Bộ khuếch đại cộng điện áp

Bộ khuếch đại cộng điện áp

Bộ khuếch đại cộng là một loại cấu hình mạch khuếch đại thuật toán khác được sử dụng để kết hợp các điện áp có trên hai hoặc nhiều đầu vào thành một điện áp đầu ra duy nhất.

Trước đây chúng ta đã thấy trong bộ khuếch đại đảo rằng bộ khuếch đại đảo có một điện áp đầu vào duy nhất, (Vin) được đặt cho đầu vào đảo. Nếu chúng ta thêm nhiều điện trở hơn vào đầu vào, mỗi điện trở có giá trị bằng với điện trở đầu vào ban đầu, (Rin), chúng ta sẽ có Bộ khuếch đại cộng hoặc thậm chí là mạch ” bộ cộng điện áp ” như hình minh họa phía dưới.

Mạch Khuếch đại cộng

Trong mạch khuếch đại cộng đơn giản này, điện áp đầu ra, (Vout) bây giờ trở thành tỷ lệ thuận với tổng điện áp đầu vào, V1 , V2 , V3 , v.v. Sau đó, chúng ta có thể sửa đổi phương trình ban đầu cho bộ khuếch đại đảo là:

Tuy nhiên, nếu tất cả các trở kháng đầu vào, (  RIN  ) có giá trị bằng nhau, chúng ta có thể đơn giản hóa phương trình trên để cung cấp điện áp đầu ra là:

Tổng phương trình bộ khuếch đại

Bây giờ chúng ta có một mạch khuếch đại thuật toán sẽ khuếch đại từng điện áp đầu vào riêng lẻ và tạo ra tín hiệu điện áp đầu ra tỷ lệ với tổng đại số của ba điện áp đầu vào riêng lẻ V1 , V2 và V3 . Chúng ta cũng có thể thêm nhiều đầu vào hơn nếu được yêu cầu vì mỗi đầu vào riêng lẻ “nhìn thấy” điện trở tương ứng của chúng, Rin là trở kháng đầu vào duy nhất.

Điều này là do các tín hiệu đầu vào được cách ly với nhau một cách hiệu quả bởi điểm “đất ảo” ở đầu vào đảo của op-amp. Cũng có thể bổ sung điện áp một chiều khi tất cả các điện trở có giá trị bằng nhau và Rƒ bằng Rin .

Lưu ý rằng khi điểm tổng được kết nối với đầu vào đảo của op-amp, mạch sẽ tạo ra tổng âm của bất kỳ số điện áp đầu vào nào. Tương tự như vậy, khi điểm tổng được kết nối với đầu vào không đảo của op-amp, nó sẽ tạo ra tổng dương của điện áp đầu vào.

Có thể tạo Bộ khuếch đại tổng tỷ lệ nếu các điện trở đầu vào riêng lẻ “KHÔNG” bằng nhau. Sau đó, phương trình sẽ phải được sửa đổi thành:

Để làm cho bài toán dễ dàng hơn một chút, chúng ta có thể sắp xếp lại công thức trên để làm cho điện trở phản hồi Rƒ nhóm ra ngoài của phương trình cho điện áp đầu ra là:

Điều này cho phép dễ dàng tính toán điện áp đầu ra nếu nhiều điện trở đầu vào hơn được kết nối với đầu cuối đầu vào đảo của bộ khuếch đại. Trở kháng đầu vào của mỗi kênh riêng lẻ là giá trị của các điện trở đầu vào tương ứng của chúng, tức là R1 , R2 , R3 … v.v.

Đôi khi chúng ta cần một mạch tổng hợp để chỉ cộng hai hoặc nhiều tín hiệu điện áp lại với nhau mà không cần bất kỳ bộ khuếch đại nào. Bằng cách đặt tất cả các điện trở của đoạn mạch trên về cùng một giá trị R , op-amp sẽ có độ lợi điện áp = 1 và điện áp đầu ra bằng tổng trực tiếp của tất cả các điện áp đầu vào như được hiển thị:

Bộ khuếch đại cộng thực sự là một mạch rất linh hoạt, cho phép chúng ta “Thêm” hoặc “Tổng” với một số tín hiệu đầu vào riêng lẻ một cách hiệu quả. Nếu các điện trở đầu vào, R1 , R2 , R3 , v.v., tất cả đều bằng nhau thì “bộ cộng đảo với độ lợi = 1” sẽ được tạo ra. Tuy nhiên, nếu các điện trở đầu vào có giá trị khác nhau, một “bộ khuếch đại tổng theo tỷ lệ” được tạo ra sẽ tạo ra tổng trọng số của các tín hiệu đầu vào.

Ví dụ về Bộ khuếch đại cộng số 1

Tìm điện áp đầu ra của mạch Khuếch đại cộng sau .

Bộ khuếch đại cộng

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:

Chúng ta biết rằng điện áp đầu ra là tổng của hai tín hiệu đầu vào được khuếch đại và được tính như sau:

Sau đó, điện áp đầu ra của mạch Bộ khuếch đại cộng ở trên được cho là -45 mV và là âm do là bộ khuếch đại đảo.

