Mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier hay Op-Amp) được sử dụng rộng rãi trong các mạch khuếch đại âm thanh, bên trong máy tính (ví dụ: DAC và ADC, v.v.), mạch khuếch đại công cụ (được sử dụng trong các cảm biến công nghiệp), mạch so sánh, mạch dao động, mạch lọc, mạch khuếch đại log và Antilog, mạch chuyển đổi V-I và I-V, mạch tích phân, mạch vi phân, bên trong IC định thời 555 dùng để tạo xung, v.v..
Bạn có bao giờ nghĩ về cấu trúc bên trong của một Op-Amp (IC 741) hay không? Làm thế nào nó được cấu hình để thực hiện các chức năng khác nhau như đã đề cập ở trên và các đặc tính của nó là gì. Tôi hy vọng rằng bài viết này sẽ cung cấp cho bạn một số kiến thức cơ bản khuếch đại thuật toán.
Như tên gọi của nó ngụ ý về khuếch đại thuật toán, bạn sẽ nghĩ gì về từ thuật toán? Nếu bạn đang nghĩ về các hoạt động toán học thì bạn đã đúng. Nó là một thiết bị ban đầu được thiết kế để thực hiện một hoạt động toán học (cộng, trừ, phân và vi phân) và để xử lý các tín hiệu tương tự. Với việc bổ sung các thành phần bên ngoài phù hợp, Op-Amp hiện đại có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng như đã đề cập ở trên. Nó cũng có thể được sử dụng để khuếch đại tín hiệu AC cũng như DC, từ AMPLIFIER dùng để chỉ tăng cường độ của tín hiệu.
Mạch khuếch đại thuật toán có độ lợi rất lớn gồm có 3 tầng phân biệt: tần khuếch đại vi sai ngõ vào, tầng khuếch đại điện áp và tầng khuếch đại tín hiệu ngõ ra. Op-amp về cơ bản là một cấu hình của transistor với giá trị điện trở phù hợp.
Giới thiệu tổng quan về IC 741
Năm 1965, Fairchild giới thiệu μA709 là một Op-Amp thế hệ đầu tiên. Nó có một số nhược điểm, đòi hỏi các linh kiện bên ngoài để bảo vệ nó. Nhược điểm là: không có bảo vệ ngắn mạch, vấn đề latch-up, vấn đề bù tần số đòi hỏi các linh kiện bên ngoài (2 tụ điện và một điện trở).
Năm 1968, Fairchild giới thiệu μA741 có bồi hoàn (bù) bên trong. Không giống như μA709, nó không có vấn đề về latch-up, được bảo vệ chống ngắn mạch và ổn định tần số. μA741 còn được gọi là Op-Amp thế hệ thứ hai.
Nhận dạng và sơ đồ chân của IC 741
Vì hiện nay có nhiều nhà sản xuất đang sản xuất IC Op-Amp 741. Làm thế nào chúng ta có thể xác định IC Op-Amp 741 được sản xuất bởi một nhà sản xuất cụ thể. Nhiều Op-Amp được xác định bằng cách sử dụng mã ID gồm bảy ký tự.
Thứ nhất, tiền tố (prefix) cho biết tên nhà sản xuất. Thứ hai, bộ miêu tả (designator) cho chúng ta hai điều: (i) số có ba chữ số xác định loại Op-Amp, (ii) chữ cái cuối cùng cho biết nhiệt độ hoạt động của một Op-Amp cụ thể. Thứ ba, hậu tố (suffix) chỉ ra loại vỏ (package) của IC đó.
Chân 7 và chân 4 được sử dụng làm chân cấp nguồn, chân 7 được nối với nguồn dương, chân 4 được nối với nguồn âm. IC có hai ngõ vào (một là ngõ vào đảo chân 2 và một ngõ vào không đảo chân 3). Chân 1 và chân 5 là các chân bù 0 (offset null), một biến trở (thường có giá trị 10k) được kết nối giữa các chân này để đặt ngõ ra về 0. Chân 8 không có kết nối với mạch bên trong của Op-Amp, nó được tạo ra để lấp đầy hoàn toàn IC có 8 chân tiêu chuẩn.
Mạch bên trong IC 741
Về cơ bản, IC Op-Amp 741 bao gồm 20 transistor BJT. Bây giờ để tìm hiểu về mạch bên trong, ta chia mạch thành các khối khác nhau.
- Khối mạch được viền màu xanh lam là một tầng mạch khuếch đại vi sai, có nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào.
- Các phần mạch được viền màu đỏ là các gương dòng điện.
- Khối mạch được viền bằng màu tím là một mạch khuếch đại lớp A (mạch khuếch đại điện áp)
- Khối mạch được viền bằng màu xanh lá cây và màu lục lam là mạch dịch mức và mạch khuếch đại ngõ ra (mạch khuếch đại lớp AB).
Bây giờ, chúng ta cùng tìm hiểu từng khối:
Mạch khuếch đại vi sai bao gồm một cặp transistor NPN Q1 và Q2 giống nhau, mắc theo kiểu mạch theo điện áp (emitter follower) cung cấp trở kháng đầu vào cao, phối hợp cùng với 2 transistor PNP giống nhau Q3 & Q4 được cấu hình để hoạt động như mạch khuếch đại B chung để kéo một tải tích cực là gương dòng điện Q5, Q6 và Q7. Q5 và Q6 là cặp transistor giống nhau và thực hiện chức năng của bộ khuếch đại vi sai cho tín hiệu bù không ở ngõ vào. Dòng điện của Q5 và Q6 được điều khiển bằng cách thay đổi biến trở 10k được kết nối giữa các chân ngõ vào 1 và 5. Các transistor Q1 và Q3 được ghép cascade nối tiếp và Q2 và Q4 cũng ghép cascade để có được độ lợi cao. Bộ khuếch đại vi sai cũng có khả năng loại bỏ các tín hiệu chung (tín hiệu nhiễu chung ở cả hai đầu vào).
Các gương dòng điện bao gồm (Q8-Q9) và (Q12-Q13) được cấu hình như gương dòng điện Wilson. Trong khi đó, các transistor Q10 – Q11 được cấu hình như gương dòng điện Widlar, các gương dòng điện này duy trì dòng tĩnh không đổi để mạch hoạt động ổn định.
Bộ khuếch đại loại A bao gồm hai transistor NPN Q15 và Q19 được cấu hình là cặp Darlington và cung cấp độ lợi áp, transistor Q22 được sử dụng để ngăn quá dòng điện cung cấp cho Q20 (transistor sink nhận dòng từ cực thu của cặp Darlington).
Transitor Q16 cùng với điện trở 4,5k và 7,5k được gọi là mạch dịch mức điện áp, mạch này sử dụng để ngăn tín hiệu đầu ra bị méo dạng. Mạch khuếch đại ở tầng đầu ra là một mạch khuếch đại đẩy kéo lớp AB (bao gồm Q14, Q17 và Q20). Q14 và Q20 là mạch khuếch đại bù lớp AB, cung cấp trở kháng đầu ra (thường là 50-75 Ohms) và cung cấp độ lợi dòng. Trong khi Q17 giới hạn dòng điện ở đầu ra.
Dòng điện từ gương dòng điện (Q8 và Q9) được chia thành mạch khuếch đại vi sai bao gồm (Q1-Q3) và (Q2-Q4). Dòng điện từ cực nền chung của các transistor (Q3 và Q4) được tổng hợp với dòng điện của gương dòng điện Widlar (Q10 và Q11), Q7 được sử dụng để lái Q5 và Q6. Dòng tĩnh của Q16 và Q19 được thiết lập bởi gương dòng điện Wilson (Q12 và Q13). Giá trị 30pF được sử dụng để bù tần số.
Cấu hình của Op-Amp (IC 741)
Hai cấu hình chính của khuếch đại thuật toán:
1) Cấu hình vòng hở: trong cấu hình này, IC 741 có thể được sử dụng làm một mạch khuếch đại với hệ số khuếch đại rất lớn. Trong mạch vòng hở, hệ số khuếch đại lý tưởng là vô cùng do đó ngõ ra sẽ bão hòa ở điện áp nguồn dương hoặc điện áp nguồn âm. Hệ thống vòng hở này có ba cấu hình cơ bản:
a) Mạch khuếch đại vi sai
b) Mạch khuếch đại đảo
c) Mạch khuếch đại không đảo
2) Cấu hình vòng kín: trong cấu hình này, mạch được kết nối dưới dạng hồi tiếp âm. Mạng hồi tiếp thông qua một điện trở.
a) MẠCH KHUẾCH ĐẠI KHÔNG ĐẢO: Tín hiệu được đưa vào ngõ vào không đảo. Độ lợi có thể được tính bằng cách sử dụng giá trị của điện trở. RF là điện trở hồi tiếp.
Av= 1 + (R2 / R1)
b) MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẢO: Tín hiệu được đưa vào ngõ vào đảo.
Av= – (R2 / R1)
c) MẠCH KHUẾCH ĐẠI VI SAI: Tín hiệu được đưa vào cả hai ngõ vào, mạch sẽ khuếch đại sự khác biệt của tín hiệu ở hai ngõ vào này.
d) MẠCH ĐỆM (VOLTAGE FOLLOWER) : Đó là một sự sắp xếp sử dụng mạch khuếch đại không đảo, trong trường hợp này thay vì đưa ra hồi tiếp thông qua một điện trở, chúng ta nối tắt điện trở hồi tiếp R2 và bỏ R1. Độ lợi của mạch hồi tiếp sẽ giảm xuống (Av = 1), mạch này được sử dụng làm mạch đệm. Ở mạch này, tín hiệu đầu ra bằng với tín hiệu đầu vào. Ví dụ, được sử dụng trong bộ khuếch đại thiết bị, để thu tín hiệu rất nhỏ (tức là tính bằng mV) từ một transducer.
Các đặc tính của IC 741
Dòng điện phân cực ngõ vào
Vì Op-Amp bao gồm các transistor BJT, mạch khuếch đại vi sai đòi hỏi dòng điện phân cực DC để hoạt động ổn định. Giá trị của dòng điện phân cực tĩnh DC rút bởi Op-Amp được gọi là giá trị định mức dòng điện phân cực ngõ vào.
uA741 có giá trị dòng điện phân cực ngõ vào định mức nằm trong khoảng từ 80nA (điển hình) đến 500nA (tối đa). Dòng điện phân cực ngõ vào là giá trị trung bình của hai dòng nền ngõ vào.
I(bias) = ( I(b1) + I(b2) ) / 2
Dòng điện bù ngõ vào (Input Offset Voltage)
Sự khác biệt giữa dòng điện ngõ vào đảo và ngõ vào không đảo được gọi là dòng điện bù ngõ vào. Nó cho chúng ta biết dòng điện ở một ngõ vào lớn hơn dòng điện ở ngõ vào còn lại như thế nào. Thông thường IC 741 dòng điện này có giá trị tiêu biểu là 20nA.
Dòng điện offset càng nhỏ thì Op-Amp càng tốt.
I(b1)= dòng điện ngõ vào không đảo
I(b2)= dòng điện ngõ vào đảo
I(io)= | I(b1) – I(b2) |
Điện áp bù ngõ vào (Input Offset Voltage)
Điện áp này được đưa vào giữa hai ngõ vào để làm cho ngõ ra của Op-Amp bằng 0. 741 có điện áp offset đầu vào trong trường hợp xấu nhất là 5mV.
Tốc độ quét (Slew Rate)
Tốc độ thay đổi xác định tần số tối đa được đưa vào ngõ vào để ngăn tín hiệu ngõ ra không bị biến dạng. 741 có tốc độ thay đổi 0,5 volt mỗi micrô giây (V /us). Nó được đo bằng cách đưa một xung sử dụng máy phát xung ở ngõ vào trong khi kết nối các kênh của máy hiện sóng ở ngõ vào và ngõ ra (đặt dao động ở chế độ kép). Đây là một tham số rất quan trọng.
Tải ngõ ra
IC 741 yêu cầu tải ở đầu ra lớn hơn 2 kΩ. Nó có trở kháng đầu vào khoảng 2 MΩ và trở kháng đầu ra trong khoảng 50-75 Ω. Hệ số khuếch đại của nó khoảng 200.000 với các tín hiệu có tần số thấp.
Đáp ứng tần số
Trong mạch vòng hở, Op-Amp 741 có hệ số khuếch đại rất lớn, đáp ứng này không tốt lắm. Để cải thiện hệ số khuếch đại, chúng ta sử dụng mạch hồi tiếp âm, bằng cách sử dụng mạch hồi tiếp âm, hệ số khuếch đại bắt đầu giảm đi đáng kể, bằng cách sử dụng nhiều hồi tiếp âm hơn, băng thông sẽ trở nên rộng hơn. (băng thông là dải tần số mà op-amp sẽ hỗ trợ).
great.