Chơng IV: Vi mạch tích hợp v Khuếch đại thuật toán
Kỹ thuật điện tử
65Chơng IV
vi mạch tích hợp v khuếch đại
thuật toán

I. vi mạch tích hợp
1. Định nghĩa v phân loại vi mạch
Vi mạch là những linh kiện điện tử có một chức năng xác định và đợc chế tạo bằng một công
nghệ riêng. Vi mạch hiện đại thờng đa năng và có thể sử dụng linh hoạt trong nhiều thiết bị điện tử
khác nhau
Ngời ta phân loại theo một số tiêu chí sau:
+ Phân loại theo bản chất của tín hiệu điện vào / ra của vi mạch
+ Phân loại theo mật độ tích hợp
+ Phân loại theo công nghệ chế tạo
a. Phân loại vi mạch theo bản chất của tín hiệu vào / ra
Nh đã biết, tín hiệu điện đợc phân thành 2 loại là tín hiệu tơng tự và tín hiệu số.
+ Tín hiệu tơng tự (analog) là tín hiệu có biên độ biến thiên liên tục theo thời gian
+ Tín hiệu số (digital) là tín hiệu có biên độ ở một trong hai gía trị hữu hạn mang ý nghĩa
logic 0 hoặc 1, ứng với 2 mức thấp và cao. Tín hiệu số gián đoạn theo thời gian.
Nếu ký hiệu X, Y là tín hiệu vào và ra của vi mạch, theo bản chất của tín hiệu vào / ra này ta
sẽ có các loại vi mạch sau:
Tín hiệu vào Tín hiệu ra Loại vi mạch
Tơng tự Tơng tự Tơng tự
Số Số Số
Tơng tự Số ADC / bộ biến đổi tơng tự sang số
Số Tơng tự DCA / bộ biến đổi số sang tơng tự
b. Phân loại theo mật độ tích hợp

Dới đây là các hớng phát triển vi mạch theo công nghệ chế tạo
Vi mạch mng mỏng / mng dy
Các IC loại này đợc chế tạo bằng cách lắng đọng những vật liệu nhất định trên một đế cách
điện (ví dụ nh gốm, sứ ). Sau hàng loạt các quá trình tạo mask trên đế tạo thnàh điện trở, điện
dung hay điện cảm. Các linh kiện tích cực nh diode, transistor sẽ đợc chế tạo theo cách thông
thờng với kích thớc nhỏ (thờng là FET). Mạch này cho độ tích hợp khá cao nhng không bằng
loại đơn khối, tuy nhiên lại có khả năng chịu đựng điện áp và nhiệt tốt hơn. IC màng mỏng và màng
dày đợc sử dụng cho các mạch đòi hỏi độ chính xác cao
Vi mạch bán dẫn đơn khối
IC đơn khối đợc tạo ra hoàn toàn trên một đơn vị tinh thể chất bán dẫn nền là Si, các chất bán
dẫn khác sẽ đợc khuếch tán vào trong chất nền để tạo ra nhiều loại mặt ghép khác nhau. Những
mặt ghép này có thể tạo thành điện trở, điện dung, diode hay transistor.
Những vật liệu bán dẫn đợc khuếch tán vào trong chất nền dới dạng hơi và đọng lại trên
chất nền sau hàng loạt các quá trình tạo mask ở nhiệt độ cao.
Quá trình tạo mask là quá trình trong đó ngời ta tiến hành oxy hoá bề mặt chất bán dẫn, tức
là lấp kín bề mặt của nó bằng SiO2. Sau đó phủ một lớp cảm quang lên trên bề mặt SiO2. Dạng
mạch thu nhỏ, chụp lên phim tạo thành khuôn sáng. Đặt khuôn sáng lên bề mặt chất cảm quang,
chiếu ánh sáng vào ta sẽ thu đợc dạng mạch theo yêu cầu. Dùng hoá chất ăn mòn các rãnh, loại bỏ
Vi mạch
Màng mỏng/dày Đơn khối Lai
S
ố
Tơng tựS
ố
Tơng tự
UJT MOS
BJT
Kênh P / N
CMOS
RTL

