ảnh hưởng trong các mạch đòi hỏi độ chính xác cao về mặt một chiều, hoặc khi tín hiệu vào quá nhỏ. Nhiều thiết kế cũ của mạch khuếch đại thuật toán có các chân ra để chỉnh định điện áp bù đầu vào. Các thiết kế hiện đại hơn có các mạch tự động triệt tiêu điện áp bù đầu vào nàybằng kỹ thuật băm điện áp. Hoặc một số mạch khác đo lường điện áp bù này, và tạo ra điện áp đối kháng để trừ lại.
  • Độ lợi đồng pha — Một mạch khuếch đại thuật toán hoàn hảo chỉ khuếch đại hiệu số điện thế giữa 2 đầu vào, và không quan tâm đến điện áp chung của chúng. Tuy nhiên các đầu vào vi sai của các bộ khuếch đại thuật toán thường không hoàn hảo khiến cho nó có thể khuếch đại các tín hiệu đưa đến đồng thời cả hai đầu vào một chút ít. Thông số tiêu chuẩn để đánh giá tác động này là hệ số triệt tín hiệu đồng pha (hoặc đồng thời) common-mode rejection ratio (viết tắt là CMRR). Giảm thiểu hệ số này là điều rất quan trọng trong các mạch khuếch đại không đảo (sẽ mô tả dưới đây) làm việc ở hệ số khuếch đại lớn.
  • Hiệu ứng nhiệt — Tất cả các thông số của mạch khuếch đại thuật toán bị ảnh hưởng do nhiệt. Độ trôi nhiệt của điện áp bù đầu vào đặc biệt quan trọng.

Những xô lệch về mặt xoay chiều

  • Băng thông hữu hạn — Tất cả các mạch khuếch đại đề có băng thông hữu hạn. Hạn chế này sẽ gây ra những vấn đề cho mạch khuếch đại thuật toán. Trước hết kèm theo sự hạn chế về băng thông là sự khác biệt về pha giữa đầu vào và đầu ra. Sự lệch pha này có thể gây nên dao động trong một số mạch hồi tiếp Mạch bù trừ tần số dùng trong một số mạch khuếch đại thuật toán sẽ làm giảm băng thông, nhưng lại làm tăng độ ổn định đầu ra khi sử dụng với các kiểu hồi tiếp khác nhau. Thứ nhì, hạ thấp băng thông sẽ làm giảm bớt mức độ hồi tiếp ở tần số cao, làm tăng méo tăng độ ồn và tăng tổng trở ra. Đồng thời giảm độ tuyến tính của đặc tuyến tần số pha.
  • Điện dung đầu vào — Rất quan trọng trong các ứng dụng cao tần vì nó làm hạ thấp băng thông vòng hở của mạch khuếch đại.
  • Hệ số khuếch đại đồng pha — Xem phần Những sai lệch về mặt một chiều bên trên.

Những rơi lệch do phi tuyến

  • Bão hòa — điện áp đầu ra sẽ bị giới hạn ở trị số thấp nhất và cao nhất gần với điện áp nguồn nuôi. (Điện áp đầu ra không thể đạt đến điện áp nguồn là do những giới hạn của tầng suất. Xem phần Tầng suất dưới đây.) Hiện tượng bão hòa xảy ra khi điện áp đầu ra của mạch khuếch đại đạt đến các giá trị, và thường tùy thuộc vào:
    • Trong trường hợp mạch khuếch đại thuật toán sử dụng nguồn lưỡng cực, độ lợi điện áp làm cho điện áp đầu ra dương hơn trị số cao nhất hoặc âm hơn trị số thấp nhất; hoặc
    • Trong trường hợp mạch khuếch đại thuật toán sử dụng nguồn đơn cực, nếu độ lợi điện áp gây ra điện áp đầu ra dương hơn trị số cao nhất, hoặc khi điện áp ra quá thấp, gần điện thế đất hơn trị số giới hạn thấp nhất.[2]
  • Độ dốc điện áp — Đầu ra của các mạch khuếch đại có thể đạt đến mức thay đổi điện áp cao nhất của nó. Đại lượng tốc độ thay đổi điện áp tối đa đo được thường được hiển thị theo đơn vị vôn trên mili giây. Khi đang ở trong thời điểm thay đổi này, mọi thay đổi ở đầu vào đều không ảnh hưởng đến đầu ra. Độ dốc của đầu ra mạch khuếch đại thường do các điện dung ký sinh bên trong mạch khuếch đại, đặc biệt là những mạch có hỗ trợ mạch bù tần số bên trong.
  • Hàm truyền phi tuyến — Điện áp ra có thể sẽ không tỷ lệ chính xác vối điện áp vi sai đầu vào. Điều này sinh ra méo dạng nếu đầu vào là một tín hiệu có dạng sóng. Ảnh hưởng của nó sẽ rất bé trong các mạch có sử dụng hồi tiếp âm.

