CHƯƠNG 3
CHƯƠNG 3
KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
3.1. Cơ bản về bộ khuếch đại thuật toán
3.2. Các tham số của bộ khuếch đại thuật toán
3. 3. Các sơ đồ cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán
3.4. Phương pháp phân tích và thiết kế mạch khuếch đại
thuật toán
3.1. Cơ bản về bộ khuếch đại thuật toán (1)
3.1. Cơ bản về bộ khuếch đại thuật toán (1)

Khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier): mạch có hệ số khuếch đại rất lớn

Những ứng dụng đầu tiên: thực hiện các phép toán (cộng, trừ, tích phân, vi phân,…)

Sử dụng rộng rãi trong các mạch điều khiển hệ thống, các mạch ổn áp, mạch dao động, mạch lọc, mạch phát hiện xung,…

Đặc tính của bộ khuếch đại:

Hệ số khuếch đại rất lớn (10
4
-10
6
)

Trở kháng đầu vào lớn (10
3
-10
15
Ω)


Tỷ số nén tín hiệu đồng pha

Điện áp lệch 0
Điện áp ra:
Trong đó: A- Hệ số khuếch đại vòng hở có giá trị rất lớn
v
+
- Điện áp đưa tới đầu vào không đảo
v
-
- Điện áp đưa tới đầu vào đảo
v
id
- Độ chênh lệch giữa hai đầu vào

và thì: : tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu vào

và thì: : tín hiệu ra đảo pha so với tín hiệu vào
( )
−+
−== vvAvAv
ido
.
0≠
+
v
0=
−
v

CCo
Vv +≈
CCo
Vv −≈
3.2. Các tham số của bộ khuếch đại thuật toán (2)
3.2. Các tham số của bộ khuếch đại thuật toán (2)
Nếu Op_Amp được coi là lý tưởng: Trở kháng vào
Trở kháng ra :
Hệ số khuếch đại vòng hở
∞=
i
Z
0=
o
Z
∞=A
A
v
v
o
id
=
∞=A
}
0=
id
v
−+
= vv
3.2. Các tham số của bộ khuếch đại thuật toán (3)

∞≈ ∞≈
Ω
3. 3. Các sơ đồ cơ bản của bộ khuếch
3. 3. Các sơ đồ cơ bản của bộ khuếch
đại thuật toán
đại thuật toán

Mạch khuếch đại đảo

Mạch khuếch đại không đảo

Mạch cộng đảo

Mạch cộng không đảo

Mạch khuếch đại hiệu

Mạch tích phân/vi phân

Mạch loga/đối loga

Mạch nhân/chia tương tự
Mạch khuếch đại đảo
Mạch khuếch đại đảo

Cửa P được nối đất, cửa N được nối với điện trở đầu vào R
1
và điện trở hồi tiếp R
f


– U
N
)

Mà U
P
= 0

U
N
= - U
r
/K
d

Mà K
d



∞
=> U
N

→
0

Với KĐTT lý tưởng coi U
P
= U

Ku < 0  điện áp ra ngược pha điện áp vào 
mạch khuếch đại đảo.

Tầng khuếch đại đảo có trở kháng vào nhỏ ( =
Zi). Nếu tăng trở kháng vào sẽ làm giảm hệ số
khuếch đại.

Nếu cho R
1
= R
f
 Ku = -1  tầng đảo lặp lại
điện áp

Nếu cho R
1
=0  Dòng điện vào Iv = -Ur / R
f

 Ur= -IV. R
f
 điện áp ra tỷ lệ với dòng vào
 bộ biến đổi dòng sang áp.
Điểm đất ảo
111
.0
R
R
U
U

Coi Op_Amp là lý tưởng

R
1
và R
f
đóng vai trò là bộ phân áp

Hệ số khuếch đại dương và lớn hơn 1

Tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu vào

Nếu thì mạch lặp điện áp
spn
vvv ==
0=
i
i
f
ii =
1
0==
np
ii
so
f
n
vv
RR
R

R m
1
i
+
-
R 1
v
R f
i
1
m
v
m
. . .
R 2
2
i
2
v
v
Điểm đất ảo
0=
i
i
fm
iiii =+++
21
f
on
m