Phần tiếp theo đây sẽ giới thiệu cơ bản về KĐTT cũng nh các kỹ thuật phân tích mạch KĐTT
thông dụng nhất.
1. Ký hiệu v cấu tạo
Ký hiệu, mắc nguồn pin đối xứng và sơ đồ tơng đơng của một bộ KĐTT
Bộ KĐTT là vi mạch tích hợp có hệ số khuếch đại rất lớn. Chúng thờng có hai đầu vào tín
hiệu, một đầu ra, hai đầu vào cấp nguồn, và các chân bù điện áp lệch, bù tần số (thông thờng bộ
KĐTT là IC có 8 chân dạng DIP).
Hai đầu vào là đầu vào đảo (ký hiệu bởi dấu - hay chữ N) vì tín hiệu ra ngợc pha với tín
hiệu ở đầu vào này; và đầu vào không đảo (ký hiệu bởi dấu + hay chữ P) vì tín hiệu ra cùng pha
với tín hiệu ở đầu vào này.
Bộ KĐTT đợc cấp bởi nguồn đối xứng +/-V nên nếu dùng nguồn pin thì đấu nh trong hình
trên. Giá trị của V tuỳ thuộc vào từng loại KĐTT, ví dụ nh +/-5V, +/-15V
+V
-V
Đầu vào đảo
Đầu vào không đảo
Đầu ra
+
-
Zv
Zr
+
-
+
+
+
K
Chơng IV: Vi mạch tích hợp v Khuếch đại thuật toán
Kỹ thuật điện tử
68


Mạch khuếch đại hở mạch
Hệ số khuếch đại K
0
có giá trị trong khoảng 10
5
-10
6
, nghĩa là chỉ với giá trị rất nhỏ của đầu
vào cũng làm cho đầu ra rơi vào trạng thái bão hoà. Khi đó, đầu ra mang giá trị +Vcc nếu V
2
> V
1

hoặc Vcc nếu V
1
> V
2
, điều này sẽ đợc ứng dụng trong mạch so sánh.

Hệ số khuếch đại có hồi tiếp âm
Nh đã nói ở trên, khi không có hồi tiếp âm, hệ số khuếch đại của bộ KĐTT là rất lớn và
không điều khiển đợc. Do vậy, muốn sử dụng bộ KĐTT trong nhiều sơ đồ khác nhau thì cần phải
điều khiển đợc hệ số khuếch đại của nó bằng cách sử dụng hồi tiếp âm (lấy một phần đầu ra đa
trở lại đầu vào đảo). Dới đây là sơ đồ hồi tiếp âm và mạch KĐTT có hồi tiếp âm
Chân 7, 4: cấ
p
n
g
uồn cun

Uv = Uv + Uht = Uv - K
ht
Ur
Suy ra: Ur = K
0
.Uv = K
0
.( Uv - K
ht
Ur)
Ur(1+K
0
K
ht
) = K
0
Uv
Vì K
0
rất lớn
htht
tp
KKK
K
Uv
Ur
K
1
1
0

= 0 thì Ur = 0.
Điều này có đợc là do dòng lối vào I
P
= I
N
= 0, tức dòng tĩnh lệch không I
0
= I
P
- I
N
= 0. Trong một
bộ KĐTT thực, khi các transistor vi sai đầu vào không hoàn toàn giống nhau thì dòng lối vào khác
nhau dù điện áp lối vào bằng 0, tức dòng lệch 0 sẽ khác 0 làm cho Ur khác 0. Khi đó ta coi đặc
tuyến truỳên đạt bị lệch khỏi điểm 0 nh đờng chấm chấm trong hình này và để làm cho điện áp ra
bằng 0 cần đặt giữa hai đầu vào một hiệu điện thế ngợc dấu và có giá trị bằng U
0
để bù trừ và gọi
Miền tu
y
ến
t
ính
Miền bão
Miền bão
Chơng IV: Vi mạch tích hợp v Khuếch đại thuật toán
Kỹ thuật điện tử
70

