Mạch khuếch đại đảo là gì :Chúng ta đã thấy trong hướng dẫn trước về Bộ khuếch đại thuật toán là gì và ta thấy rằng Open Loop Gain(độ lợi vòng hở) (A VO ) của một bộ khuếch đại thuât toán có thể rất cao, lên tới 1.000.000 (120dB) hoặc hơn.
Tài File ĐIện Tử Cơ Bản
Tuy nhiên, độ lợi rất cao này không có tác dụng thực sự đối với chúng ta vì nó làm cho bộ khuếch đại vừa không ổn định vừa khó kiểm soát vì tín hiệu đầu vào nhỏ nhất, chỉ cần một vài micro-volt, (μV) là đủ để gây ra điện áp đầu ra bão hòa và xoay về phía này hoặc phía khác của đường cung cấp điện áp làm mất quyền kiểm soát hoàn toàn đầu ra.
Vì độ lợi vòng hở DC của bộ khuếch đại hoạt động là cực cao, do đó, chúng ta có thể giảm giá trị độ lợi cao này bằng cách kết nối một điện trở phù hợp trên bộ khuếch đại từ đầu ra sau đó đầu ra trở lại đầu vào đảo để vừa giảm vừa kiểm soát độ lợi tổng thể của bộ khuếch đại. Điều này sau đó tạo ra hiệu ứng thường được gọi là Phản hồi âm, và do đó tạo ra một hệ thống dựa trên Bộ khuếch đại thuật toán rất ổn định.
Phản hồi âm là quá trình “cung cấp lại” một phần nhỏ tín hiệu đầu ra trở lại đầu vào, nhưng để làm cho phản hồi âm, chúng ta phải đưa nó trở lại đầu âm hoặc “đầu vào đảo ” của op-amp bằng cách sử dụng Điện trở phản hồi gọi là Rƒ . Kết nối phản hồi này giữa đầu ra và đầu vào đảo buộc điện áp đầu vào vi sai về không.
Hiệu ứng này tạo ra một mạch vòng kín tới bộ khuếch đại dẫn đến độ lợi của bộ khuếch đại bây giờ được gọi là Độ lợi vòng kín . Sau đó, một bộ khuếch đại đảo vòng kín sử dụng phản hồi âm để kiểm soát chính xác độ lợi tổng thể của bộ khuếch đại, nhưng với mục đích là giảm độ lợi bộ khuếch đại.
Phản hồi âm này làm cho đầu vào đảo có tín hiệu khác với điện áp đầu vào thực tế vì nó sẽ là tổng của điện áp đầu vào cộng với điện áp phản hồi âm tạo cho nó một Điểm tổng hợp . Do đó, chúng ta phải tách tín hiệu đầu vào thực khỏi đầu vào đảo bằng cách sử dụng Điện trở đầu vào , Rin .
Vì chúng tôi không sử dụng đầu vào không đảo, đầu vào này được kết nối với đầu nối đất chung như hình dưới đây, nhưng tác động của mạch phản hồi vòng kín này dẫn đến điện thế tại đầu vào đảo bằng điện thế tại đầu vào không đảo tạo ra điểm mặt đất ảo vì nó sẽ ở cùng điện thế với đầu vào tham chiếu nối đất. Nói cách khác, op-amp trở thành một “bộ khuếch đại vi sai”.
Sơ Đồ bộ khuếch đại đảo
Trong mạch Bộ khuếch đại đảo này, bộ khuếch đại hoạt động được kết nối với phản hồi để tạo ra hoạt động vòng kín. Khi xử lý các bộ khuếch đại thuật toán, có hai quy tắc rất quan trọng cần nhớ về bộ khuếch đại đảo , đó là: “Không có dòng điện nào chạy đến đầu vào” và “V1 luôn bằng V2”. Tuy nhiên, trong các mạch op-amp thực tế, cả hai quy tắc này đều không đúng.
