KHUẾCH ĐẠI VI SAI KHUÉCH ĐẠI THUẬT TOÁN
3.2. MẠCH KHUẾCH ĐẠI VI SAI
3.2.1. Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động
- Khuếch đại vi sai (KĐVS) là mạch khuếch đại một chiều có kết cấu đối xứng. Cấu trúc điển hình của một tầng KĐVS được cho như Hình 3.1.
Tầng KĐVS làm việc theo nguyên lý cầu cân bằng. Hai nhánh của cầu là 2 điện trở Rci và Rc2, còn 2 nhánh kia là 2 BJT Qi và Q2. Mạch được thiết kế sao cho Rf-1 = Rc2, 121
Rb i = Rb2, Qi và Q2 có các thông số giống hệt nhau. Nguồn cung cấp của KĐVS là các nguồn lưỡng cực đối xứng cho phép tạo ra ở các cực Base thế ov.
M ạch có 2 ngõ vẳ ở Base vă 2.ngõ ra ờ Collector của câc BJT. Tín hiệu văo có thể đặt giữa các Base với đất (kiểu vào bất đối-xứng) hoặc giữa các Base với nhau (kiểu vào đối xứng). Tín hiệu ra có thể lấy ở Collector'với đất (kiểu ra bất đổi xứng) hoặc lấy giữa các Collector với nhau (kiểu ra đối xứng).
- Khi chưa có tín hiệu vào (Uvdi = Uvd2 = 0), do 2 vế của mạch đối xứng nên cầu cân bằng, điện áp ra trên 2 Collector bằng nhau nên U r = Uci - ƯC2 = 0.
Khi có các tín hiệu vào, giả sử Uvdi tăng, Uvd2 không đổi, Ici và Iei tăng, làm cho Uci giảm (một lượng - A U c ) và ƯE1 tăng. Vì Uvd2 không đổi, ƯE2 = ƯE1 tăng nên ƯBE2 giảm làm cho Ic2 và ỈE2
giảm, khiến ƯC2 tăng ( + A U c ) . Điện áp ra biến thiên một lượng |2 A U c |. Đặc biệt, khi Uvdi và Uvd2
biến thiên theo 2 hướng ngược nhau (U v d i, Uvd2 ngược pha), biến thiên điện áp ra tăng lên gấp bội. Ngược lại, nếu Uvdi và Uvd2 biến đổi cùng chiều (U v d i, Uvd2 đồng pha), điện áp ra trên các Collector cùng biến thiên như nhau nên U r = 0,
giống như trạng thái tĩnh. Hình 3.1. Câu trúc điên hình của KĐVS Như vậy, KĐVS có đặc điểm là rất nhạy với các tín hiệu biến đổi ngược pha giữa 2 lối vào, trong khi gần như không phản ứng với các tín hiệu biến đổi đồng pha.
Trong thực tế, các tín hiệu biến đổi đồng pha ở các lối vào chính là sự trôi do thay đổi nhiệt độ, tạp âm, thăng giáng điện áp nguồn... trên các phần tử mạch điện tạo ra. Do vậy KĐVS làm việc ổn định và ít bị nhiễu tác động.
- Tín hiệu vào tầng KĐVS được chia làm 2 dạng (Hình 3.2):
+ Tín hiệu vào vi sai: là hiệu các điện áp đặt vào 2 lối vào
Uvd Uvdl Uvd2 (3 1)
+ Tín hiệu vào đồng pha: là trung bình cộng đại số các điện áp ở các lối vào
U ằ „ = U " " ^ U>JĨ (3.2)
- Khi Uvdi = -Uvd2 => Uvd = 2Uvdi = -2Uvd2, Uvcm = 0: chế độ KĐ tín hiệu vào vi sai.