đó là điện áp lệch 0. Nói cách khác, điện áp lệch không là điện áp để cân bằng điện áp rất nhỏ tồn


Để hiểu rõ về một bộ KĐTT thực tế ngời ta thờng so sánh các thông số của nó với các
thông số của một bộ KĐTT lý tởng nh trong bảng dới đây.
3. Các sơ đồ cơ bản của bộ KĐTT
a. Bộ khuếch đại đảo
Hệ số khuếch đại hở mạch của một bộ khuếch đại thuật
toán rất lớn (điển hình khoảng 100 000 lần hay 100dB). Hệ số
này quá lớn nên sẽ gây mất ổn định cho mạch, do đó không
đợc sử dụng trên thực tế.
Để giảm bớt hệ số khuếch đại của mạch ngời ta sử dụng
biện pháp hồi tiếp âm. Nghĩa là lấy một phần tín hiệu ra quay trở
về đầu vào đảo của bộ KĐTT. Mạch cơ bản của cấu hình này
nh hình bên.
Trong hình này, đầu vào đảo có cùng điện thế so với đầu
vào không đảo tức bằng 0V, do vậy thờng gọi đầu vào đảo là
điểm đất ảo.
Thông số Bộ KĐTT lý tởng Bộ KĐTT thực tế
Trở kháng vào
Zv


khoảng 10
6
(với BJT) và 10
9
10
12

0
= 0 # 0
Nhiễu
Không có Có

Chơng IV: Vi mạch tích hợp v Khuếch đại thuật toán
Kỹ thuật điện tử
71

Dòng chảy qua R1 đợc cho bởi:
I = Vv / R1
Chú ý: Trở kháng vào có giá trị vô cùng nên dòng điện I này sẽ chảy qua Rf và điện áp Vr qua nó sẽ
là:
Vr = - R2 . I
Dấu - xuất phát từ thực tế rằng, nếu Vv > 0V dòng chảy từ Vv tới Vr bởi thế Vr có mức điện áp
thấp hơn đầu vào đảo; tuy nhiên đầu vào đảo lại là điểm đất ảo (0V) nên Vr sẽ phải âm.
Thay thế giá trị của I vào ta đợc :
Vr = - Vv . R2 / R1
vì hệ số khuếch đại đợc định nghĩa nh tỷ số giữa áp vào và áp ra nên:
K = Vr / Vv = - R2 / R1
Chú ý: Với bộ khuếch đại thực, trở kháng vào và hệ số khuếch đại không phải là vô cùng nhng
cũng rất lớn do đó công thức trên có thể chấp nhận đợc.
b. Mạch khuếch đại thuận (không đảo)
Một mạch khuếch đại không đảo đơn giản đợc chỉ ra
nh ở hình dới đây
Để ổn định mạch khuếch đại, một phần tín hiệu ra
đợc lấy quay trở về đầu vào đảo (hồi tiếp âm).
Tơng tự, từ tính chất trở kháng vào bằng vô cùng, có
thể thấy rằng dòng chảy qua R2 sẽ bằng dòng chảy qua R1.
R1 và R2 sẽ tạo thành mạch phân áp đối với điện áp ra Vr.

*2
1
3
*1
R
R
V
R
R
VV
r

Dấu - biểu thị đầu ra sẽ ngợc pha với tín hiệu vào.
Từ công thức trên, nếu yêu cầu đầu ra là tổng của các đầu
vào thì tỷ số R3/R1= R3/R2 = 1. Lúc này: Vr = - (V1 +V2).
Nếu đầu ra bằng trung bình điện áp của các đầu vào thì tỷ số R3/R1 =R3/R2=0,5.
Tức là: Vr = -(V1+V2)/2.