Điều này là do đường giao nhau của tín hiệu đầu vào và tín hiệu phản hồi ( X ) có cùng điện thế với đầu vào ( + ) ở mức 0 vôn khi đó, đường giao nhau là “mặt đất ảo” . Do nút đất ảo này, điện trở đầu vào của bộ khuếch đại bằng giá trị của điện trở đầu vào, Rin và độ lợi vòng kín của bộ khuếch đại đảo có thể được đặt bằng tỷ số của hai điện trở bên ngoài.
Chúng tôi đã nói ở trên rằng có hai quy tắc rất quan trọng cần nhớ về Bộ khuếch đại đảo hoặc bất kỳ bộ khuếch đại thuật toán nào cho vấn đề đó và những quy tắc này.
- Không có dòng điện chạy vào các đầu vào
- Điện áp đầu vào vi sai bằng 0 vì V1 = V2 = 0 (Virtual Earth(mặt đất ảo))
Sau đó, bằng cách sử dụng hai quy tắc này, chúng ta có thể suy ra phương trình tính toán độ lợi vòng kín của một bộ khuếch đại đảo, sử dụng các nguyên tắc đầu tiên.
Dòng điện ( i ) chạy qua mạng điện trở như hình vẽ.
Sau đó, Độ lợi điện áp vòng kín của Bộ khuếch đại đảo được đưa ra là.
và điều này có thể được chuyển đổi để cung cấp cho Vout là:
Đầu ra tuyến tính
Dấu âm trong phương trình biểu thị sự nghịch đảo của tín hiệu đầu ra đối với đầu vào vì nó lệch pha 180 o . Điều này là do phản hồi có giá trị âm.
Phương trình cho điện áp đầu ra Vout cũng cho thấy rằng mạch có tính chất tuyến tính đối với độ lợi khuếch đại cố định là Vout = Vin x Độ lợi. Đặc tính này có thể rất hữu ích để chuyển đổi tín hiệu cảm biến nhỏ hơn thành điện áp lớn hơn nhiều.
Một ứng dụng hữu ích khác của bộ khuếch đại đảo là của mạch “bộ khuếch đại điện trở”. Transresistance Amplifier còn được gọi là “khuếch đại điện trở”, về cơ bản là một bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp (Dòng điện “in” và điện áp “out”). Chúng có thể được sử dụng trong các ứng dụng công suất thấp để chuyển đổi dòng điện rất nhỏ được tạo ra bởi diode quang hoặc thiết bị cảm biến ảnh, v.v., thành điện áp đầu ra có thể sử dụng được tỷ lệ với dòng điện đầu vào như hình minh họa.
Mạch khuếch đại điện trở
Mạch cảm biến bằng ánh sáng đơn giản ở trên, chuyển đổi dòng điện được tạo ra bởi diode quang thành điện áp. Điện trở phản hồi Rƒ đặt điểm điện áp hoạt động ở đầu vào đảo và điều khiển giá trị đầu ra. Điện áp đầu ra được cho là Vout = I s x Rƒ . Do đó, điện áp đầu ra tỷ lệ với lượng dòng điện đầu vào do diode quang tạo ra.
Mạch khuếch đại đảo Op-amp Ví dụ No1
Tìm hệ số khuếch đại vòng kín của mạch khuếch đại đảo sau.
Sử dụng công thức đã tìm thấy trước đó cho độ lợi của mạch
bây giờ chúng ta có thể thay thế các giá trị của điện trở trong mạch như sau,
Rin = 10kΩ và Rƒ = 100kΩ
và độ lợi của mạch được tính là: -Rƒ / Rin = 100k / 10k = -10
Do đó, độ lợi vòng kín của mạch khuếch đại đảo ở trên được cho -10 hoặc 20dB (20log (10)).
Mạch khuếch đại đảo Op-amp Ví dụ No2
Độ lợi của mạch ban đầu được tăng lên 40 (32dB), tìm các giá trị mới của điện trở cần thiết.
Giả sử rằng điện trở đầu vào được giữ nguyên giá trị 10KΩ , thì bằng cách sắp xếp lại công thức độ lợi điện áp vòng kín, chúng ta có thể tìm thấy giá trị mới cần thiết cho điện trở hồi tiếp Rƒ .
