Tài liệu ứng dụng ic khuếch đại thuật toán po amp trong thiết kế mạch lọc tín hiệu

øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu Trêng §¹i häc Vinh khoa vËt lý -------------------- Hoµng minh ®ång øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n op-amp trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu kho¸ luËn tèt nghiÖp ®¹i häc chuyªn ngµnh: ®iÖn tö viÔn th«ng Vinh, 5/2007 Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 0 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu Trêng §¹i häc Vinh khoa vËt lý -------------------- øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n op-amp trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu kho¸ luËn tèt nghiÖp ®¹i häc chuyªn ngµnh: ®iÖn tö viÔn th«ng L Gi¸o viªn híng dÉn: PGS.TS NguyÔn Hoa Sinh viªn thùc hiÖn : Líp : Hoµng Minh §ång 44B - VËt Lý Vinh, 5/2007 Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 1 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu Môc lôc Trang Lêi më ®Çu………………………………………………………………….1 Ch¬ng 1. Tæng quan vÒ IC khuÕch ®¹i. 1.1. Kh¸i niÖm vi m¹ch tÝch hîp (IC)……………………………………….3 1.2. CÊu tróc IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n op-amp……………………………..4 1.3. C¸c tham sè c¬ b¶n cña IC op-amp…………………………………….9 1.3.1. HÖ sè khuÕch ®¹i hiÖu K0…………………………………………….9 1.3.2. §Æc tuyÕn biªn ®é-tÇn sè……………………………………………10 1.3.3. HÖ sè khuÕch ®¹i ®ång pha………………………………………….11 1.3.4. HÖ sè khuÕch ®¹i nÐn ®ång pha……………………………………..12 1.3.5. Trë kh¸ng vµo hiÖu, trë kh¸ng vµo ®ång pha vµ trë kh¸ng ra ……... 12 1.3.6. Dßng vµo tÜnh, ®iÖn ¸p vµo lÖch kh«ng vµ biÖn ph¸p bï…………….13 Ch¬ng 2. øng dông ®iÓn h×nh cña IC khuÕch ®¹i op-amp. 2.1. M¹ch läc tÝch cùc……………………………………………………...17 2.1.1 Kh¸i niÖm…………………………………………………………….17 2.1.2. M¹ch läc th«ng thÊp b©c 2………………………………………….19 2.1.3. M¹ch läc th«ng cao bËc 2……………………………………………22 2.1.4. M¹ch läc chon läc vµ m¹ch läc th«ng d¶i…………………………...24 Ch¬ng 3. ThiÕt kÕ m¹ch ®iÖn tö sö dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n op-amp. 3.1. ThiÕt kÕ m¹ch läc tÝch cùc……………………………………………..29 3.2. Bµi to¸n………………………………………………………………...30 3.3. KÕt qu¶ m« pháng……………………………………………………..31 3.3.1. §Æc tuyÕn biªn ®é-tÇn sè vµ ®¸p øng xung…………………………..31 3.3.2. M« pháng qu¸ tr×nh ho¹t ®éng………………………………………36 KÕt luËn ……………………………………………………………………38 Tµi liÖu tham kh¶o………………………………………………………….39 Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 2 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu Lêi më ®Çu §Êt níc ta ®ang v¬n lªn trong nh÷ng n¨m ®Çu cña thÕ kû XXI, thÕ kû mµ c¶ thÕ giíi ®ang cã nhiÒu chuyÓn biÕn. §Æc biÖt lµ cuéc c¸ch m¹ng Khoa häc c«ng nghÖ hiÖn ®¹i ph¸t triÓn. Sù bïng næ th«ng tin, tri thøc nh©n lo¹i t¨ng vät c¶ vÒ chÊt lîng vµ sè lîng. ThÕ kû cña nÒn kinh tÕ tri thøc. Tríc t×nh h×nh ®ã, sù nghiÖp gi¸o dôc nãi chung c¸c ngµnh nghiªn cøu khoa häc nãi riªng cña níc ta còng cÇn cã nh÷ng bíc thay ®æi c¨n b¶n nh»m thÝch øng, hoµ nhÞp víi tèc ®é ph¸t triÓn cña thÕ giíi. Cïng sù ph¸t triÓn ®ã, ®iÖn tö lµ mét trong nh÷ng ngµnh Khoa häc ®îc øng dông m¹nh mÏ trong cuéc sèng h»ng ngµy cña chóng ta. Sù lu«n cã mÆt cña c¸c linh kiÖn khuÕch ®¹i trong c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö lµ kh«ng thÓ thiÕu, nã ®ãng vai trß cùc k× quan träng v× vËy cÇn ®îc quan t©m vµ ph¸t triÓn h¬n n÷a. §iÔn h×nh ë ®©y lµ bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n