Chú ý: Có thể có rất nhiều đầu vào, nhng chú ý rằng số lợng này cũng giới hạn để không khiến
cho bộ khuếch đại vợt ra khỏi khoảng làm việc tuyến tính, đồng thời tổng dòng phải nhỏ hơn dòng
max cho phép do nhà sản xuất quy định.
Mạch khuếch đại tổng sẽ làm việc với cả tín hiệu dc lẫn tín hiệu ac.
d. Mạch khuếch đại hiệu
Mạch khuếch đại hiệu sẽ cho ta điện áp ra bằng hiệu của 2 (hay nhiều) điện áp vào. Mạch điển
hình sử dụng bộ KĐTT để tính hiệu hai điện áp đợc chỉ ra trong hình dới.

Vr
Chơng IV: Vi mạch tích hợp v Khuếch đại thuật toán
Kỹ thuật điện tử
72


=

=

Toàn bộ dòng điện này sẽ chảy qua R2 do trở kháng đầu vào bằng vô cùng. Do vậy, điện áp ra là:
Vr = V1 I*R2
Thay các công thức trên vào ta tính đợc Vr nh sau:
2
43
4
)
1
2
1(1
1
2
V
RR
R
R
R
V
R
R
Vr
+
++=
Nếu tỷ số R2/R1=R4/R3 thì ta có:
Vr = (V2 - V1)*R2/R1.

vậy điện áp ra sẽ bằng tích phân của điện áp vào chia cho hằng số thời gian
= RC
Vr
Vr
Vv
Vr
Chơng IV: Vi mạch tích hợp v Khuếch đại thuật toán
Kỹ thuật điện tử
73

Biến
có thể đợc định nghĩa nh là thời gian cần thiết cho điện áp Vr đạt tới biên độ bằng
với điện áp vào, bắt đầu từ điều kiện 0 và với điện áp vào là hằng số.
Xét với bộ KĐTT thực, ta có thể tìm đợc điện áp lệch không, xuất hiện nh là điện áp dc tại
đầu vào và khi đợc tích phân sẽ xuất hiện tại đầu ra nh là một điện áp tăng tuyến tính. Tơng tự,
một phần của dòng thiên áp cũng đợc tích phân, tạo nên sự thay đổi của điện áp ra.
Hai nguyên nhân gây lỗi trên thực tế sẽ đa bộ KĐTT đến trạng thái bão hoà. Đây chính là
một hạn chế của mạch. Vấn đề này sẽ đợc khắc phục bởi việc nối thêm 1 điện trở giữa đầu vào
không đảo và đất, để bù ảnh hởng của dòng thiên áp; đồng thời thêm điện trở mắc song song với tụ
C để trung hoà ảnh hởng của điện áp lệch (hình bên phải).
g. Mạch vi phân
Sơ đồ mạch vi phân đợc chỉ ra ở hình bên trái dới đây. Điện trở đợc dùng trong mạch hồi
tiếp, trong khi tụ đợc nối với điện áp vào.
Giả sử bộ KĐTT lý tởng, đầu vào đảo sẽ có mức điện áp 0 (điểm đất ảo), bởi thế, dòng chảy
qua R đợc cho bởi:
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, thay vào ta có:
dt

Kỹ thuật điện tử
74

Hoạt động của mạch có đợc do hệ số khuếch đại rất cao, bởi vì một điện áp hiệu rất nhỏ
cũng đủ để đa mạch vào trạng thái bão hoà. Ta có thể thấy rằng mạch điện rất đơn giản không cần
có thêm các linh kiện ngoài. ứng dụng chủ yếu của mạch là bộ phát hiện qua mức 0 và mạch tạo
xung vuông.

Phần Bi tập
1. Bài toán thuận phân tích một mạch KĐTT đợc thực hiện nh sau:
Viết phơng trình KCL cho nút N để tìm V
N
theo các nguồn đầu vào đảo
Viết phơng trình KCL cho nút P để tìm V
P
theo các nguồn đầu vào thuận
Cho V
P
= V
N
để tìm dạng điện áp đầu ra theo các điện áp đầu vào

Chú ý: Bớc 1 và 2 đợc thực hiện với giả thiết dòng vào các cửa của bộ KĐTT bằng không.