Gain = Rƒ / Rin
do đó, Rƒ = Gain x Rin
Rƒ = 40 x 10.000
Rƒ = 400.000 hoặc 400KΩ
Các giá trị mới của điện trở cần thiết để mạch có độ lợi 40 sẽ là:
Rin = 10KΩ và Rƒ = 400KΩ
Công thức cũng có thể được sắp xếp lại để tạo ra một giá trị mới của Rin , giữ nguyên giá trị của Rƒ .
Một điểm cuối cùng cần lưu ý về cấu hình Bộ khuếch đại đảo cho một bộ khuếch đại thuật toán, nếu hai điện trở có giá trị bằng nhau, Rin = Rƒ thì độ lợi của bộ khuếch đại sẽ là -1 tạo ra dạng bổ sung của điện áp đầu vào ở đầu ra của nó là Vout = -Vin . Loại cấu hình bộ khuếch đại đảo này thường được gọi là là Bộ đệm Đảo .
Trong hướng dẫn tiếp theo về Bộ khuếch đại thuật toán, chúng ta sẽ phân tích phần bổ sung của mạch khuếch đại đại đảo được gọi là Bộ khuếch đại không đảo tạo ra tín hiệu đầu ra “cùng pha” với đầu vào.
Sự khác nhau giữa bộ khuếch đại thuật toán và op amp
Bộ khuếch đại: Nó là một thiết bị được sử dụng để khuếch đại tín hiệu đầu vào để bất kỳ thiết bị đầu ra nào có trở kháng cao, thực sự có thể đọc dữ liệu được đưa ra một cách rõ ràng. Nó cũng làm cho việc truyền dữ liệu rất dễ dàng mà không làm mất tín hiệu thực tế. Ở đầu thu chúng ta có thể thực hiện bộ lọc để khử nhiễu do các phần tử mạch, nguồn. Nhưng vấn đề chính nằm ở việc khuếch đại tín hiệu bởi vì khi chúng tôi khuếch đại tín hiệu, rất nhiều tiếng ồn không mong muốn được tạo ra do đó chúng tôi không thể thực sự suy ra dữ liệu thực tế. Chúng tôi có thể triển khai bất kỳ bộ lọc nào như bộ lọc thông dải, bộ lọc Sallen-key, bộ lọc SAW nhưng những bộ lọc này chỉ giúp hoạt động cho một phạm vi tần số cụ thể và nếu độ lợi khoảng 100–200 thì tần số và biên độ tiếng ồn của bạn sẽ cao đến mức bạn thực sự không thể tự đọc dữ liệu. Những bộ khuếch đại cơ bản này có thể được xây dựng bằng bóng bán dẫn, FET. Nhưng hãy nhớ rằng bạn cũng cần phải kiểm tra tỷ lệ nhiễu trên tín hiệu. Ví dụ, bạn lấy số đọc từ một diode quang điển hình thường cung cấp cho bạn dữ liệu trong phạm vi từ micro đến milli volt. Vì vậy, nếu giao diện MCU với diode quang, tôi thực sự không thể đọc dữ liệu chính xác vì nó có biên độ rất nhỏ. Giả sử rằng tôi đã thiết kế một bộ khuếch đại khuếch đại tín hiệu lên mức tối đa. 0,5V (tôi chỉ giả sử). Khi diode quang tiếp xúc với môi trường, sẽ có rất nhiều tín hiệu không mong muốn phát ra từ nó và bạn thực sự đang khuếch đại nó. Vì vậy, để giảm nhiễu, chúng tôi triển khai các bộ lọc cần phải rất chính xác. Nhưng có một thiết bị tuyệt đẹp khác được thiết kế bởi các kỹ sư để thực hiện công việc chính xác. Ví dụ, bạn lấy dữ liệu đọc từ một diode quang điển hình thường cung cấp cho bạn dữ liệu trong phạm vi từ micro đến milli volt. Vì vậy, nếu giao diện MCU với diode quang, tôi thực sự không thể đọc dữ liệu chính xác vì nó có biên độ rất nhỏ. Giả sử rằng tôi