thêng viÕt t¾t lµ OA( kÝ hiÖu hai ch÷ c¸i ®Çu tiªn cña tõ Operatioanal Amplifer). Nã ®îc chÕ t¹o díi d¹ng c¸c vi m¹ch hay cßn gäi lµ IC hoÆc chÝp. Víi kh¶ n¨ng cã thÓ thay ®æi ®îc tÝnh chÊt t¸c dông b»ng c¸ch thay ®æi c¸c linh kiÖn ë m¹ch ngoµi, nã ®· t¹o tiÒn ®Ò cho c¸c ngµnh khoa häc c«ng nghÖ kh¸c ph¸t triÓn. Víi c¸c lÝ do nªu trªn t«i ®· chän ®Ò tµi nghiªn cøu lµ: øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n op-amp trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu. ViÖc nghiªn cøu cÊu tróc, c¬ chÕ ho¹t ®éng cña chóng nh»m môc ®Ých híng tíi thiÕt kÕ chÕ t¹o c¸c vi m¹ch dïng trong kÜ thuËt khuÕch ®¹i t¹o tÝn hiÖu h×nh sin vµ xung trong bé æn ¸p vµ bé läc tÝch cùc… cña c¸c lÜnh vùc c«ng nghÖ th«ng tin, tù ®éng ho¸, ®o lêng..v.v. Trong khu«n khæ mét luËn v¨n tèt nghiÖp ®Ò tµi tËp trung nghiªn cøu IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n vµ c¸c øng dông ®iÓn h×nh cña nã trong kÜ thuËt ®iÖn tö. Néi dung luËn v¨n nµy ®îc tr×nh bµy trong ba ch¬ng: Ch¬ng 1: Tæng quan vÒ IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n op-amp. Ch¬ng 2: øng dông ®iÓn h×nh cña IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n op-amp. Ch¬ng 3: ThiÕt kÕ m¹ch ®iÖn tö sö dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n op-amp. Do thêi gian vµ tr×nh ®é cßn h¹n chÕ, v× vËy luËn v¨n vÉn kh«ng tr¸nh khái nhiÒu thiÕu sãt. T«i rÊt mong nhËn ®îc sù ®ãng gãp, chØ ®¹o cña c¸c ThÇy, C« gi¸o vµ c¸c b¹n sinh viªn ®Ó néi dung cña luËn v¨n ®îc hoµn thiÖn h¬n. Cuèi cïng t«i xin ®îc bµy tá lßng c¶m ¬n tíi ban chñ nhiÖm khoa VËt lÝ, c¸c ThÇy C« gi¸o trong tæ KÜ thuËt ®· t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi trong qu¸ tr×nh häc tËp vµ nghiªn cøu. §Æc biÖt t«i xin bµy tá lßng c¶m ¬n s©u s¾c tíi Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 3 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu thÇy gi¸o: PGS.TS NguyÔn Hoa L vµ thÇy Ph¹m M¹nh Toµn. Ngêi ®· tËn t×nh híng dÉn vµ gióp ®ì t«i thùc hiÖn luËn v¨n nµy. Vinh: 5/2007 T¸c gi¶: Hoµng Minh §ång Ch¬ng 1. tæng quan vÒ IC khuÕch ®¹i 1.1 . kh¸i niÖm vi m¹ch tÝch hîp (IC) Vi m¹ch tÝch hîp thêng viÕt t¾t lµ IC (c¸c ch÷ c¸i ®Çu cña tõ Integrated Circuit ). 0,1m m 1 n 3 2 p 4 p n 5 6 n 7 SiO2 p n 0,2mm H×nh 1.1. Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 4 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu IC gåm mét sè lín c¸c phÇn tö b¸n dÉn n»m trong mét mÉu tinh thÓ nhá SilÝc. Mét vÝ dô vÒ IC ®îc tr×nh bµy trªn h×nh 1.1. Trong IC nµy tõ mét ®Õ tinh thÓ nhá SilÝc lo¹i p, b»ng c«ng nghÖ ®Æc biÖt, ngêi ta chÕ t¹o c¸c phÇn tö b¸n dÉn kh¸c nhau nh : diode, transistor, ®iÖn trë, tô ®iÖn.. . §Ó chÕ t¹o diode ngêi ta khuÕch t¸n vµo ®Õ tinh thÓ p mét Ýt t¹p chÊt ho¸ trÞ 5. §iÒu ®ã cho ta mét líp b¸n dÉn lo¹i p. Sau ®ã b»ng c¸ch khuÕch t¸n vµo líp n nµy mét Ýt t¹p chÊt ho¸ trÞ 3 ta sÏ nhËn ®îc mét líp nhá b¸n dÉn lo¹i p. hai líp b¸n dÉn lo¹i n vµ p nµy t¹o nªn mét diode. ®Ó chÕ t¹o Transistor, ta còng lµm nh trªn ®Ó cã hai líp n vµ p, sau ®ã b»ng c¸ch khuÕch t¸n vµo líp p mét Ýt t¹p chÊt ho¸ trÞ 5 ta nhËn thªm mét líp nhá lo¹i n. Ba líp n, p, n nµy t¹o nªn mét transistor. §Ó chÕ t¹o ®iÖn trë ta còng lµm gièng nh ®Ó chÕ t¹o diode. §Ó c¸ch li c¸c phÇn tö trong IC víi m«i trêng bªn ngoµi ta phñ trªn m¶nh tinh thÓ mét líp máng c¸ch ®iÖn SiO 2, cßn ®Ó c¸ch li c¸c phÇn tö ®èi víi m¶nh tinh