Những chú ý quan tâm về mặt hiệu suất

  • Giới hạn dòng điện đầu ra — Dòng điện đầu ra phải được giới hạn. Thực ra đa số các mạch khuếch đại thuật toán đã được thiết kế sao cho giới hạn dòng điện đầu ra không vượt quá một trị số xác định, khoảng 25 mA đối với mạch khuếch đại thuật toán 741 do đó có thể tự bảo vệ mạch và các mạch bên ngoài không bị hư hỏng.
  • Giới hạn công suất tiêu tán — Một mạch khuếch đại thuật toán là một mạch khuếch đại tuyến tính. Do đó nó sẽ bị tiêu tán một năng lượng dưới dạng nhiệt năng, tỷ lệ với dòng điện đầu ra và hiệu số điện áp giữa điện áp nguồn và điện áp đầu ra. Nếu mạch khuếch đại tiêu tán quá nhiều năng lượng, nhiệt độ của nó có thể tăng lên trên ngưỡng an toàn. Mạch có thể bị dẫn đến sụp đổ do nhiệt hoặc bị phá hỏng.

Ký hiệu

Ký hiệu trên mạch điện của một mạch khuếch đại thuật toán như sau :

220px Op amp symbol.svg

Ký hiệu của mạch khuếch đại thuật toán trên sơ đồ điện
Trong đó :

  • V+: Đầu vào không đảo
  • V–: Đầu vào đảo
  • Vout: Đầu ra
  • VS+: Nguồn cung cấp điện dương
  • VS−: Nguồn cung cấp điện âm

Các chân cấp nguồn (VS+ and VS−) có thể được ký hiệu bằng nhiều cách khác nhau. Cho dù vậy, chúng luôn có chức năng như cũ. Thông thường những chân này thường được vẽ dồn về góc trái của sơ đồ cùng với hệ thống cấp nguồn cho bản vẽ được rõ ràng. Một số sơ đồ người ta có thể giản lược lại, và không vẽ phần cấp nguồn này. Vị trí của đầu vào đảo và đầu vào không đảo có thể hoán chuyển cho nhau khi cần thiết. Nhưng chân cấp nguồn thường không được đảo ngược lại.

Ứng dụng trong phong cách thiết kế mạng lưới hệ thống điện tử

Sử dụng mạch khuếch đại thuật toán như một khối mạch điện sẽ thuận tiện và sáng sủa hơn nhiều so với việc giám sát xác lập toàn bộ những thông số kỹ thuật của những thành phần trong mạch ( transistor, điện trở, vv … ), mặc dầu mạch khuếch đại là mạch tích hợp hay linh phụ kiện rời. Những mạch khuếch đại thuật toán tiên phong hoàn toàn có thể được sử dụng như vậy nếu nó là một khối khuếch đại vi sai thực sự có độ lợi đủ lớn. Trong những mạch sau này, những số lượng giới hạn của những tầng khuếch đại sẽ áp đặt vào những dải thông số kỹ thuật của mỗi mạch .
Việc phong cách thiết kế mạch được triển khai theo 1 số ít trình tự giống nhau cho mọi mạch. Những đặc tính sẽ được vẽ ra trước định ra những gì mà mạch phải triển khai, với những số lượng giới hạn được cho phép. Thí dụ, độ lợi hoàn toàn có thể cần là 100 lần, với sai số thấp hơn 5 %, nhưng biến hóa ít hơn 1 % khi nhiệt độ biến hóa trong một khoanh vùng phạm vi định trước ; tổng trở đầu vào không nhỏ hơn 1 MΩ vv …
Một mạch điện được phong cách thiết kế thường với sự trợ giúp của những công cụ mô phỏng trên máy tính. Những mạch khuếch đại thuật toán thông dụng và những linh phụ kiện khác sẽ được lựa chọn sao cho tương thích với những nhu yếu của mạch và nằm trong sai số được cho phép với Ngân sách chi tiêu hài hòa và hợp lý. Nếu không đạt tổng thể những nhu yếu của mạch, những giá trị hoàn toàn có thể được biến hóa .
Sản phẩm mẫu sau đó sẽ được triển khai và thử nghiệm. Các biến hóa sẽ được triển khai để đạt hay tăng cường những đặc tính, đổi khác công dụng hoặc giảm giá tiền .