v
R
v
R
v
−=+++
2
2
1
1








+++−=
m
m
fff
o
v
R
R
v
R
R
v

v
+
-
. . .
0i
i
=
o
f
n
v
RR
R
v .
0
0
+
=
0
21
=+++
m
iii
0
2
2
1
1
=
−



+++
1

11
2
2
1
1
21
0=
p
i
( )
m21tđ
R// //R//RR =
tđ
m
m
n
R
R
v
R
v
R
v
v
2

m
m
2
2
1
1
f0
0
o
R.
R
v

R
v
R
v
RR
R
v








+++=








+++








+=
RR RR
m21
====
mRR
tđ
=
m
v vv
R
R
1v
m21
0
f

=
R 1
+
-
1
v
v
R 2
o
αR2
αR1
11
1
1
1o
vv
R
R
v α−=
α
−=
0
1
=v
o
v
v
R 1
R 2
2









α
+=
( )
12o
vvv −α=
Mạch tích phân
Mạch tích phân

Sơ đồ mạch thực tế

Xét với bộ KĐTT thực, ta có thể tìm được điện áp lệch không, xuất hiện
như là điện áp dc tại đầu vào và khi được tích phân sẽ xuất hiện tại đầu
ra như là một điện áp tăng tuyến tính. Tương tự, một phần của dòng
thiên áp cũng được tích phân, tạo nên sự thay đổi của điện áp ra.

Hai nguyên nhân gây lỗi trên thực tế sẽ đưa bộ KĐTT đến trạng thái
bão hoà. Đây chính là một hạn chế của mạch. Vấn đề này sẽ được khắc
phục bởi việc nối thêm 1 điện trở giữa đầu vào không đảo và đất, để bù
ảnh hưởng của dòng thiên áp; đồng thời thêm điện trở mắc song song
với tụ C để trung hoà ảnh hưởng của điện áp lệch

Vậy điện áp ra sẽ bằng tích phân của điện áp vào chia cho hằng số thời

M ch vi phânạ
M ch vi phânạ

Sơ đồ mạch vi phân

Dòng chảy qua R : i = Vr/R.

Với tụ điện, ta có quan hệ sau:
i=C*dV/dt.

Vì trở kháng vào bằng vô cùng, nên dòng qua tụ sẽ bằng
với dòng qua trở R

Khi tần số tăng, biên độ điện áp ra cũng như hệ số
khuếch đại cũng tăng từ công thức trên ta thấy: Vr tỷ lệ
với

Sơ đồ mạch biến đổi tần số / điện áp
Sơ đồ mạch biến đổi tần số / điện áp

Nếu tần số bằng vô cùng, tụ điện sẽ có dung kháng bằng 0, tức
là hệ số khuếch đại bằng vô cùng với mạch vi phân.

Hệ số khuếch đại cao khiến mạch không ổn định và nhiễu giao
thoa tại tần số cao sẽ được khuếch đại gây biến dạng tín hiệu
ban đầu.

Điện trở R1 sẽ được mắc nối tiếp với tụ C như hình trên để giới
hạn hệ số khuếch đại của mạch vi phân, với tỷ số R/R1 tại tần
số cao khi dung kháng của tụ là rất nhỏ

và mạch tạo xung vuông.

Sơ đồ mạch

Giản đồ điện áp ra
Vv
Vref
Vr
M ch khu ch đ i loga ạ ế ạ
M ch khu ch đ i loga ạ ế ạ

Mạch tạo hàm loga cho điện áp đầu ra: U
r
=
α
1
.ln(
α
2
.U
v
)

Biểu thức của dòng điện qua diode :

Trong miền làm việc I
D
>> I
S
nên có thể coi gần đúng

BE
= - U
T
ln(U
v
/I
S
.R)
)1.(
.
−=
T
AK
mU
U
SD
eII
S
D
TAK
mU
U
SD
I
I
UmUeII
T
AK
ln
.

v
Um
U
Sr
eIRU
.
−=
T
v
U
U
Sr
eIRU −=
M ch nhân/ chia t ng t :ạ ươ ự
M ch nhân/ chia t ng t :ạ ươ ự

Mạch nhân (chia) tương tự được thực hiện bằng mạch khuếch đại loga và đối loga

Sơ đồ khối mạch nhân (chia) tương tự như sau:

Phần bài tập
Phần bài tập

Bài toán thuận: Phân tích một mạch KĐTT được thực hiện như sau:
◦
Viết phương trình KCL cho nút N để tìm V
N
theo các nguồn đầu vào đảo
◦
Viết phương trình KCL cho nút P để tìm V

– Y
2
.U
b
- … – Y
m
.U
m
◦
X
1
….X
n
: là hệ số khuếch đại của các đầu vào không đảo
◦
Y
1
…. Y
m
: là hệ số khuếch đại của các đầu vào đảo
Rx
Ry
R1
R2
Rn
V1
V2
Vn
out
Va

v
v
2
R 1
o
R f
1
K200R;K50R;K100R;K50R
f021
====
R 4
5 K
R 5
5 K
+
-
R 21 0 K
v
v
R 1
1 0 K
o
R 3
1 0 K
i
R 2 = 1 0 K
v
R 4 = 5 0 K
v
3

-
v
R 5
5 0 k
v
+
-
R 82 0 k