thÓ ngêi ta dïng mét líp tiÕp gi¸p pn gi÷a m¶nh tinh thÓ p vµ líp n cña c¸c phÇn tö. Nh ta ®· biÕt, nÕu m¶nh tinh thÓ p cã ®iÖn thÕ ©m h¬n líp n th× líp tiÕp gi¸p pn nµy sÏ ®îc ph©n cùc ngîc. Trong trêng hîp ®ã ë mÆt tiÕp gi¸p pn nµy h×nh thµnh mét líp rÊt nghÌo c¸c h¹t dÉn ®iÖn, líp nµy cã thÓ xem nh mét líp c¸ch ®iÖn. §Ó t¹o c¸c tiÕp ®iÓm ®iÖn ë c¸c phÇn tö ngêi ta ph¶i khoan c¸c lç thÝch hîp trªn m¶nh tinh thÓ vµ ®æ kim lo¹i máng vµo c¸c lç ®ã. Cßn ®Ó nèi c¸c phÇn tö ®ã víi nhau theo mét s¬ ®å nguyªn lÝ nµo ®ã ta dïng kÜ thuËt in lit«. So víi c¸c thiÕt bÞ ®îc chÕ t¹o tõ c¸c phÇn tö b¸n dÉn rêi r¹c, IC cã c¸c u ®iÓm chÝnh sau ®©y: . TiÕt kiÖm ®îc thêi gian s¶n xuÊt v× kh«ng ph¶i nèi nhiÒu lÇn gi÷a c¸c phÇn tö. . Gi¸ thµnh thÊp h¬n nhiÒu so víi tæng gi¸ thµnh c¸c phÇn tö rêi r¹c. VÝ dô mét IC chøa hµng tr¨m Transistor chØ ®¾t h¬n tõ hai ®Õn ba lÇn mét Transistor. . x¸c suÊt háng cña c¸c ®iÓm nèi bªn trong IC lµ rÊt nhá so víi c¸c ®iÓm nèi cña c¸c phÇn tö thùc hiÖn b»ng ph¬ng ph¸p hµn. . C¸c thiÕt bÞ dïng IC cã kÝch thíc vµ träng lîng bÐ h¬n nhiÒu so víi c¸c thiÕt bÞ dïng c¸c phÇn tö b¸n dÉn rêi r¹c. Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 5 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu nhîc ®iÓm chÝnh cña IC lµ kh«ng cã kh¶ n¨ng thay ®æi c¬ cÊu bªn trong cña nã. Bëi v× tÊt c¶ c¸c phÇn tö ®îc chÕ t¹o trong cïng mét m¶nh tinh thÓ chung rÊt bÐ. Do c¸c u ®iÓm næi bËt trªn ®©y, c¸c IC ngµy c¸c ®îc dïng nhiÒu trong kÜ thuËt ®iÖn tö. 1.2. CÊu tróc IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n OP – amp Bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n lµ mét IC cã s¬ ®å khèi nh trªn h×nh 1.2. Nãi c¸ch kh¸c bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n bao gåm 3 phÇn: N Uv P + 1 S1 Ur1 2 S2 3 Ur Ur2 H×nh 1.2 . TÇng vµo 1 lµ mét bé khuÕch ®¹i mét chiÒu Vi sai cã hai ®Çu vµo N, P vµ mét ®Çu ra S1. §iÖn ¸p ®a ra cña tÇng khuÕch ®¹i nµy lµ: Ur1 = Ku1Uv = Ku1(Uv1 – Uv2) trong ®ã: Ku1 lµ hÖ sè khuÕch ®¹i cña tÇng vµo 1. Uv1 lµ ®iÖn ®Æt vµo ®Çu vµo kh«ng ®¶o P. Uv2 lµ ®iÖn ¸p ®Æt vµo ®Çu vµo ®¶o N. Yªu cÇu cña tÇng vµo 1 nµy lµ cã trë kh¸ng vµo Rv rÊt lín. §Ó thùc hiÖn yªu cÇu nµy ngêi ta thêng thay thÕ c¸c Transistor lìng cùc trong tÇng nµy b»ng Transistor trêng (FET). . C¸c tÇng khuÕch ®¹i trung gian 2 lµ c¸c tÇng khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p hoÆc dßng ®iÖn. Môc ®Ých cña tÇng nµy lµ khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p ra U r1 hoÆc dßng ®iÖn ra ir1 lªn nhiÒu lÇn. . TÇng ra 3 thêng lµ tÇng khuÕch ®¹i c«ng suÊt. Yªu cÇu cña tÇng ra nµy lµ cã hÖ sè khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín vµ trë kh¸ng ra nhá. §iÒu ®ã cÇn thiÕt ®Ó b¶o ®¶m cung cÊp cho t¶i mét c«ng suÊt ®ñ lín theo yªu cÇu cña t¶i. Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 6 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu Mét vÝ dô ®iÓn h×nh cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n lµ bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n kiÓu A741 cã s¬ ®å nguyªn lÝ nh h×nh 1.3. + Ecc D3 D2 T7 T4 R1 P + Uv N - T8 R3 C -Ecc D4 -Ecc S D5 T9 +Ecc T2 T1 Ic2 Ir1 T5 Ic1 Ir2 T6 T3 D1 Ur R2 - + -Ecc H×nh 1.3 Trong s¬ ®å nµy tÇng vµo lµ mét tÇng khuÕch ®¹i Vi sai dïng c¸c Transistor lo¹i p-n-n, T1vµ T2. Dßng ®iÖn ra cña tÇng nµy lµ: Ir1=Ic2-Ic1 TÇng thø hai lµ mét tÇng khuÕch ®¹i dßng ®iÖn theo s¬ ®å