Bài 3: Phản hồi & ổn định chế độ làm việc

Ví dụ, ngay sau khi dùng xong một món có nhiều đường làm cho nồng độ đường trong máu sẽ tăng lên. Để xử lý hiện tượng này người ta tiêm vào máu một liều INSULIN kích thích sự tích tụ đường trong máu làm nồng độ đường trong máu giảm xuống. Hiện tượng này gọi là phản hồi âm?

Như vậy nhờ vào phản hồi âm ta có thể lựa chọn được hệ số khuếch đại của mạch thông qua việc hiệu chỉnh các giá trị điện trở xung quanh Op-Amps. Tuỳ vào tính chất mạch, người ta sẽ chỉnh định lại các thông số của các linh kiện để đưa Op-Amps vào vùng làm việc tương ứng. Điều này tương tự như khi phân cực transistor.

2. Bổ chính điện áp lệch

a. Điện áp lệch không

Trong Op-Amps lý tưởng khi ΔV_in=0 thì V_out=0. Nhưng với Op-Amps thực tế thì không được như vậy. Do các linh kiện bện trong mạch không hoàn toàn đối xứng, ảnh hưởng lớn nhất trong op-amps đó là mạch khuếch đại vi sai ở ngõ vào nên lúc này ngõ ra vẫn xuất hiện một điện áp khác 0, gọi là điện áp lệch không ngõ ra V_offset (output offset voltage).

b. Bổ chính điện áp lệch không

Để điều chỉnh lại điện áp ngõ ra giống như Op-Amps lý tưởng, người ta đặt một điện áp nhỏ giữa hai ngõ vào sao cho khi ΔV_in=0 thì V_out=0.

Đối với một số vi mạch có sẵn chân hai chân đưa ra để hiệu chỉnh (thường là Nullhay Offset) cho phép mắc thêm vào một biến trở để hiệu chỉnh điện áp lệch ngõ vào. Minh hoạ trên hình sau

Với các vi mạch không có hai chân trên, ta có thể mắc thêm mạch chỉnh bên ngoài như hình

R₁ phải lớn hơn nhiều lần so với R₂ nhằm tránh sự phân dòng qua R₁.

3. Bổ chính dòng lệch

a. Dòng phân cực ngõ vào và dòng lệch không

Trong Op-Amps lý tưởng, do tổng trở ngõ vào vô cùng lớn do đó dòng phân cực ngõ vào bằng 0. Nhưng với Op-Amps thực tế thì không được như vậy, dòng điện ngõ vào vẫn tồn tại khá nhỏ (hàng trăm nA). Mặt khác do các linh kiện bện trong mạch không hoàn toàn đối xứng nên giá trị hai dòng này cũng không bằng nhau và lượng chênh lệch giữa chúng được gọi là dòng chênh lệch ngõ vào (input offset current). Minh hoạ qua hình sau

Hình a                                                 Hình b

Hình a trình bày áp lệch ngõ ra do I_ib^– gây ra và hình b đưa thêm dòng I_ib⁺ nhằm bù lại áp lệch 0 do I_ib^– gây ra.

b. Biện pháp bổ chính

Khi lắp vào đầu vào không đảo một điện trở R, dòng phân cực I_ib⁺ tạo ra một sụt áp là V_R=R.I_ib⁺ . Chọn R sao cho điện áp này bù được áp lệch ngõ ra do I_ib^– gây ra. Tính toán theo điều kiện I_ib^– = I_ib⁺, ta được:

R = R_F // R_in

4. Bổ chính common Mode

Với op-amps lý tưởng điện áp common mode (V_cm) bằng không do mạch chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào. Nhưng op-amps thực tế thì không như vậy, ta có thể kiểm tra điện áp common mode qua mạch điện sau

Với nguồn V_in có biên độ 1VAC, thay đổi tần số nguồn theo tần số làm việc của mạch khuếch đại. Do hệ số nén tín hiệu kiểu chung (CMRR) ổn định ở 80 đến 100 dB, nên với biên độ tín hiệu ngõ ra (chính là V_cm) < 10μV là đạt. Với Op-Amps thực tế điện áp này luôn hiện hữu và không phải là hằng khi tần số làm việc thay đổi trong khoảng rộng. Để giảm thiểu giá trị V_cm có thể thực hiện theo nhiều cách, cách đơn giản thực hiện như hình sau

Giá trị của RCM1 và RCM2 phải đủ lớn để không ánh hưởng bởi tổng trở vào của Op-Amps. Với một số op-amps chuyên dụng, người ta trang bị thêm các mạch triệt giảm common mode ngay bên trong vi mạch, ví dụ với vi mạch LH0026 có thể mắc thêm mạch triệt giảm common mode như sau

Ở đây nguồn v_CM được chọn có biên độ là 1V và tần số nằm trong vùng tần số làm việc của mạch khuếch đại, sau khi cấp nguổn chỉnh lại giá trị của R₃ sao cho v_out = 0V là được.