Hoạt động – Đối với một chiều

Độ lợi vòng hở được định nghĩa là thông số khuếch đại của mạch khuếch đại thuật toán từ đầu vào đến đầu ra khi không có hồi tiếp. Trong hầu hết những thống kê giám sát thực tiễn, độ lợi vòng hở được xem như vô cùng lớn mặc dầu thật ra không phải như vậy. Một linh phụ kiện tiêu biểu vượt trội thường có độ lợi vòng hở so với một chiều nằm trong khoảng chừng từ 100.000 đến một triệu. Trị số này đủ lớn cho những ứng dụng có độ lợi xác lập bằng lượng hồi tiếp âm. Các mạch khuếch đại thuật toán có những số lượng giới hạn sử dụng mà người phong cách thiết kế cần phải nhớ rõ và đôi lúc phải thao tác với chúng. Khi phong cách thiết kế đơn cử độ mất không thay đổi hoàn toàn có thể xảy ra trong những mạch khuếch đại một chiều nếu những thành phần xoay chiều bị bỏ lỡ .

Hoạt động – Đối với xoay chiều

Độ lợi của mạch khuếch đại thuật toán tính toán ở một chiều sẽ không áp dụng được trong xoay chiều tần số cao. Có thể xem gần đúng là hệ số khuếch đại sẽ tỷ lệ nghịch với tần số. Điều này có nghĩa là các mạch khuếch đại thuật toán có đặc tính dựa vào tích số Độ lợi – Băng thông. Thí dụ như một mạch khuếch đại thuật toán có tích số độ lợi – băng thông bằng 1 MHz sẽ có độ lợi bằng 5 ở 200 kHz và độ lợi bằng 1 ở 1 MHz. Đặc tính thông hạ này được giới thiệu có chủ đích vì nó có khuynh hướng tạo ra sự ổn định cho mạch với phương pháp bù tần số.

Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng rẻ tiền thường có tích số độ lợi – băng thông trong khoảng chừng vài MHz. Các mạch khuếch đại đặc biệt quan trọng và khuếch đại thuật toán vận tốc cao hoàn toàn có thể có tích số độ lợi – băng thông đạt đến hàng trăm MHz. Đối với những ứng dụng tần số rất cao thường sử dụng dạng mạch khác trọn vẹn gọi là mạch khuếch đại thuật toán hồi tiếp dòng điện .

Mạch khuếch đại không hòn đảo cơ bản

Một mạch khuếch đại thuật toán thông dụng có 2 đầu vào và 1 đầu ra. Điện áp đầu ra bằng bội số của sai biệt điện áp hai nguồn vào :

Vout = G(V+ − V−)

G là độ lợi vòng hở của mạch khuếch đại thuật toán. Đầu vào được giả định có tổng trở rất cao ; Dòng điện đi vào hoặc ra ở đầu vào sẽ không đáng kể. Đầu ra được giả định có tổng trở rất thấp .
Nếu đầu ra được đưa trở về đầu vào hòn đảo sau khi được chia bằng một bộ phân áp

K
=

R
1
R
1
+
R
2
{ displaystyle K = { frac { R_ { 1 } } { R_ { 1 } + R_ { 2 } } } }

{displaystyle K={frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}}, nên:

300px Opampnoninverting.svg

Kết cấu của một mạch khuếch đại thuật toán ráp thành mạch khuếch đại không hòn đảo cơ bản .

