Giải thích chi tiết về Mạch khuếch đại thuật toán là gì ?

Khuếch đại thuật toán (op amp) là gì?

Khuếch đại thuật toán (op amp) là một khối mạch analog nhận đầu vào điện áp vi sai và tạo ra đầu ra điện áp một chiều. Op amp thường có ba đầu cực: hai đầu vào trở kháng cao và một đầu ra trở kháng thấp. Đầu vào đảo pha được ký hiệu bằng dấu trừ (-), và đầu vào không đảo pha sử dụng dấu cộng (+). Khuếch đại thuật toán hoạt động để khuếch đại hiệu điện áp giữa các đầu vào, điều này hữu ích cho nhiều chức năng analog bao gồm chuỗi tín hiệu, nguồn và ứng dụng điều khiển.

Phân loại Khuếch đại Thuật toán

Có bốn cách để phân loại khuếch đại thuật toán:

• Khuếch đại điện áp nhận đầu vào điện áp và tạo ra điện áp đầu ra.
• Khuếch đại dòng điện nhận đầu vào dòng điện và tạo ra đầu ra dòng điện.
• Khuếch đại dẫn suất chuyển đổi đầu vào điện áp thành đầu ra dòng điện.
• Khuếch đại điện trở chuyển đổi đầu vào dòng điện và tạo ra đầu ra điện áp.

Vì hầu hết op amp được sử dụng để khuếch đại điện áp, bài viết này sẽ tập trung vào khuếch đại điện áp.

Khuếch đại Thuật toán: Đặc tính và Tham số Chính

Có nhiều đặc tính và tham số quan trọng khác nhau liên quan đến op amp (xem Hình 1). Các đặc tính này được mô tả chi tiết hơn bên dưới.

Độ lợi vòng hở

Độ lợi vòng hở (“A” trong Hình 1) của một khuếch đại thuật toán là thước đo độ lợi đạt được khi không có phản hồi được thực hiện trong mạch. Điều này có nghĩa là đường phản hồi, hoặc vòng, đang mở. Độ lợi vòng hở thường phải rất lớn (10.000+) để có ích lợi trong chính nó, ngoại trừ với các bộ so sánh điện áp. Bộ so sánh điện áp so sánh các điện áp đầu vào. Ngay cả với hiệu điện áp nhỏ, bộ so sánh điện áp có thể đẩy đầu ra đến giá trị dương hoặc âm cực đoan. Độ lợi vòng hở cao là có lợi trong cấu hình vòng khép kín, vì chúng cho phép hành vi mạch ổn định trước nhiệt độ, quá trình và biến đổi tín hiệu.

Trở kháng đầu vào

Một đặc tính quan trọng khác của op amp là chúng thường có trở kháng đầu vào cao (“ZIN” trong Hình 1). Trở kháng đầu vào được đo giữa các đầu cực đầu vào âm và dương, và giá trị lý tưởng của nó là vô cùng, điều này giảm thiểu tải cho nguồn. (Trên thực tế, có một dòng rò rỉ nhỏ.) Sắp xếp mạch xung quanh một khuếch đại thuật toán có thể thay đổi đáng kể trở kháng đầu vào hiệu dụng cho nguồn, vì vậy các thành phần bên ngoài và vòng phản hồi phải được cấu hình cẩn thận. Điều quan trọng cần lưu ý là trở kháng đầu vào không chỉ được xác định bởi điện trở DC đầu vào. Tụ điện đầu vào cũng có thể ảnh hưởng đến hành vi mạch, vì vậy điều này cũng phải được xem xét.

Trở kháng đầu ra

Một khuếch đại thuật toán lý tưởng có trở kháng đầu ra bằng 0 (“ZOUT” trong Hình 1). Tuy nhiên, trở kháng đầu ra thường có một giá trị nhỏ, xác định lượng dòng điện nó có thể đẩy, và khả năng hoạt động tốt như một bộ đệm điện áp.

Đáp ứng tần số và băng thông (BW)

Một op amp lý tưởng sẽ có băng thông vô hạn (BW), và có thể duy trì độ lợi cao bất kể tần số tín hiệu. Tuy nhiên, tất cả các khuếch đại thuật toán đều có băng thông hữu hạn, thường được gọi là điểm “-3dB”, nơi độ lợi bắt đầu giảm khi tần số tăng lên. Độ lợi của khuếch đại sau đó giảm với tốc độ -20dB/thập kỷ khi tần số tăng lên. Op amp có BW cao hơn có hiệu suất cải thiện vì chúng duy trì độ lợi cao hơn ở tần số cao hơn; tuy nhiên, độ lợi cao hơn này dẫn đến tiêu thụ điện năng lớn hơn hoặc chi phí tăng lên.

Tích số Độ lợi-Băng thông (GBP)

Như tên gọi, GBP là tích của độ lợi và băng thông của khuếch đại. GBP là một giá trị hằng số trên đường cong, và có thể được tính bằng Phương trình (1):

GBP được đo tại điểm tần số mà độ lợi của khuếch đại thuật toán đạt đến đơn vị. Điều này hữu ích vì nó cho phép người dùng tính toán độ lợi vòng hở của thiết bị ở các tần số khác nhau. GBP của một khuếch đại thuật toán thường là thước đo hiệu suất và tính hữu ích của nó, vì op amp có GBP cao hơn có thể được sử dụng để đạt hiệu suất tốt hơn ở tần số cao hơn.

Đây là các tham số chính cần xem xét khi chọn một khuếch đại thuật toán trong thiết kế của bạn, nhưng còn nhiều cân nhắc khác có thể ảnh hưởng đến thiết kế của bạn, tùy thuộc vào ứng dụng và nhu cầu hiệu suất. Các tham số thông thường khác bao gồm điện áp offset đầu vào, nhiễu, dòng điện nghỉ và điện áp nguồn.

Phản hồi Âm và Độ lợi Vòng khép kín

Trong một khuếch đại thuật toán, phản hồi âm được thực hiện bằng cách lấy một phần tín hiệu đầu ra thông qua một điện trở phản hồi bên ngoài và đưa trở lại đầu vào đảo pha (xem Hình 3).

Phản hồi âm được sử dụng để ổn định độ lợi. Bằng cách sử dụng phản hồi âm, độ lợi vòng khép kín có thể được xác định thông qua các thành phần phản hồi bên ngoài có thể có độ chính xác cao hơn so với các thành phần bên trong của khuếch đại thuật toán. Điều này là do các thành phần bên trong của op amp có thể thay đổi đáng kể do sự dịch chuyển quá trình, thay đổi nhiệt độ, thay đổi điện áp và các yếu tố khác. Độ lợi vòng khép kín có thể được tính bằng Phương trình (2):

Ưu điểm và Hạn chế của Khuếch đại Thuật toán

Có nhiều lợi thế khi sử dụng khuếch đại thuật toán. Khuếch đại thuật toán thường đến dưới dạng IC, và có sẵn rộng rãi, với vô số mức hiệu suất có thể lựa chọn để đáp ứng mọi nhu cầu ứng dụng. Op amp có phạm vi sử dụng rộng, và do đó là một khối xây dựng chính trong nhiều ứng dụng analog – bao gồm thiết kế bộ lọc, bộ đệm điện áp, mạch so sánh, và nhiều ứng dụng khác. Ngoài ra, hầu hết các công ty đều cung cấp hỗ trợ mô phỏng, chẳng hạn như mô hình PSPICE, để các nhà thiết kế xác nhận thiết kế khuếch đại thuật toán của họ trước khi xây dựng thiết kế thực.

Những hạn chế khi sử dụng khuếch đại thuật toán bao gồm việc chúng là mạch analog, và đòi hỏi một nhà thiết kế hiểu các nguyên lý cơ bản về analog như tải, đáp ứng tần số và ổn định. Không phải là hiếm khi thiết kế một mạch op amp đơn giản, chỉ để bật nó lên và thấy rằng nó đang dao động. Do một số tham số chính đã đề cập trước đó, nhà thiết kế phải hiểu cách những tham số đó ảnh hưởng đến thiết kế của họ, điều này thường có nghĩa là nhà thiết kế phải có kinh nghiệm thiết kế analog từ mức độ vừa phải đến cao.

Các Cấu hình Khuếch đại Thuật toán khác nhau

Có một số mạch op amp khác nhau, mỗi mạch khác nhau về chức năng. Các cấu hình phổ biến nhất được mô tả dưới đây.

Bộ theo dõi điện áp

Mạch khuếch đại thuật toán cơ bản nhất là bộ theo dõi điện áp (xem Hình 4). Mạch này thường không yêu cầu thành phần bên ngoài, và cung cấp trở kháng đầu vào cao và trở kháng đầu ra thấp, làm cho nó trở thành bộ đệm hữu ích. Vì điện áp đầu vào và đầu ra bằng nhau, những thay đổi đối với đầu vào sẽ tạo ra những thay đổi tương đương đối với điện áp đầu ra.

Khuếch đại điện áp là loại op amp phổ biến nhất được sử dụng trong các thiết bị điện tử, chúng tăng biên độ điện áp đầu ra. Cấu hình đảo pha và không đảo pha là hai cấu hình khuếch đại phổ biến nhất. Cả hai tôpô này đều ở chế độ vòng khép kín (có nghĩa là có phản hồi từ đầu ra trở lại các đầu cực đầu vào), và do đó độ lợi điện áp được đặt bởi tỷ lệ của hai điện trở.

Khuếch đại thuật toán đảo pha

Trong khuếch đại thuật toán đảo pha, op amp buộc đầu cực âm bằng đầu cực dương, thường là đất. Do đó, dòng điện đầu vào được xác định bởi tỷ lệ VIN / R1 (xem Hình 5).

Trong cấu hình này, cùng một dòng điện chảy qua R2 đến đầu ra. Lý tưởng, dòng điện không chảy vào đầu cực âm của khuếch đại thuật toán do trở kháng đầu vào cao ZIN của nó. Dòng điện chảy từ đầu cực âm qua R2 tạo ra điện áp đảo pha so với VIN. Đây là lý do tại sao các op amp này được gọi là cấu hình đảo pha. Lưu ý rằng đầu ra của op amp chỉ có thể dao động giữa các đường nguồn dương và âm của nó, vì vậy để tạo ra điện áp đầu ra âm, cần một op amp có đường nguồn âm. VOUT có thể được tính bằng Phương trình (3):

Khuếch đại thuật toán không đảo pha

Trong một mạch khuếch đại không đảo pha, tín hiệu đầu vào từ nguồn được kết nối với đầu cực không đảo pha (+) (xem Hình 6).

Khuếch đại thuật toán buộc điện áp tại đầu cực đảo pha (-) bằng điện áp đầu vào, điều này tạo ra dòng điện chảy qua các điện trở phản hồi. Điện áp đầu ra luôn cùng pha với điện áp đầu vào, đây là lý do tôpô này được gọi là không đảo pha. Lưu ý rằng với khuếch đại không đảo pha, độ lợi điện áp luôn lớn hơn 1, điều này không phải lúc nào cũng xảy ra với các cấu hình đảo pha. VOUT có thể được tính bằng Phương trình (4):

Bộ so sánh điện áp

Một bộ so sánh điện áp khuếch đại thuật toán so sánh các điện áp đầu vào, và đẩy đầu ra đến đường nguồn của bất kỳ đầu vào nào cao hơn. Cấu hình này được coi là hoạt động vòng hở vì không có phản hồi. Bộ so sánh điện áp có lợi thế hoạt động nhanh hơn các tôpô vòng khép kín đã thảo luận ở trên (xem Hình 7).

Cách Chọn Khuếch đại Thuật toán cho Ứng dụng cụ thể

Phần dưới đây thảo luận về một số cân nhắc khi chọn khuếch đại thuật toán phù hợp cho ứng dụng của bạn. Trước tiên, hãy chọn một op amp có thể hỗ trợ dải điện áp hoạt động dự kiến của bạn. Thông tin này có thể được tìm thấy bằng cách xem xét điện áp nguồn của khuếch đại. Điện áp nguồn có thể là VDD (+) và đất (nguồn đơn), hoặc khuếch đại có thể hỗ trợ cả nguồn dương và âm. Nguồn âm hữu ích nếu đầu ra cần hỗ trợ điện áp âm.

Thứ hai, hãy xem xét GBP của khuếch đại. Nếu ứng dụng của bạn cần hỗ trợ tần số cao hơn, hoặc yêu cầu hiệu suất cao hơn và giảm méo, hãy xem xét các op amp có GBP cao hơn. Một người cũng nên xem xét công suất tiêu thụ, vì một số ứng dụng có thể yêu cầu hoạt động tiết kiệm năng lượng. Yêu cầu công suất khuyến nghị thường có thể được tìm thấy trong tài liệu dữ liệu của linh kiện, và thường được liệt kê là dòng nguồn và công suất tiêu thụ. Công suất tiêu thụ cũng có thể được ước tính từ tích của dòng nguồn và điện áp nguồn. Nhìn chung, các op amp có dòng nguồn thấp hơn có GBP thấp hơn, và tương ứng với hiệu suất mạch thấp hơn.

Đối với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao hơn, nhà thiết kế nên đặc biệt chú ý đến điện áp offset đầu vào của khuếch đại, vì điện áp này dẫn đến sự dịch chuyển trong điện áp đầu ra của khuếch đại.