Đây là chế độ KĐ các tín hiệu cùng biên độ, ngược pha nhau. Hệ số khuếch đại tín hiệu vi sai được định nghĩa là:
Kd = ( U c , - U c2)/Uvd (3.3)
Kdi = Uci/Uvd (3.4a)
Kd2 = UC2/Uvd (3.4b)
- Khi Uvdi = Uvd2 => Ud = 0, Uvcm = Uvdi = Uvd2: chế độ KĐ tín hiệu vào đồng pha. Đây là chế độ KĐ là các tín hiệu cùng pha, có cùng độ lớn, thường xuất hiện ngẫu nhiên ở các ngõ vào. Chúng là các tín hiệu giả (nhiễu), xuất hiện do sự trôi nhiệt của dòng, áp một chiều, do biến động của nguồn cung cấp... Hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha ở một đầu ra được định nghĩa là:
Kcml = Uci/U vcm (3.5a)
K c^U cz/U vcm (3.5b)
Trường hợp Uvdi, Uvd2 bất kỳ, điện áp vào gồm cả 2 thành phần: tín hiệu vào vi sai và tín hiệu vào đồng pha. Điện áp ra ờ các đầu ra:
U c i = Kcmi.Uvcm + Kdi.Uvd ( 3 .6 a )
Uc2 = Kcm2.Uvcm+ Kda.Uvd (3.6b)
Khi lấy tín hiệu trên một đầu ra, hệ số khuếch đại ở một đầu ra là:
Hình 3.2. Các dạng tín hiệu vào của tầng KĐVS 3.2.2. Chế độ m ột chiều của tầng KĐVS
- Sơ đô mạch phân cực cho tầng KĐVS cho như Hình 3.3a. Giả sử 2 vế của mạch hoàn toàn đối xứng, tức là Rci = RC2 = Rc, Rbi = Rb2 = Rb, Qi và Q2 giống hệt nhau. Khi đó
dòng điện qua Relà 2 Ie. Để tính toán phân cực, ta chuyển về sơ đồ mạch tương đương cho m ột vế, với dòng Iechảy qua điện trờ 2Re(Hình 3.3b).
Hình 3.3. Sơ đồ phân cực cho tầng KĐVS (a); Mạch tương đương (b) - Ở m ạch v ò n g B -E , ta có: RbIb q + Ub e q + 2 Re( P + 1 ) I Bq - E e e = 0
= > J - ^ E E ~ Ub e q
B Q _ R b + ( P + 1 )2 Re
- D ò n g điện ra: Icq = P-Ibq
- Ở m ạch v ò n g C -E , ta có:
Ic qRc + Ư C E Q + 2 Re( Ic q + Ib q) - Eee- Ecc = 0
= > Uc e q = Ecc + Eee- Ic q( 2 Re + R c ) ( a = 1 )
3.2.3. C hế độ xoay chiều của tần g KĐVS
(3 .7 ) (3 .8 )
(3 .9 )
3.2.3.1. Chế độ tin hiệu vì sai
- Giả sử tín hiệu vào vi sai Uvd là tín hiệu có dạng lưỡng cực (đối xứng qua OV), đặt vào giữa Base của Qi và Q2 (Hình 3.4a).
Hình 3.4. Chế độ tín hiệu vi sai của tầng KĐVS
Khi đó, tín hiệu vào vi sai có thể coi gồm 2 nguồn tín hiệu vào ngược pha đặt vào Base của 2 BJT (Hình 3.4b). Đó là:
Uvdi = - U vd2 = ~^Ị~ (3.10)
Suy ra: Ưvcm = 0 (3.11)
- Giả sử Uvd > 0. Khi Uvd giảm, tức là Uvdi giảm, làm cho ỈB1 giảm, dẫn đến ỈE1 giảm một lượng A Ĩe i- Trong khi đó, Uvd giảm, làm cho Uvd2 tăng, do đó ỈB2 tăng, dẫn đến ỈE2 tăng một lượng AĨE2 bằng AỈE1. Như vậy, dòng điện tổng ỈE không đổi và Ue cũng không đổi, tức là, tại điểm E chỉ có thành phần điện áp một chiều. Do đó, điểm E coi như nối đất đối với tín hiệu xoay chiều. Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ như Hình 3.5b.
Urdl Urđ2
a)
b, c.
Hình 3.5. Sơ đồ tương đương xoay chiều (a);
Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ ở chế độ tín hiệu vi sai (b)
- Hệ số khuếch đại ờ một đầu ra là:
U rdl _ Í V b l ( R a ||rc (E )l) _ P l ||rc(E)l )
u vd 2 I b l r v(E)l 2 r v(E)l
u rd2 - í M b 2 ( ^ C 2 | l c(E)2 ) p'2 ( K c2 |®*c(E)2 ^
u vd _ 2 I b2 r v(E)2 ^ r v(E)2
(3.12)
(3.13)
- Hệ số khuếch đại vi sai:
Pl(R c. rc (E )l) P2 (l^C2 rc(E )2 )
( 3 . 1 4 )
^ rv(E)i 2rv(E)2
Nếu 2 vể của mạch KĐVS đối xứng hoàn toàn, tức là: R CJ = R C2 = R ỏ Pi = P2 = Pỉ
rc(E )i = rc(E )2 = rc ( E ); rv(E )i = rv(E)2 = rv ( E )ằbiểu thức (3.14) được viết lại là:
nghĩa là, hệ số khuếch đại điện áp tín hiệu vi sai của tầng KĐVS đúng bằng hệ số khuếch đại điện áp của tầng khuếch đại đơn mắc CE.