 
V
+
=
V

i
n

{ displaystyle V_ { + } = V_ { in } }

{displaystyle V_{+}=V_{in}}

 
V

=
K

V

o
u
t

{ displaystyle V_ { – } = KV_ { out } }

{displaystyle V_{-}=KV_{out}}

 
V

o
u
t

=
G

(
V

i
n


K

V

o
u
t

)
{ displaystyle V_ { out } = G { bigl ( } V_ { in } – KV_ { out } ) }

{displaystyle V_{out}=G{bigl (}V_{in}-KV_{out})}

Để tính
V

o
u
t

V

i
n

{ displaystyle { frac { V_ { out } } { V_ { in } } } }

{displaystyle {frac {V_{out}}{V_{in}}}}, chúng ta thấy là một hệ số khuếch đại tuyến tính với độ lợi là:

Vout/Vin = G /(1 + GK)’

Nếu G rất lớn, Vout/Vin sẽ gần bằng 1/K, bằng 1 + (R2/R1).

Kiểu nối hồi tiếp âm như thế này được sử dụng rất tiếp tục nhưng hoàn toàn có thể có nhiều biến thể khác nhau, làm cho nó trở nên một trong những khối linh động nhất trong toàn bộ những khối lắp ráp điện tử .

Khi được nối trong một vòng hồi tiếp âm, mạch khuếch đại thuật toán sẽ cố gắng điều chỉnh Vout sao cho điện áp vào sẽ càng gần nhau. Điều này, cùng với tổng trở đầu vào cao đôi khi được xem là 2 nguyên tắc vàng của thiết kế mạch khuếch đại thuật toán (đối với những mạch có hồi tiếp âm) đó là::

  1. Không có dòng điện đi vào đầu vào.
  2. Điện áp ở 2 đầu vào phải gần bằng nhau.

Có ngoại lệ là nếu điện áp ra cần thiết lại vượt quá nguồn điện cung cáp cho mạch, điện áp ra sẽ gần bằng với mức ngưỡng của nguồn cấp, VS+ hoặc VS−.

Hầu hết những mạch khuếch đại thuật toán đơn, đôi hoặc bộ tứ đều có những thứ tự chân ra theo tiêu chuẩn, được cho phép hoàn toàn có thể lắp đổi khác lẫn nhau mà không cần đổi khác sơ đồ nối dây. Một mạch khuếch đại thuật toán đơn cử sẽ được chọn theo độ lợi vòng hở, băng thông, thông số tạp âm, tổng trở nguồn vào, hiệu suất tiêu tán hoặc phối hợp giữa những tính năng đó .

Sơ đồ bên trong của mạch khuếch đại thuật toán 741

Sơ đồ chi tiết bên trong mạch khuếch đại thuật toán ųA741

Mặc dù những phong cách thiết kế hoàn toàn có thể khác nhau giữa những mẫu sản phẩm và những nhà sản xuất, nhưng toàn bộ những mạch khuếch đại thuật toán đều có chung những cấu trúc bên trong, gồm có 3 tầng :

  1. 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
  2. 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
  3. 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 những gương dòng điện. Dòng điện khởi đầu để hoàn toàn có thể sinh ra những dòng điện khác được xác lập bởi điện áp cấp nguồn và điện trở 39 kΩ cùng với 2 mối nối pn tạo ra. Dòng điện được tính gần đúng bằng :

(VS+ − VS− − 2Vbe)/39 kΩ.