Ví dụ:
Xác định điện áp đầu ra theo điện áp đầu vào của mạch sau:

áp dụng KCL cho nút P ta có:
)
21


Tơng tự, áp dụng dòng điện nút cho nút N ta có:
.
//2//1() )(// //2//1(
0
RR
Rf
V
Rm
V
Rb
V
Ra
V
RnRRV
Rf
VV
Rm
VV
Rb
VV
Ra
VV
outmba
N
outNmNbNaN
++++=
=

+

R
V
R
V
V
mba
n
out
+++
+++=Bài tập mẫu:

Cho mạch điện nh hình vẽ. Tìm biểu thức của điện áp đầu ra theo các đầu vào
4k
6k
V3
out
V1
V2
U4
IDEAL
4k
3k
12k

Viết phơng trình KCL tại điểm N với giả thiết trở kháng vào của bộ khuếch đại rất lớn nên coi nh
không có dòng vào cửa đảo.
88

Rm
Rb
Ra
Rf
U1
IDEAL
Chơng IV: Vi mạch tích hợp v Khuếch đại thuật toán
Kỹ thuật điện tử
75

5
.2
64
4
0
46
3
3
3
V
VV
V
VV
P
P
P
=
+
=
=+

2. Bài toán ngợc
Thiết kế một mạch KĐTT có phơng trình:
Vout = X1.V1 + +XnVn Y1Va - - YmVm
Trong đó X1, X2, Xn là hệ số khuếch đại của các đầu vào
không đảo
Y1, Y2 Ym là hệ số khuếch đại của các đầu vào đảo
Giả sử mạch cần thiết kế có dạng sau:

Từ phân tích lý thuyết ngời ta đa ra cách làm nh sau:
+ Tính:
X =

=
n
i
Xi
1
= X1 + X2 + +Xn
Y =

=
m
j
Yj
1
= Y1 + Y2 + +Ym
Z = X- Y 1
+ Dựa vào giá trị của Z ta sẽ chọn 1 trong 3 trờng hợp sau
để tính:



=
3
1i
Xi = 10 + 6 +4 = 20
Y =

=
b
aj
Yj = 5 + 2 = 7
Z = X - Y 1 = 20 -7 1 = 12
Do Z > 0 nên ta sẽ áp dụng cách tính của trờng hợp 1. Chọn Rf = 120k
.
Khi đó các giá trị còn lại đợc tính nh sau:

Rx
Ry
R1
R2
Rn
V1
V2
Vn
out
Va
Vb
Vm Rm
Rb
Ra

R
30
4
120
3
3
20
6
120
2
2
12
10
120
1
1

=

==
=

==
=

==
k
k
Z
Rf

U2
IDEAL
Vb
Va
out
V3
V2
V13. Thiết kế một mạch KĐTT có phơng trình của điện áp đầu ra chứa cả biểu thức tính tổng, hiệu, vi
phân và tích phân.

Ta thực hiện nh sau:
Bớc 1: Thiết kế mạch dùng bộ KĐTT 1 thực hiện phép tính tổng, hiệu
Bớc 2: Thiết kế mạch dùng bộ KĐTT 2 thực hiện phép tính vi phân
Bớc 3: Thiết kế mạch dùng bộ KĐTT 3 thực hiện phép tính tích phân
Bớc 4: Dùng một bộ tổng với các hệ số bằng 1 để cộng các kết quả trên

Bài tập mẫu:

Thiết kế mạch sử dụng bộ KĐTT thực hiện hàm sau:

++= dcbdt
dt
da
y 32
2

0.5u
1M
IDEAL
a
y2

Chơng IV: Vi mạch tích hợp v Khuếch đại thuật toán
Kỹ thuật điện tử
77
Kết quả là ta có mạch sau:

15k
45k
c
d
IDEAL
10k
30k
1
0k
1
0k
I
DE
A
L

1
0k
1
0k
1M
0.5u
y
3
b
IDEAL