3.23.2. Chế độ tín hiệu đồng pha
- Tín hiệu đồng pha là tín hiệu giả (nhiễu) xuất hiện đồng thời, cùng độ lớn, cùng cực tính, ờ Base của cả 2 BJT. Khi đó: Uvdi = Uvd2 = Uvcm và Uvd = 0 .
D o 2 tín h iệu và o là đ ồn g pha nên khi Uvcmbiến thiên, làm cho ỈE1và ỈE2 cùng biến thiên m ột lư ợn g AĨei và AĨE2, do đó, dòng điện tổng iE và UE biến thiên theo Uvcm- Lúc n ày Re
đ ó n g vai trò là đ iện trở h ồi tiếp âm đối vớ i tín hiệu đ ồn g pha. Sơ đồ tương đương tín hiệu x o a y ch iều có dạng H ình 3.7a.
- Thay thế sơ đồ tương đương tín hiệu bé của BJT mắc CE vào mỗi vế (và quy đổi điện trở 2 Revề mạch vào của mỗi vế) ta được sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của mạch như Hình 3.7b.
(3 .1 5 )
ị+ Ecc
Hình 3.6. Chế độ tín hiệu đồng pha của tầng KĐVS
Ucml Uệ[ịj2 ■
a)
bi Ci
Hình 3.7. Sơ đồ tương đương xoay chiều (a);
Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ chế độ tín hiệu đồng pha (b) - Hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha ở một đầu ra là:
K _ u cml _ ~ ^ lIbl ( R c i ||rc(E )l) ~ P l ( R C1 ||rc(E )l) Uycm IblCrv(E)l + (P i + 1 ) 2 R e ] rv(E)i + (P i + 1 ) 2 R E _ U cm2 _ ~ Í M b 2 ( ^ C 2 ||rcCE)2 ) _ “ P2 ( ^ C 2 ||rc(E)2 )
U VCm Ib 2 [rv(E)2 + ( P2 + 1 ) 2 Re ] rv(E)2 + ( P2 + 1 ) 2 Re
Nếu 2 vế đối xứng hoàn toàn:
K Cm - K cmi K P ( R c | | rc(E)) cm2 rv(E) + ( P + 1 )2 Re
(3.16)
(3.17)
(3.18) Từ (3.18) ta thấy, ở chế độ tín hiệu đồng pha, do có điện trở hồi tiếp âm Renên mạch có hệ số khuếch đại đồng pha thấp. Recàng lớn, Kcn, càng nhỏ. Khi Perất lớn, Kcm tiến tới bằng 0, mạch điện không khuếch đại tín hiệu đồng pha. Điều này nghĩa là, mạch khử được sự trôi điểm không.
- Nếu tín hiệu lấy giữa các đầu ra, điện áp ra đồng pha là:
Urcm — Ucml — u cm2 = (Kc ml Rcm2)Uvcm 0 (3.19)
Tức là, khi tầng KĐVS đối xứng hoàn toàn, các tín hiệu giả (nhiễu) xuất hiện ở đầu vào bị triệt tiêu hoàn toàn ở đầu ra. Trong thực tể, do 2 vế của tầng KĐVS không hoàn toàn đối xứng nên Urcm Ỷ 0, tín hiệu ra tồ n 'tai'độ trôi nào đó (dù là rất nhỏ).
- Trường hợp mạch không hoàn toan đối xứng, để giảm Urcm người ta tăng hồi tiếp âm bằng cách tăng RE. Tuy nhiên, nếu tăng Requá lớn sẽ không đảm bảo được điều kiện phân cực cho mạch hoặc phải tăng điện áp nguồn. Để thỏa mãn điều kiện phân cực một chiều, đồng thời làm giảm Urcm, ta thay Rebằng mạch điện gồm Q3, D, Dz, Ri và R2 như Hình 3.8.
về chế đ ộ phân cực, ta phân cực sao cho Ư C E3+ ƯR2 bằng vớ i áp hạ trên ReởHình 3.3a.
Nếu bỏ qua dũng Ib3ô Ic3 v à IE3 thỡ:
T _ T _ U D + U Z - U BE3 ẼC3 _ aE3 ~ Õ
k2 Nếu chọn diode D cùng loại bán dẫn với Q3:
u 7
I c 3 = ^ (3.21)
k2
Dòng Ic3 được tạo bởi điện áp ổn định Uz của diode Zener nên có trị số hầu như không thay đổi.
Mạch điện thay thế cho Re chính là một nguồn dòng điện. Đây là phần tử nguồn có sụt áp một chiều nhỏ, yêu cầu điện áp nguồn thấp, nhưng có nội trở rất lớn (điện trở tương đương giữa hai cực C-E của Q3 có giá trị cỡ n.lOOKÍĨ), đáp ứng được yêu cầu hồi tiếp âm sâu, do đó, làm giảm Kem và Urcm rất nhiều [8].
Để đánh giá độ trôi cũng như khả năng triệt nhiễu đồng pha của tầng KĐVS, người ta dùng hệ số triệt (nén) nhiễu đồng pha - CMRR (Common Mode Rejection Ratio):
CMRR (3.22)
^cm
Tỷ số CMRR càng lớn, mạch có tính triệt nhiễu đồng pha càng tốt.
Trong tầng KĐVS, nói chung ở đầu vào luôn có cả tín hiệu vi sai lẫn tín hiệu đồng pha.
Tín hiệu vi sai là tín hiệu có ích cần khuếch đại, còn tín hiệu đồng pha là tín hiệu nhiễu. Do vậy, ở đầu ra sè tồn tại cả 2 tín hiệu này, tức là:
u r = u rd + u rcm = Kd.Uvd + Kcm. Uvcm (3.23) (3.20)
- Từ Hình 3.5b, nhìn từ giữa 2 cực bi và bĩ ta có trở kháng vào vi sai là:
R vd= 2 ( R B||rv(E)) (3.24)
3.2.33. Trở kháng vào, trở kháng ra
Giữa Ci và C2, ta có trờ kháng ra vi sai:
R rd= 2 ( R c ||rc(E)) (3.25)
- Từ Hình 3.7b, nhìn giữa cực bi (hoặc b2) với đất, ta có trờ kháng vào đồng pha:
R .ôm =R i,|[''v<E >+2M P + l)] (3.26) và trở kháng ra giữa một trong 2 cực Collector với đất:
(3.27) Rfcm — Rc rc(E)
3.2.4. ứ n g dung của KĐVS
- KĐVS là cấu trúc cơ bản không thể thiếu được trong cấu tạo của vi mạch tuyến tính (còn gọi là vi mạch thuật toán).
- KĐVS được dùng phổ biến để khuếch đại các tín hiệu đối xứng, biến thiên chậm, biên độ nhỏ như tín hiệu từ các cảm biến nhiệt độ. Chẳng hạn, mạch KĐVS kết hợp với một cầu cân bằng đo nhiệt độ như Hình 3.9.
+EC
Hình 3.9. Mạch đo nhiệt độ dùng KĐVS
Khi càu cân bằng, Uvi = U v2, do tính chất nén tín hiệu đồng pha nên u r = 0. Khi nhiệt độ cần đo tăng, Rt giảm (Rtcó hệ số nhiệt âm) làm cho Uv2 tăng lớn hơn Uvi nên:
Ưr = Kd (Uvl - U v2) (3.28)
Ur tỷ lệ với chênh lệch điện áp giữa 2 điếm cầu, tức là tý lệ với nhiệt độ cần đo.
- Ngoài ứng dụng khuếch đại tín hiệu DC ngõ vào đối xứng, do đặc tính ổn định phân cực và chống nhiễu tốt, mạch khuếch đại vi sai còn được dùng rộng rãi trong khuếch đại AC, ngõ vào bất đối xứng như: khụếch đại đảo pha, khuếch đại đồng pha, khuếch đại có hồi tiếp [8].
c)
HÌnh 3.10. Các ứng dụng khuếch đại AC của KĐVS
Khuếch đại đảo pha (a), Khuếch đại đồng pha (b), Khuếch đại có hồi tiếp (c)