Darlinton. HÖ sè khuÕch ®¹i dßng ®iÖn cña tÇng nµy lµ: Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 7 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu Ki = Ir2 I r1 = 5 6 , trong ®ã: 5 , 6 lµ hÖ sè khuÕch ®¹i dßng ®iÖn cña c¸c Transistor T5 vµ T6. Cuèi cïng tÇng ra lµ tÇng khuÕch ®¹i c«ng suÊt kÐp kh«ng cã biÕn ¸p. HÖ sè khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p cña c¶ bé khuÕch ®¹i nµy lµ: Ku = Ur Uv = Ku1Ku2Ku3 , trong ®ã: Ku1 , Ku2 , Ku3 lµ hÖ sè khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p cña c¸c tÇng vµo, tÇng thø hai vµ c¸c tÇng ra. Trong trêng hîp chung, mét bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n cã thÓ kÝ hiÖu b»ng mét s¬ ®å nh h×nh 1.4 Trong trêng hîp chung, mét bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n cã thÓ kÝ hiÖu b»ng mét s¬ ®å nh h×nh 1.4 +Ucc N UN -  IN I r  Ud P  IP UP  Ur +  -Ucc H×nh 1.4 trong s¬ ®å nµy: Ud lµ ®iÖn ¸p vµo hiÖu. UP , IP lµ ®iÖn ¸p vµo vµ dßng vµo cöa thuËn. UN , IN lµ ®iÖn ¸p vµo vµ dßng vµo cöa ®¶o. Ur , Ir lµ ®iÖn ¸p ra vµ dßng ®iÖn ra. Ku0 lµ hÖ sè khuÕch ®¹i cña bé khi ®Çu ra kh«ng t¶i. +Ucc , -Ucc lµ c¸c nguån nu«i d¬ng vµ ©m. N, P lµ c¸c ®Çu vµo ®¶o vµ kh«ng ®¶o cña bé khuÕch ®¹i. S lµ ®Çu ra cña bé khuÕch ®¹i. Bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p hiÖu. Ud=UP-UN Víi hÖ sè khuÕch ®¹i K0> 0. Do ®ã ®iÖn ¸p ra: Ur= K0Ud = K0 ( UP – UN ) (1.1) Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 8 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu NÕu UN = 0 th× Ur =K0UP lóc nµy ®iÖn ¸p ra Ur ®ång pha víi ®iÖn ¸p vµo UP , v× vËy ngêi ta gäi P lµ cöa vµo kh«ng ®¶o hoÆc cöa thuËn cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n vµ ®îc kÝ hiÖu bëi dÊu “+”. NÕu UP = 0 th× Ur = -K0UN lóc nµy ®iÖn ¸p ra Ur ngîc pha víi ®iÖn ¸p vµo UN nªn ®Çu vµo N ®îc gäi lµ ®Çu vµo ®¶o hoÆc cöa ®¶o cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n vµ ®îc kÝ hiÖu bëi dÊu “ – ”. Mét bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n lÝ tëng cã nh÷ng tÝnh chÊt sau: Trë kh¸ng vµo Zv =  Trë kh¸ng ra Zr = 0 ( 1.2 ) HÖ sè khuÕch ®¹i K0 =  VÝ dô bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n A741 lµ mét vi m¹ch tÝch hîp (IC) ®Æt trong mét vâ kÝn cã 8 ®iÖn cùc ( cßn gäi lµ 8 ch©n ) ®a ra ngoµi nh h×nh 1.5. 1 8 2 7 3 6 4 5 H×nh 1.5 ë ®©y : Ch©n 1 dïng ®Ó ®a Ur trë vÒ trÞ sè kh«ng khi Uv = 0 (c©n b»ng ®iÓm kh«ng); ch©n 2 lµ ®Çu vµo ®¶o; ch©n 3 lµ ®Çu vµo kh«ng ®¶o; ch©n 4 lµ ch©n ®îc nèi nguån nu«i ©m; ch©n 5 lµ c©n b»ng ®iÓm kh«ng; ch©n 6 lµ ®Çu ra; ch©n 7 ®îc nèi víi nguån nu«i d¬ng; ch©n 8 lµ ch©n dù tr÷. HiÖn nay, ngêi ta chÕ t¹o nhiÒu lo¹i khuÕch ®¹i thuËt to¸n díi d¹ng IC kh¸c nhau. Mçi IC nh vËy thùc hiÖn mét chøc n¨ng nhÊt ®Þnh(vÝ dô nh khuÕch ®¹i, t¹o xung æn ¸p, æn dßng, thùc hiÖn c¸c phÐp tÝnh) nªn cßn gäi lµ m¹ch chøc n¨ng. C¸c IC nµy sö dông rÊt tiÖn lîi vµ cã thÓ dÔ dµng kÕt hîp l¹i ®Ó t¹o thµnh c¸c thiÕt bÞ phøc t¹p. Trong thùc tÕ kh«ng cã bé khuÕch ®¹i lÝ tëng, ®Ó ®¸nh gi¸ bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n thùc so víi bé khuÕch ®¹i lÝ tëng, ngêi ta c¨n cø vµo c¸c tham sè cña nã. 1.3. c¸c tham sè c¬ b¶n cña IC op-amp Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 9 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu 1.3.1. HÖ sè khuÕch ®¹i hiÖu K0 K0 lµ hÖ sè khuÕch ®¹i hiÖu khi kh«ng t¶i, ®îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc sau: K0 = Ur Ud = Ur U P U N  Ur khi U N  0 U  P = U  r khi U P  0  UN  ë tÇn sè thÊp, K0 = K00 thêng lÊy c¸c gi¸ trÞ trong kho¶ng 10 3 ®Õn 10 6 . §iÖn ¸p ra Ur chØ tØ lÖ víi Ud trong d¶i ®iÖn ¸p Ur min  Ur max nµo ®ã h×nh 1.6, d¶i ®iÖn ¸p nµy gäi lµ d¶i biÕn ®æi ®iÖn ¸p ra cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n. Ngoµi d¶i ®ã ®iÖn ¸p ra kh«ng ®æi vµ kh«ng phô thuéc ®iÖn ¸p vµo, t¬ng øng bé khuÕch ®¹i lµm viÖc ë chÕ ®é b¶o hoµ. Ur UrMax - Vµi mV 0 Vµi mV Ud UrMin Ec H×nh 1.6. §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n. §èi víi ®iÖn ¸p mét chiÒu vµ ®iÖn ¸p cã tÇn sè thÊp th× K 0 kh«ng phô thuéc tÇn sè vµ K0 = K00. Khi tÇn sè t¨ng lªn mét gi¸ trÞ nµo th× K 0 gi¶m. ë tÇn sè giíi h¹n K0 = K 00 2 .V× tÇn sè giíi h¹n díi cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n fd = 0 , nªn tÇn sè giíi h¹n trªn cña nã ®óng b»ng ®é réng d¶i tÇn. 1.3.2. §Æc tuyÕn biªn ®é – tÇn sè Sù phô thuéc vµo nhiÖt ®é cña tham sè OA g©y nªn ®é tr«i ®iÖn ¸p ®Çu vµo vµ ®iÖn ¸p ®Çu ra theo nhiÖt ®é. V× vËy ®Ó c©n b»ng ban ®Çu cho OA ngêi ta ®a vµo mét trong c¸c ®Çu vµo cña nã mét ®iÖn ¸p phô thÝch hîp hoÆc mét ®iÖn trë ®Ó ®iÒu chØnh dßng ®iÖn ¸p ë m¹ch vµo. Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 10 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu Trë kh¸ng ra lµ mét trong nh÷ng tham sè quan träng cña OA. OA ph¶i cã ®iÖn trë ra nhá (hµng chôc hoÆc hµng tr¨m ) ®Ó ®¶m b¶o ®iÖn ¸p ra lín khi ®iÖn trë t¶i nhá, ®iÒu ®ã ®¹t ®îc b»ng m¹ch lÆp emit¬ ë ®Çu ra OA. Tham sè tÇn sè cña OA x¸c ®Þnh theo ®Æc tuyÕn biªn ®é tÇn sè cña nã (h×nh 1.7) bÞ gi¶m ë tÇn sè cao, b¾t ®Çu tõ tÇn sè c¾t f c víi ®é dèc ®Òu (-20dB) trªn mét kho¶ng mêi (1 ®Ò c¸c) cña trôc tÇn sè. Nguyªn nh©n lµ do sù phô thuéc c¸c tham sè cña transistor vµ ®iÖn dung kÝ sinh cña s¬ ®å OA vµo tÊn sè. TÇn sè biªn fc øng víi hÖ sè khuÕch ®¹i cña OA bÞ gi¶m ®i 2 lÇn, ®îc gäi lµ d¶i th«ng khi kh«ng cã m¹ch håi tiÕp ©m, fc thêng thÊp cë vµi chôc Hz. Ku Ku a) b) Ku/ 2 1 0 180° 300° 360° f0 fc f1 f f* f 420° 500° H×nh 1.7. §Æc tuyÕn biªn ®é tÊn sè cña OA. Khi dïng OA khuÕch ®¹i tÝn hiÖu thêng sö dông håi tiÕp ©m ë ®Çu vµo ®¶o. V× cã sù lÖch pha tÝn hiÖu ra so víi tÝn hiÖu vµo ë tÇn sè cao nªn ®Æc tuyÕn pha tÇn sè cña OA theo ®Çu vµo ®¶o cßn cã thªm gãc lÖch pha phô vµ trë nªn lín h¬n 180 0 (H.17b). ë mét tÇn sè cao f* nµo ®ã, nÕu tæng gãc lÖch pha b»ng 360 0 th× xuÊt hiÖn håi tiÕp d¬ng theo ®Çu vµo ®¶o ë tÇn sè ®ã lµm m¹ch bÞ mÊt æn ®Þnh ë tÇn sè nµy. §Ó kh¾c phôc hiÖn tîng trªn, ngêi ta m¾c thªm m¹ch hiÖu chØnh pha RC ngoµi ®Ó chuyÓn tÇn sè f * ra khái d¶i th«ng cña bé khuÕch ®¹i. Tham sè m¹ch RC vµ s¬ ®å m¾c chung trong s¬ ®å IC ®Ó khö tù kÝch, do ngêi s¶n xuÊt chØ dÉn. 1.3.3. HÖ sè khuÕch ®¹i ®ång pha NÕu ®Æt vµo cöa thuËn vµ cöa ®¶o cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n c¸c ®iÖn ¸p b»ng nhau, nghÜa lµ: UP = UN = Ucm  0 th× Ud = 0. Gäi Ucm lµ ®iÖn ¸p vµo ®ång pha, theo biÓu thøc (1.1) ta cã Ur = 0. Tuy nhiªn thùc tÕ kh«ng nh vËy. H×nh 1.9 cho thÊy quan hÖ ®iÖn ¸p ra víi ®iÖn ¸p ®ång pha. VËy theo h×nh 1.9 Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 11 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu ta thÊy gi÷a ®iÖn ¸p ra vµ ®iÖn ¸p vµo ®ång pha cã quan hÖ nµo ®ã. HÖ sè tØ lÖ t¬ng øng ®îc gäi lµ hÖ sè khuÕch ®¹i ®ång pha K cm vµ ®îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc (1.4). Ur Ucm Kcm = (1.4) Ur UCMMin 0 UCMMax UCM H×nh 1.8. Quan hÖ gi÷a ®iÖn ¸p ra víi ®iÖn ¸p ®ång pha. HÖ sè nµy nãi chung phô thuéc vµo møc ®iÖn ¸p vµo ®ång pha. Trong trêng hîp lÝ tëng Kcm = 0, gi¸ trÞ cùc ®¹i cña ®iÖn ¸p vµo ®ång pha cho trong c¸c sæ tay vi m¹ch cho biÕt giíi h¹n cña ®iÖn ¸p vµo ®ång pha ®Ó cho hÖ sè khuÕch ®¹i Kcm kh«ng vît qu¸ gi¸ trÞ ®· cho. HÖ sè khuÕch ®¹i ®ång pha K cm lu«n nhá h¬n hÖ sè khuÕch ®¹i hiÖu K00 . 