Trạng thái của tầng khuếch đại đầu vào được tinh chỉnh và điều khiển bởi hai gương dòng điện bên phía trái. Q10 and Q11 hình thành một nguồn dòng Widlar trong đó điện trở 5 kΩ sẽ đặt dòng điện của cực thu Q10 đến một trị số có tỷ suất rất nhỏ so với dòng điện bắt đầu. Dòng điện cố định và thắt chặt 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 nhu yếu cho nguồn vào, và sẽ là một tỷ suất 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 chực 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 hướn 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 và thắt chặt 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 đúng mực của gương dòng điện bằng cách giảm trị số dòng điện tín hiệu thiết yếu đi từ Q3 để kéo cực nền của Q5 và Q6. Gương dòng điện này sẽ đổi khác tín hiệu vi sai thành tín hiệu đơn theo cách sau :
Dòng điện tín hiệu của Q3 sẽ là nguồn 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 nguồn 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 quy trình biến từ tín hiệu vào vi sai thành tín hiệu ra đơn .
Điện áp tín hiệu hở mạch Open ở điểm này do tổng dòng điện trên và những điện trở cực thu của Q4 và Q6 nối song song. Do điện trở cực thu của Q4 và Q6 so với tín hiệu sẽ rất lớn, nên độ li75 của điện áp hở mạch của tầng này sẽ rất lớn .
Cần chú ý quan tâm rằng dòng điện cực nền của đầu vào khác không, và tổng trở đầu vào vi sai của 741 sẽ giao động 2 MΩ. Chân “ offset null ” hoàn toàn có thể được dùng để lắp những điện trở ngoài song song với điện trở 1 kΩ ( thường thì đó sẽ là 2 đầu cuối của 1 biến trở điều khiển và tinh chỉnh ) để kiểm soát và điều chỉnh cân đối cho gương dòng điện Q5, Q6, và như vậy sẽ gián tiếp kiểm soát và 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 Darlington và sử dụng đầu ra của một gương dòng điện làm tải cực thu nhằm có độ lợi lớn.
Tụ điện 30 pF 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 10 Hz và giảm 3 dB / bát độ theo tần số. Nó sẽ kết thúc khi độ lợi giàm 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 0.625 V (trị số tiêu chuẩn của BJT trong miền tích cực), Do đó dòng điện đi qua điện trở 4.5 kΩ sẽ bằng với dòng đi qua điện trở 7.5 kΩ, và sẽ gây ra giảm áp trên đó là 0.375 V. Do đó nó sẽ duy trì điện áp trên 2 đầu transistor và 2 điện trở là 0.625 + 0.375 = 1 V. 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 lạt) 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 1 volt so với nguồn cấp ứng bao gồm phần điện áp của Vbe transistors Q14 và Q20.

Điện trở 25 Ω trong mạch ra ảnh hưởng tác động như một mạch nhạy dòng, để tạo công dụng số lượng giới hạn dòng ra của transistor Q14 đến trị số khoảng chừng 25 mA so 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 những phiên bản mới hơn hoàn toàn có thể thấy những sai biệt nhỏ trong mạch số lượng giới hạn dòng ra này .
Điện trở ra không bằng 0 nhưng nếu sử dụng hồi tiếp thì hoàn toàn có thể tiến đến gần 0 nếu có sử dụng hồi tiếp âm .

Ghi chú: Vì mạch 741 đã từng được dùng trong các thiết bị âm thanh và các thiết bị nhạy cảm khác, nhưng giờ đây nó ít được dùng hơn, vì những mạch khuếch đại đời mới hiện đại đã có nhiều tiến bộ trong việc loại trừ tạp âm. Bên cạnh những tạp âm phát sinh, 741 và các mạch cũ hơn cũng có tỷ số nén tín hiệu đồng pha không tốt lắm nên chúng cũng sinh ra tiếng hù và những tương tác đồng pha khác thí dụ như tiếng “click” khi đóng ngắt nguồn trong những thiết bị nhạy cảm.

Tham khảo

  1. ^

    IC Op-Amp Cookbook, W.G. Jung,(tái bản lần 3 năm 1986. ISBN 0-672-22453-4) trang xvii.

  2. ^ Đầu ra của những mạch khuếh đại kiểu cũ hoàn toàn có thể đạt đến một hoặc hai vôn bên trong khoanh vùng phạm vi điện áp nguồn Đầu ra của những mạch khuếch đại mới hơn hoàn toàn có thể đạt đến gần điện áp nguồn, chỉ chừng khoảng chừng cỡ mili vôn khi xuất ra dòng tải nhỏ, và được gọi là mạch khuếch đại kiểu “ rail to rail ”

Xem thêm

  • Linh kiện điện tử
  • Ký hiệu điện tử
  • Sơ đồ mạch điện

Liên kết ngoài