Ngoài ra còn có một số phương thức triệt giảm common mode khác triệt bỏ điện áp này ngay từ nguồn tín hiệu vào minh hoạ qua hình

Sử dụng hai cuộn dây cảm ứng cùng thông số và mắc hỗ cảm với nhau như hình c. Dòng tín hiệu (không đồng pha) có thể qua dễ dàng (do XL=L.ω rất nhỏ) minh hoạ trên hình a, nhưng khi tín hiệu C.M đi qua sẽ bị dòng cảm ứng của chính nó trừ khửhình b.

Cách lắp cuộn dây triệt giảm C.M và đặc tuyến triệt giảm như hình sau

Các dạng cuộn dây C.M được chế tạo để triệt giảm C.M hiện có trên thị trường

5. Bổ chính tần số

a. Đặc tính biên độ – tần số

Trong thực tế, khi khuếch đại tín hiệu xoay chiều độ lợi A sẽ tỉ lệ nghịch với tần số tín hiệu cần khuếch đại, minh họa các đặc tuyến biên tần của các op-amps 741, 748, 739 khi khuếch đại vòng hở như hình sau

Điều này có nghĩa op-amps không khuếch đại được khi tần số nguồn tín hiệu ở ngõ vào quá cao. Điều này có thể lý giải dễ dàng do điện dung ký sinh của các transistor và các điện trở trong mạch tạo thành các mạch lọc thông thấp, minh hoạ qua hình

Ở đây xét một op-amps lý tưởng có ngõ vào là một mạch khuếch đại vi sai (KĐVS) có hệ số khuếch đại A=A₀ (hệ số khuếch đại vòng hở); Các khâu +1 và mạch RC đặc trưng cho điện trở và điện dung tạp tán của mạch (các khâu +1 đặc trưng cho khâu ghép điện không phụ thuộc vào tần số và có hệ số truyền đạt bằng 1). Từ đây có thể tính được hệ số khuếch đại:

Với  f_α1 , f_α2 , f_α3  là tần số tới hạn của 3 khâu lọc thông thấp.

Từ công thức này có thể thấy khi tần số tăng thì góc lệch pha giữa ngõ ra và ngõ vào sẽ tăng theo, khi góc lệch pha này đạt đến 180 độ thì có thể xảy ra hiện tượng dao động (nếu thoả thêm điều kiện về biên độ). Như vậy mạch khuếch đại sử dụng op-amps sẽ dạo động khi tần số nguồn tín hiệu vào đạt đến một giá trị tần số nào đó ® mạch bất ổn.

b. Các biện pháp bù đặc tuyến tần số (bù pha)

Độ dự trữ về biên độ và pha càng lớn thì hệ thống càng ổn định. Nhưng do hai thông số này liên quan chặc chẽ với nhau nên trong thực tế chỉ cần xét một trong hai tham số là đủ. Thông thường người ta sử dụng hệ số dự trữ về pha.

Với bộ khuếch đại có mạch hồi tiếp âm không phụ thuộc tần số nghĩa là mạch hồi tiếp không gây ra một góc lệch pha nào, thì độ dự trữ chỉ cần 45 độ là đủ. Nhưng khi mạch hồi tiếp không phải là thuần trở, nghĩa là có làm lệch pha thì yêu cầu dự trữ về pha phải lớn hơn (thậm chí có khi người ta chọn đến 90 độ).

Về nguyên tắc, bù tần số hay còn gọi là bù pha thực chất là làm thay đổi đặc tính tần số của hệ số khuếch đại vòng kín sao cho |A_v|=|A₀.A_feedback|<1 trước khi góc lệch pha φ = −180 độ. Để thực hiện được điều này, có thể thay đổi A₀ gọi là bù trong hay A_feedback gọi là bù ngoài còn thay đổi cả A₀ và A_feedback gọi là bù hổn hợp. Thông thường người ta cho bù trong vì khi thay đổi A₀ sẽ ít ảnh hưởng đến hàm truyền chung của mạch khuếch đại có hồi tiếp.

Các mạch bù có thể mắc ở ngõ ra, ngõ vào hay giữa các tầng khuếch đại op-amps như hình

Tuỳ vào đặc tuyến truyền đạt của các mạch bù người ta tạo ra nhiều dạng mạch bù khác nhau, các mạch bù có tính chất chung là làm giảm độ dốc của đặc tính biên độ theo tần số của hệ số khuếch đại xung quanh tần số cắt f_c, nghĩa là giảm góc lệch pha tại thời điểm có khả năng xảy ra dao động (|A₀.A_feedback|=1). Cụ thể các dạng mạch bù là