đã thiết kế một bộ khuếch đại khuếch đại tín hiệu lên mức tối đa. 0,5V (tôi chỉ giả sử). Khi diode quang tiếp xúc với môi trường, sẽ có rất nhiều tín hiệu không mong muốn phát ra từ nó và bạn thực sự đang khuếch đại nó. Vì vậy, để giảm nhiễu, chúng tôi triển khai các bộ lọc cần phải rất chính xác. Nhưng có một thiết bị tuyệt đẹp khác được thiết kế bởi các kỹ sư để thực hiện công việc chính xác. Ví dụ, bạn lấy số đọc từ một diode quang điển hình thường cung cấp cho bạn dữ liệu trong phạm vi từ micro đến milli volt. Vì vậy, nếu giao diện MCU với diode quang, tôi thực sự không thể đọc dữ liệu chính xác vì nó có biên độ rất nhỏ. Giả sử rằng tôi đã thiết kế một bộ khuếch đại khuếch đại tín hiệu lên mức tối đa. 0,5V (tôi chỉ giả sử). Khi diode quang tiếp xúc với môi trường, sẽ có rất nhiều tín hiệu không mong muốn phát ra từ nó và bạn thực sự đang khuếch đại nó. Vì vậy, để giảm nhiễu, chúng tôi triển khai các bộ lọc cần phải rất chính xác. Nhưng có một thiết bị tuyệt đẹp khác được thiết kế bởi các kỹ sư để thực hiện công việc chính xác. Giả sử rằng tôi đã thiết kế một bộ khuếch đại khuếch đại tín hiệu lên mức tối đa. 0,5V (tôi chỉ giả sử). Khi diode quang tiếp xúc với môi trường, sẽ có rất nhiều tín hiệu không mong muốn phát ra từ nó và bạn thực sự đang khuếch đại nó. Vì vậy, để giảm nhiễu, chúng tôi triển khai các bộ lọc cần phải rất chính xác. Nhưng có một thiết bị tuyệt đẹp khác được thiết kế bởi các kỹ sư để thực hiện công việc chính xác. Giả sử rằng tôi đã thiết kế một bộ khuếch đại khuếch đại tín hiệu lên mức tối đa. 0,5V (tôi chỉ giả sử). Khi diode quang tiếp xúc với môi trường, sẽ có rất nhiều tín hiệu không mong muốn phát ra từ nó và bạn thực sự đang khuếch đại nó. Vì vậy, để giảm nhiễu, chúng tôi triển khai các bộ lọc cần phải rất chính xác. Nhưng có một thiết bị tuyệt đẹp khác được thiết kế bởi các kỹ sư để thực hiện công việc chính xác.
Trên op-amp :Tóm lại, anh chàng này có thể thực hiện công việc mà không thực sự trải qua phương pháp thiết kế mạch phức tạp. Nó là mạch tích hợp quy mô nhỏ với 10–50 bóng bán dẫn điển hình. Nó có trở kháng đầu vào cao và trở kháng đầu ra thấp. Nó là một bộ khuếch đại vi sai thực sự khuếch đại tín hiệu cần thiết và loại bỏ những điều không mong muốn. Nhưng sẽ có một số tín hiệu được cảm ứng do các thành phần. Vì vậy, chúng tôi thực hiện thiết kế bộ lọc trước và sau khi khuếch đại, do đó làm giảm khả năng mất tín hiệu của bạn. Như bạn có thể thấy bảng datashet của các amply khác nhau, trên thị trường yêu cầu độ nhiễu thấp, công suất thấp / cao, amp op có độ méo thấp. Như vậy rõ ràng là nếu chúng ta sử dụng mạch transistor xếp tầng thông thường thì tín hiệu khuếch đại sẽ bị méo và nhiễu. Lựa chọn tốt nhất cho một amp op. Nhưng nó phụ thuộc vào yêu cầu thiết kế.