1.3.4. HÖ sè nÐn ®ång pha §Ó ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng lµm viÖc cña bé khuÕch ®¹i thùc so víi bé khuÕch ®¹i lÝ tëng (kcm = 0), ngêi ta dïng hÖ sè nÐn ®ång pha G (cßn kÝ hiÖu lµ CMRR) hÖ sè nµy ®îc ®Þnh nghÜa bëi biÓu thøc (1.5). G  K0 K cm (1.5) Thêng th× G = 103  105, v× K0 > 0, Kcm cã thÓ d¬ng hoÆc ©m nªn G còng cã thÓ d¬ng hoÆc ©m. TrÞ sè G cho trong c¸c tµi liÖu kÜ thuËt lµ tuyÖt ®èi. Khi dïng ®Ó tÝnh, trong mét sè trêng hîp cÇn ph¶i x¸c ®Þnh dÊu cña G. Theo ®Þnh nghÜa vÒ hÖ sè khuÕch ®¹i hiÖu vµ hÖ sè khuÕch ®¹i ®ång pha, cã thÓ viÕt: Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 12 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu  Ur = U r U d K Cm  const U d  U r U cm K o  const U cm  K o U d  K cm U d (1.6) Cho U r  0 : G= K0 U cm  U r0  const K cm U d (1.7) BiÓu thøc (1.7) cho biÕt ph¶i ®Æt vµo mét ®iÖn ¸p hiÖu b»ng bao nhiªu ®Ó bï l¹i hiÖn tîng khuÕch ®¹i ®ång pha. 1.3.5. Trë kh¸ng vµo hiÖu, trë kh¸ng vµo ®ång pha vµ trë kh¸ng ra Trë kh¸ng vµo hiÖu rd vµ trë kh¸ng vµo ®ång pha rcm ®îc ®Þnh nghÜa lÇn lît theo biÓu thøc (1.8) vµ (1.9).  U P  I  P rd =  U N   I N  rcm = U P U N  I P I n Khi U N  0 (1.8) Khi U P  0 Khi U P  U N  U cm (1.9) Trë kh¸ng ra cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n rr cho kh¶ n¨ng ®¸nh gi¸ biÕn thiªn cña ®iÖn ¸p ra theo t¶i vµ ®îc x¸c ®Þnh b»ng biÓu thøc (1.10). rr = U r I r (1.10) 1.3.6. Dßng vµo tÜnh, ®iÖn ¸p vµo lÖch kh«ng vµ biÖn ph¸p bï Dßng vµo tÜnh lµ trÞ trung b×nh cña dßng vµo cöa thuËn vµ dßng vµo cöa ®¶o. It = I P  I N 2 víi UP = UN = 0. (1.11) Dßng vµo lÖch kh«ng lµ hiÖu c¸c dßng vµo tÜnh ë hai cöa cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n. I0 = IP – IN víi UP =UN = 0 (1.12) Th«ng thêng I0  0,1It Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 13 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu Dßng vµo lÖch kh«ng phô thuéc nhiÖt ®é, do ®ã khi nhiÖt ®é thay ®æi, trÞ sè cña dßng lÖch kh«ng thay ®æi theo. HiÖn tîng nµy gäi lµ hiÖn tîng tr«i dßng lÖch kh«ng. §Ó d¸nh gi¸ møc ®é tr«i dßng lÖch kh«ng ngêi ta dïng hÖ sè nhiÖt cña dßng lÖch kh«ng I 0 cã thø nguyªn lµ nA/ t 0 o c. Trong bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n thùc, khi UP = UN = 0 th× Ur vÉn kh¸c kh«ng. Lóc nµy ®iÖn ¸p ra do ®iÖn ¸p lÖch kh«ng ë ®Çu vµo g©y nªn. vËy ®iÖn ¸p lÖch kh«ng U0 lµ ®iÖn ¸p cÇn ph¶i ®Æt gi÷a hai ®Çu vµo cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n ®Ó cho Ur = 0. U0 = UP - UN khi Ur = 0 (1.13) §iÖn ¸p lÖch kh«ng còng phô thuéc nhiÖt ®é, do ®ã còng cã hiÖn tîng tr«i ®iÖn ¸p lÖch kh«ng, ®îc ®Æc trng bëi tham sè th«ng thêng U 0 t 0 U 0 , t 0  (1  100)  v. Ta thÊy r»ng c¸c tham sè cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n ®îc ®Þnh nghÜa nh tham sè cña bé khuÕch ®¹i vi sai. §ã lµ v× tÇng vµo bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n lu«n lu«n lµ tÇng khuÕch ®¹i vi sai. Khi dïng bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n, ®Ó khuÕch ®¹i tÝn hiÖu mét chiÒu cã trÞ nhá th× c¸c sai sè chñ yÕu do dßng ®iÖn tÜnh, ®iÖn ¸p lÖch kh«ng vµ do hiÖn tîng tr«i g©y ra. Trong c¸ch tÝnh phÝa tríc ta ®· bá qua sai sè nµy. C¸c dßng ®iÖn tÜnh IP , IN ë ®Çu vµo bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n thùc chÊt lµ dßng baz¬ cña c¸c transistor tÇng vµo bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n. Dßng tÜnh cöa thuËn IP vµ dßng vµo cöa ®¶o IN thêng gÇn b»ng nhau. Dßng tÜnh cho trong c¸c tµi liÖu kÜ thuËt lµ trÞ trung b×nh cña chóng. C¸c dßng I P , IN g©y ra sôt ¸p trªn cöa vµo. Do sù kh¸c nhau cña c¸c ®iÖn trë cöa P vµ cöa N mµ sôt ¸p nµy còng kh¸c nhau. HiÖu ®iÖn thÕ cña chóng còng chÝnh lµ ®iÖn ¸p lÖch kh«ng. §Ó gi÷ cho ®iÖn ¸p lÖch kh«ng nhá, trong bé khuÕch ®¹i ®¶o kh«ng ®Êu trùc tiÕp cöa thuËn xuèng ®Êt mµ ®Êu qua ®iÖn trë R 2 nh trªn h×nh 1.10, R2 cã trÞ sè b»ng ®iÖn trë vµo cöa ®¶o, nghÜa lµ: R2 = R1 R N R1  R N (1.14) Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 14 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu RN R1 Uv + Ur U0 R2 H×nh 1.9. Mét c¸ch m¾c bé khuÕch ®¹i ®¶o ®Ó gi¶m ®iÖn ¸p lÖch kh«ng. Lóc ®ã dßng tÜnh g©y ra trªn hai ®Çu vµo c¸c sôt ¸p lµ I N(R1//RN) vµ IP(R1//RN). Thêng IP = IN nªn c¸c sôt ¸p ®ã gÇn b»ng nhau. Lóc nµy trªn ®Çu vµo bé khuÕch ®¹i cã thªm ®iÖn ¸p ®ång pha Ucm = It(R1//RN). Thùc tÕ IP  IN , nªn dßng tÜnh I0 = IP – IN cßn g©y ra mét hiÖu ®iÖn ¸p ë ®Çu vµo, gäi lµ ®iÖn ¸p lÖch kh«ng U 0 . Sai sè ®ã nã g©y ra trªn ®Çu ra tÝnh ®îc dùa vµo s¬ ®å trªn h×nh 1.10. ViÕt ph¬ng tr×nh dßng ®iÖn nót cho nót N. Ur  U0 U  U0  r 0 R1 RN Suy ra : Ur = - RN R U r  (1  N ) U 0 R1 R1 (1.15) So s¸nh (1.15) víi (Ur = - RN U1 R1 trong trêng hîp lÝ tëng ) ta t×m ®îc sai sè do ®iÖn ¸p lÖch kh«ng g©y ra trªn ®Çu ra: Ur0 = (1+ RN )U 0 R1 (1.16) HÖ sè khuÕch ®¹i K , cña m¹ch cµng lín th× sai sè nµy cµng lín. Víi bé khuÕch ®¹i thuËn, sai sè ®ã còng ®îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc (1.16). Chó ý r»ng U0 cã thÓ lÊy dÊu bÊt k× tuú thuéc quan hÖ lín bÐ gi÷a IPvµ IN . Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 15 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu RN Uv R1 + Ur RN + R3 P + R2 - R1 R3 P R2 - a) Uv1 b) Ur + H×nh Uv2 R3 P 1.10. C¸c m¹ch bï lÖch kh«ng. R2 §Ó khö sai sè nµy c) dïng c¸c m¹ch bï diÓn h×nh biÓu diÔn trªn h×nh 1.10. ViÖc bï ®iÖn ¸p lÖch kh«ng ®îc thùc hiÖn theo nguyªn t¾c: m¾c mét trong hai ®Çu vµo cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n víi mét nguån ®iÖn ¸p biÕn ®æi ®Ó cã ®îc mét ®iÖn ¸p ®Æt lªn cöa nµy cã trÞ sè b»ng ®iÖn ¸p lÖch kh«ng vµ cã dÊu ngîc víi dÊu cña nã (-U0). M¹ch bï nh vËy ®îc biÓu diÔn trªn h×nh 1.10a vµ 1.10b. Trêng hîp cÇn ph¶i ®Ó trèng c¶ hai cöa vµo cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n th× m¾c m¹ch bï vµo mét cöa kh¸c cã liªn quan víi cöa vµo. H×nh 1.10c biÓu diÔn mét m¹ch bï nh vËy. Trong c¸c s¬ ®å trªn ph¶i chän R3 >> R2 ®Ó khái ¶nh hëng ®Õn qu¸ tr×nh lµm viÖc b×nh thêng cña m¹ch, thêng chän R2 ®Õn vµi tr¨m  , R3 ®Õn kho¶ng vµi tr¨m k  . ch¬ng 2. øng dông ®iÓn h×nh cña IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n op-amp 2.1. m¹ch läc tÝch cùc 2.1.1. Kh¸i niÖm Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 16 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu Tuú thuéc vµo d¶i tÇn sè cÇn truyÒn ®¹t, ngêi ta ph©n biÖt: m¹ch läc th«ng thÊp, m¹ch läc th«ng cao, m¹ch läc th«ng d¶i vµ m¹ch läc ch¾n d¶i. ë tÇn sè cao thêng dïng m¹ch läc thô ®éng RLC. ë tÇn sè thÊp c¸c m¹ch läc ®ã cã ®iÖn c¶m qu¸ lín, lµm cho kÕt cÊu cña nã nÆng nÒ vµ tèn kÐm, còng nh phÈm chÊt cña m¹ch gi¶m. V× vËy trong ph¹m vi tÇn sè tõ 0,1 ®Õn vµi MHz, ngêi ta dïng bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n vµ m¹ng RC, gäi lµ m¹ch läc tÝch cùc ®Ó läc. Kh¸c víi läc thô ®éng, m¹ch läc tÝch cùc ®îc ®Æc trng bëi ba th«ng sè: tÇn sè giíi h¹n fg , bËc cña bé läc vµ lo¹i bé läc. Kd (dB) 10 0 -10 1 -20 -30 2 -40 4 3 -50 -60 3 10 30 0,01 0,03 0,01 0,03 1  H×nh 2.1. §Æc tÝnh biªn ®é – tÇn sè cña m¹ch läc th«ng thÊp bËc bèn. 1- läc thô ®éng; 2- läc bessel; 3- läc Butterworth; 4- läc Tschebyscheff. TÇn sè giíi h¹n fg lµ tÇn sè mµ t¹i ®ã ®Æc tuyÕn biªn ®é - tÇn sè cña hµm truyÒn ®¹t gi¶m 3dB so víi hÖ sè truyÒn ®¹t ë tÇn sè trung t©m. BËc cña bé läc x¸c ®Þnh d¹ng cña ®Æc tuyÕn biªn ®é tÇn sè xung quanh tÇn sè giíi h¹n vµ trong khu vùc th«ng cña m¹ch läc. CÇn chó ý r»ng : m¹ch ®iÖn cña c¸c lo¹i bé läc th× gièng nhau, chóng chØ kh¸c ë gi¸ trÞ c¸c linh kiÖn RC mµ th«i. Ngêi ta quan t©m ®Õn ba lo¹i bé läc : läc Bessel, läc Butterworth, läc Tschebyscheff. §Æc tÝnh cña c¸c lo¹i bé läc ®ã ®îc minh ho¹ trªn h×nh 2.2. Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 17 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu Kd 1 1 2 3 4 0 t H×nh 2.2. §¸p øng xung cña m¹ch läc th«ng thÊp. 1- läc thô ®éng; 2- läc bessel; 2- Butterworth läc; 4- läc Tschebyscheff. M¹ch läc Butterworth (3) cã ®Æc tÝnh ph¼ng kÐo dµi vµ gÊp khóc tríc khi ®¹t ®îc tÇn sè giíi h¹n fg . M¹ch läc th«ng thÊp Tschebyscheff (4) cã ®é dèc lín nhÊt ë tÇn sè f > f g trong d¶i tÇn ®Æc tuyÕn kh«ng ph¼ng hoµn toµn mµ cã ®é gîn sãng nhÊt ®Þnh. ë tÇn sè f > fg ®Æc tuyÕn cµng dèc nÕu ®é gîn sãng trong d¶i th«ng cµng lín. M¹ch läc Bessel cã ®Æc tÝnh gi¶m ®Òu tõ khu vùc th«ng sang khu vùc ch¾n vµ cã ®¸p øng xung gÇn nh lÝ tëng (h×nh 2.2). Tuú yªu cÇu cô thÓ cã thÓ chän lo¹i m¹ch läc thÝch hîp. §Ó tiÖn xÐt c¸c lo¹i m¹ch läc, ®a vµo hµm truyÒn ®¹t tæng qu¸t cña mét m¹ch läc th«ng thÊp (2.1). Kd(P) = trong ®ã: P= p g Kd0 1  C1 P  C 2 P  C 3 P 3  ...  C n P n 2  j g  (2.1) jf  j fg Ci lµ c¸c hÖ sè thùc, d¬ng. BËc cña bé läc chÝnh lµ sè mò lín nhÊt cña P. §Ó cã thÓ thùc hiÖn ®îc bé läc ®ã mét c¸ch thuËn lîi, ngêi ta ph©n tÝch mÉu sè cña biÓu thøc (2.1) thµnh tÝch c¸c thõa sè, ta cã biÓu thøc míi. Kd(P) = Kd0  (1  ai p  bi p 2 ) i (2.2) Kd0 lµ hÖ sè truyÒn ®¹t ë tÇn sè thÊp. ai , bi lµ nh÷ng sè thùc d¬ng. Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 18 øng dông IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n trong thiÕt kÕ m¹ch läc tÝn hiÖu Víi bé läc bËc lÎ (n lÎ) th× cã mét hÖ sè cña b i = 0. Khi bi  0 th× hµm truyÒn ®¹t cã nh÷ng ®iÓm cùc phøc liªn hîp. M¹ch läc tÝch cùc sÏ thùc hiÖn c¸c kh©u läc nh vËy thay cho c¸c kh©u läc RLC. 2.1.2. M¹ch läc th«ng thÊp bËc hai H×nh 2.3a díi ®©y biÓu diÔn m¹ch läc th«ng thÊp håi tiÕp ©m mét vßng. §Ó tÝnh hµm truyÒn ®¹t, ta viÕt ph¬ng tr×nh dßng ®iÖn nót cho c¸c nót 1, 2 vµ 3. Gi¶i hÖ ph¬ng tr×nh ®ã ta sÏ nhËn ®îc hµm truyÒn ®¹t cña m¹ch läc håi tiÕp ©m mét vßng (2.3). Kd = Ur 1  2 Uv 1  2 P g RC1  P2 g R 2 C1C 2 (2.3). So s¸nh hÖ sè cña (2.3) víi (2.2), ta rót ra : Sinh viªn thùc hiÖn : Hoµng Minh §ång – Líp 44B Lý 19