Bộ khuếch đại thuật toán là nền tảng phù hợp nhất cho các mạch kết hợp tín hiệu tương tự vì, do dòng điện đầu vào gần bằng không, điện áp đầu ra là tích phân chính xác của tín hiệu đầu vào.

Mặc dù có thể xây dựng một mạch tích phân đơn giản chỉ bằng điện trở và tụ điện, nhưng mạch khuếch đại thuật toán mang lại hiệu suất tốt hơn đáng kể, đặc biệt là đạt được kết quả tích phân chính xác hơn.

Những nguyên lý cơ bản về tích hợp mạch điện tử.

Trong hầu hết các mạch khuếch đại thuật toán, phản hồi được sử dụng chủ yếu là phản hồi điện trở, với ít nhất một số đường dẫn điện trở trực tiếp là một phần của mạch. Tuy nhiên, điều này không đúng đối với các mạch tích phân. Thành phần cung cấp phản hồi giữa đầu ra và đầu vào của mạch khuếch đại thuật toán là một tụ điện.

Tên gọi của mạch tích phân khuếch đại thuật toán (OP-AMP) cho thấy nó thực hiện chức năng tương đương với phép tích phân toán học trong điện tử. Trên thực tế, các mạch tích phân điện tử có thể được sử dụng trong máy tính tương tự.

Về mặt hoạt động, mạch này tạo ra tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với tích phân của điện áp đầu vào theo thời gian.

Điều này có nghĩa là điện áp đầu ra tại bất kỳ thời điểm nào sẽ được xác định bởi điện áp đầu ra ban đầu, thời gian điện áp đầu vào tồn tại và giá trị của điện áp đầu vào.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của mạch tích phân được thể hiện bên dưới. Mặc dù có một vài biến thể nhỏ về chi tiết đối với mạch tích phân của bộ khuếch đại thuật toán, nhưng khái niệm cốt lõi vẫn là nền tảng cho hoạt động của nó.

Từ sơ đồ, có thể thấy rằng khi điện áp đầu vào bằng 0, điện áp đầu ra cũng bằng 0. Tuy nhiên, khi điện áp đầu vào tăng lên, điện áp đầu ra sẽ tăng. Khi điện áp tăng trở lại 0, điện áp đầu ra sẽ giữ nguyên ở mức điện áp cuối cùng nhận được.

Mạch kết hợp tín hiệu hoạt động

Mạch cộng tín hiệu khuếch đại thuật toán (AIA) cơ bản bao gồm một bộ khuếch đại thuật toán với một tụ điện giữa đầu ra đảo và đầu vào, và một điện trở từ đầu vào đảo đến đầu vào của toàn bộ mạch, như thể hiện trong hình.

Điểm đầu tiên cần lưu ý là khi một tín hiệu đảo pha được đưa vào đầu vào, đầu ra của mạch sẽ là nghịch đảo của một mạch tích phân CR cơ bản.

Lưu ý: Hiện tượng đảo pha đầu ra là do đưa tín hiệu vào đầu vào đảo pha của op-amp.

Tính toán thiết kế mạch tích phân cho op-amp.

Phép tính chính cần thiết cho mạch này là tìm điện áp đầu ra cho một điện áp đầu vào nhất định trong một khoảng thời gian nhất định.

Trong đó:
Vout = Điện áp đầu ra từ mạch tích phân của op-amp;
Vin = Điện áp đầu vào;
T = Thời gian kể từ khi bắt đầu cấp điện áp (tính bằng giây);
R = Điện trở trong mạch tích phân (tính bằng ôm);
C = Điện dung của tụ điện tích phân (tính bằng farad);
c = Hằng số tích phân, và trong trường hợp này, là điện áp đầu ra ban đầu.

Dấu âm trong phương trình phản ánh sự đảo pha do sử dụng kênh đầu vào đảo pha của op-amp.

Bão hòa op-amp

Rõ ràng là công suất đầu ra của bộ kết hợp tín hiệu không thể tăng lên vô hạn, vì sẽ có giới hạn về công suất đầu ra.

Tín hiệu đầu ra của mạch tích phân khuếch đại thuật toán (OP-AMP) bị giới hạn bởi điện áp nguồn hoặc điện áp đường ray và độ bão hòa của chính OP-AMP; nghĩa là, tín hiệu đầu ra có thể dao động gần điện áp đường ray đến mức nào.

Khi thiết kế các mạch này, có thể cần phải giới hạn độ khuếch đại hoặc tăng điện áp nguồn để bù đắp cho những thay đổi tiềm tàng về điện áp đầu ra.

Mặc dù điện áp đầu vào thấp và thời gian ngắn có thể chấp nhận được, nhưng cần thận trọng khi thiết kế các mạch có điện áp đầu vào không đổi trong thời gian dài hơn.

Khả năng thiết lập lại hệ thống tích hợp.

Đôi khi, cần có một phương pháp để đặt lại bộ kết hợp tín hiệu của bộ khuếch đại thuật toán về 0.

Việc thêm chức năng hoặc khả năng thiết lập lại rất dễ dàng. Chỉ cần mắc một công tắc vào giữa tụ điện của mạch tích phân, điều này sẽ làm cho tụ điện xả điện và thiết lập lại toàn bộ mạch tích phân.

Các công tắc reset có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau. Mặc dù các công tắc cơ học đơn giản chắc chắn có thể được sử dụng, nhưng các công tắc bán dẫn cũng có thể được áp dụng. Thông thường, các công tắc FET được ưa chuộng hơn vì chúng có điện trở đóng rất cao và dễ điều khiển hơn khi được sử dụng làm công tắc trong các loại ứng dụng này.

Mạch khuếch đại thuật toán (OP-amp) cho phép kết hợp chính xác các tín hiệu đầu vào. Các mạch này được sử dụng trong nhiều máy tính tương tự, và ngày nay, chức năng kết hợp tín hiệu vẫn rất cần thiết trong nhiều ứng dụng tương tự, nơi mạch OP-amp là giải pháp lý tưởng.