MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

Đây là một vi mạch tương tự. Mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amps) có một ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật điện tử hiện đại. Có thể nói không ngoa rằng: "Nếu học vi mạch mà chưa biết Op-Amps coi như chưa học vi mạch!". Nội dung chương này được trình bày dưới các đề mục sau:



BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ
MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
1. Giới thiệu
Mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier: Op-Amps) có ký hiệu như hình sau:


Đây là một vi mạch tương tự rất thông dụng do trong Op-Amps được tích hợp một số ưu điểm sau:
- Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép Op-Amps khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng, phản ứng hoá-điện, dòng điện sinh học ... thường là nguồn có tính đối xứng)
- Ngõ ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào nên Op-Amps có độ miễn nhiễu rất cao vì khi tín hiệu nhiễu đến hai ngõ vào cùng lúc sẽ không thể xuất hiện ở ngõ ra. Cũng vì lý do này Op-Amps có khả năng khuếch đại tín hiệu có tần số rất thấp, xem như tín hiệu một chiều.
- Hệ số khuếch đại của Op-Amps rất lớn do đó cho phép Op-Amps khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ chỉ vài chục mico Volt.
- Do các mạch khuếch đại vi sai trong Op-Amps được chế tạo trên cùng một phiến do đó độ ổn định nhiệt rất cao.
- Điện áp phân cực ngõ vào và ngõ ra bằng không khi không có tín hiệu, do đó dễ dàng trong việc chuẩn hoá khi lắp ghép giữa các khối (module hoá).
- Tổng trở ngõ vào của Op-Amps rất lớn, cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé.
- Tổng trở ngõ ra thấp, cho phép Op-Amps cung cấp dòng tốt cho phụ tải.
- Băng thông rất rộng, cho phép Op-Amps làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau
 . . .
Tuy nhiên cũng như các vi mạch khác, Op-Amps không thể làm việc ổn định khi làm việc với tần số và công suất cao.
Sơ đồ chân và hình dạng một op-amps điển hình


2. Op-Amps lý tưởng - Op-Amps thực tế
Để đơn giản trong việc tính toán trên op-amps, có thể tính toán trên op-amps lý tưởng sau đó thực hiện bổ chính các thông số trong mạch. Để có được một cái nhìn tổng quan giữa op-amps thực tế và op-amps lý tưởng, có thể so sánh một vài thông số giữa op-amps lý tưởng và op-amp thông dụng (general purpose) như bảng sau


(*) Trên thực tế có những op-amps được chế tạo với mục đích chuyên dụng (trong kỹ thuật hàng không vũ trụ, quân sự, y tế, công nghiệp ...), các đặc tính của nó rất gần với đặc tính của op-amps lý tưởng. Ở đây chỉ so sánh với loại phổ dụng giá thành thấp  chất lượng cũng không cao.
3. Hệ số nén tín hiệu kiểu chung (CMRR: Common Mode Rejection Ratio)
Do op-amps có ngõ vào là mạch khuếch đại vi sai nên có một chỉ số rất quan trọng khi đánh giá chất lượng của mạch khuếch đại vi sai cũng dùng được cho op-amps: đó là hệ số CMRR. Giá trị CMRR càng cao mạch có tính triệt nhiễu đồng pha càng tốt. Thông số này được định nghĩa như sau:


Với Avd là hệ số khuếch đại vi sai và AvCM à hệ số khuếch đại common mode.
Kết hợp với các công thức khi tính trong mạch khuếch đại vi sai, ta có:


Từ công thức này ta thấy: RE càng lớn càng tốt cho việc triệt nhiễu đồng pha nhưng làm như vậy lại làm giảm hệ số khuếch đại áp của mạch. Do đó để được lợi đôi đường người ta sử dụng nguồn dòng thay thế cho RE.
 
BÀI 2: CẤU TẠO - NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
1. Cấu tạo
Op-Amps lý tưởng có cấu tạo như hình vẽ


- Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào v+ và v-. Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn ...
- Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng