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 độ nhay cho Op-Amps. Trong tẩng này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra.

– Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, tần này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp Op-Amps phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau.

Op-Amps thực tế vẫn có một số khác biệt so với Op-Amps lý tưởng. Nhưng để dễ dàng trong việc tính toán trên Op-Amps người ta thường tính trên Op-Amps lý tưởng, sau đó dùng các biện pháp bổ chính (bù) giúp Op-Amps thực tế tiệm cận với Op-Amps lý tưởng. Do đó để thuận tiện cho việc trình bày nội dung trong chương này có thể hiểu Op-Amps nói chung là Op-Amps lý tưởng sau đó sẽ thực hiện việc bổ chính sau.

2. Nguyên lý làm việc

Dựa vào ký hiệu của Op-Amps ta có đáp ứng tín hiệu ngõ ra V_o theo các cách đưa tín hiệu ngõ vào như sau:

– Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass: V_out = A_v0.V₊

– Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo, ngõ vào đảo nối mass: V_out = A_v0.V_–

– Đưa tín hiệu vào đổng thời trên hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với mass): V_out= A_v0.(V₊-V_–) = A_v0.(ΔV_in)

Để việc khảo sát mang tính tổng quan, xét trường hợp tín hiệu vào vi sai so với mass (lúc này chỉ cần cho một trong hai ngõ vào nối mass ta sẽ có hai trường hợp kia). Op-Amps có đặc tính truyền đạt như hình sau

Trên đặc tính thể hiện rõ 3 vùng:

– Vùng khuếch đại tuyến tính: trong vùng này điện áp ngõ ra V_o tỉ lệ với tín hiệu ngõ vào theo quan hệ tuyến tính. Nếu sử dụng mạch khuếch đại điện áp vòng hở (Open Loop) thì vùng này chỉ nằm trong một khoảng rất bé.

– Vùng bão hoà dương: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở +V_cc.

– Vùng bão hoà âm: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở -V_cc.

Trong thực tế, người ta rất ít khi sử dụng Op-Amps làm việc ở trạng thái vòng hở vì tuy hệ số khuếch đại áp A_v0 rất lớn nhưng tầm điện áp ngõ vào mà Op-Amps khuếch đại tuyến tính là quá bé (khoảng vài chục đến vài trăm micro Volt). Chỉ cần một tín hiệu nhiễu nhỏ hay bị trôi theo nhiệt độ cũng đủ làm điện áp ngõ ra ở ±V_cc.Do đó mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ dùng trong các mạch tạo xung, dao động. Muốn làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính người ta phải thực hiện việc phản hồi âm nhằm giảm hệ số khuếch đại vòng hở A_v0 xuống một mức thích hợp. Lúc này vùng làm việc tuyến tính của Op-Amps sẽ rộng ra, Op-Amps làm việc trong chế độ này gọi là trạng thái vòng kín (Close Loop).

3. Nguồn cung cấp

Op-Amps không phải lúc nào cũng đòi hỏi phải cung cấp một nguồn ổn áp đối xứng ±15VDC, nó có thể làm việc với một nguồn không đối xứng có giá trị thấp hơn (ví dụ như +12VDC và -3VDC) hay thậm chí với một nguồn đơn +12VDC. Tuy nhiên việc thay đổi về cấu trúc nguồn cung cấp cũng làm thay đổi một số tính chất ảnh hưởng đến tính đối xứng của nguồn như Op-amps sẽ không lấy điện áp tham chiếu (reference) là mass mà chọn như hình sau:

Mặc dù nguồn đơn có ưu điểm là đơn giản trong việc cung cấp nguồn cho op-amps nhưng trên thực tế rất nhiều mạch op-amps được sử dụng nguồn đôi đối xứng.

4. Phân cực cho op-amps làm việc với tín hiệu ac

Cũng như mạch khuếch đại nối tầng RC, các op-amps dùng trong khuếch đại tín hiệu ac cần có tụ liên lạc để tránh ảnh hưởng của thành phần dc giữa các tầng khuếch đại. Dưới đây là sơ đồ một mạch khuếch đại âm tần có độ lợi 40dB Sử dụng nguồn đơn.

5. Mạch so sánh và Schmitt Trigger

Hai dạng mạch này có một điểm chung là được phân cực để làm việc ở vùng bão hoà. Tuy nhiên giữa chúng vẫn có những điểm khác biệt.

a. Mạch so sánh

Mạch so sánh tận dụng tối đa hệ số khuếch đại vòng hở trong op-amps (tối thiểu khoảng 100 000 lần) và được chế tạo thành những vi mạch chuyên dụng (comparators) như LM339, LM306, LM311, LM393, NE527, TLC372 … Các VI MẠCH NÀY ĐƯỢC THIẾT KẾ ĐỂ ĐÁP ỨNG RẤT NHANH THEO SỰ THAY ĐỔI CỦA TÍN HIỆU VÀO (Slew rate khoảng vài ngàn volt/microsecond). Tuy nhiên với đáp ứng cực nhanh như vậy đôi lúc dẫn đến những phiền toái, ví dụ trong mạch điện sau

Rõ ràng tín hiệu ngõ ra bị dao động mỗi khi chuyển trạng thái, điều này rất nguy hiểm cho các mạch phía sau. Để khắc phụ nhược điểm trên người ta sử dụng mạch Schmitt Trigger.

b. Mạch Schmitt Trigger

Mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh có phản hồi như hình sau

Lúc này do v_in so sánh với tín hiệu ngõ vào v₊ là điện thế trên mạch phân áp R₄-R₂, nên theo sự biến thiên giữa hai mức điện áp của v_out, mạch Schmitt Trigger cũng có hai ngưỡng so sánh là V_H và V_L.

Qua hình trên ta nhận thấy, mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh v_in theo hai ngưỡng V_H và V_L. Khi điện áp v_in vượt qua V_H thì giá trị của v_out là 0V và khi v_in thấp hơn V_L thì vout sẽ ở +V_cc (nghĩa là có sự đảo pha). Để minh hoạ trực quan cho dạng mạch này người ta thường sử dụng ký hiệu

Mạch Schmitt Trigger còn có một dạng ký hiệu khác ngược chiều với ký hiệu trên khi ta thay đổi cực tính ngõ vào v_in, lúc này v_in và v_out sẽ đồng pha.