Bộ khuếch đại cộng không đảo

Cũng như cấu tạo bộ khuếch đại tổng đảo, chúng ta cũng có thể sử dụng đầu vào không đảo của bộ khuếch đại thuật toán để tạo ra bộ khuếch đại tổng không đảo . Chúng ta đã thấy ở trên rằng một bộ khuếch đại tổng đảo tạo ra tổng âm của điện áp đầu vào của nó, với cấu hình bộ khuếch đại tổng không đảo sẽ tạo ra tổng dương của điện áp đầu vào của nó.

Như tên gọi bộ khuếch đại tổng không đảo dựa trên cấu hình của mạch khuếch đại thuật toán không đảo trong đó đầu vào (ac hoặc dc) được áp dụng cho đầu không đảo (+), trong khi đầu âm yêu cầu phản hồi và độ lợi đạt được bằng cách cung cấp lại một số phần của tín hiệu đầu ra (V OUT ) tới đầu đảo (-) như hình minh họa.

Bộ khuếch đại cộng không đảo

Vậy ưu điểm của cấu hình không đảo so với cấu hình khuếch đại tổng đảo là gì. Bên cạnh thực tế rõ ràng nhất là điện áp đầu ra op-amps VOUT cùng pha với đầu vào của nó và điện áp đầu ra là tổng trọng số của tất cả các đầu vào của nó mà bản thân nó được xác định bởi tỷ lệ điện trở của chúng, ưu điểm lớn nhất Bộ khuếch đại cộng không đảo là do không có đất ảo trên các cực đầu vào, trở kháng đầu vào của nó cao hơn nhiều so với trở kháng của cấu hình bộ khuếch đại đảo tiêu chuẩn.

Ngoài ra, phần tổng đầu vào của mạch không bị ảnh hưởng nếu độ lợi điện áp vòng kín op-amps bị thay đổi. Tuy nhiên, có nhiều phép toán hơn được đưa ra trong việc lựa chọn độ lợi có trọng số cho từng đầu vào riêng lẻ tại điểm nối tổng, đặc biệt nếu có nhiều hơn hai đầu vào, mỗi đầu vào có hệ số trọng số khác nhau. Tuy nhiên, nếu tất cả các đầu vào có cùng giá trị điện trở, thì các phép toán liên quan sẽ ít hơn rất nhiều.

Nếu độ lợi vòng kín của bộ khuếch đại thuật toán không đảo được thực hiện bằng tổng số đầu vào thì điện áp đầu ra op-amps sẽ chính xác bằng tổng của tất cả các điện áp đầu vào. Đó là đối với một Bộ khuếch đại cộng không đảo hai đầu vào, độ lợi op-amps bằng 2, đối với Bộ khuếch đại cộng ba đầu vào, độ lợi op-amps là 3, v.v. Điều này là do dòng điện chạy trong mỗi điện trở đầu vào là một hàm của điện áp tại tất cả các đầu vào của nó. Nếu các điện trở đầu vào đều bằng nhau, (R 1 = R 2 ) thì các dòng điện tuần hoàn sẽ bị triệt tiêu vì chúng không thể chảy vào đầu vào không đảo trở kháng cao của op-amp và điện áp đầu ra trở thành tổng các đầu vào của nó.

Vì vậy, đối với bộ khuếch đại tổng không đảo 2 đầu vào, dòng điện đi vào các đầu nối đầu vào có thể được định nghĩa là:

Nếu 2 điện trở  đầu vào tương đương về giá trị R 1 = R 2 = R .

Phương trình tiêu chuẩn cho độ lợi điện áp của mạch khuếch đại tổng không đảo được đưa ra như sau:

Các bộ khuếch đại không đảo vòng kín độ lợi điện áp AV được đưa ra như sau: 1 + RA / RB . Nếu chúng ta làm cho độ lợi điện áp trong vòng kín này bằng 2 bằng cách đặt RA = RB , thì điện áp đầu ra VO sẽ bằng tổng của tất cả các điện áp đầu vào như hình vẽ.

Điện áp đầu ra của Bộ khuếch đại cộng không đảo

Do đó, đối với cấu hình bộ khuếch đại tổng không đảo 3 đầu vào, việc đặt độ lợi điện áp vòng kín thành 3 sẽ làm cho VOUT bằng tổng của ba điện áp đầu vào, V1 , V2 và V3 . Tương tự như vậy, đối với bốn đầu vào, độ lợi điện áp vòng kín sẽ là 4 và 5 cho 5 đầu vào, v.v. Cũng lưu ý rằng nếu bộ khuếch đại của mạch tổng được kết nối như một bộ theo điện áp với RA bằng không và RB bằng vô cùng, thì khi không có độ lợi điện áp, điện áp đầu ra VOUT sẽ chính xác bằng giá trị trung bình của tất cả đầu vào điện áp. Đó là VOUT = (V1 + V2 ) / 2.

Ứng dụng Bộ khuếch đại cộng

Vì vậy, chúng ta có thể sử dụng Bộ khuếch đại cộng để làm gì, đảo hoặc không đảo. Nếu các điện trở đầu vào của bộ khuếch đại tổng được kết nối với chiết áp, các tín hiệu đầu vào riêng lẻ có thể được trộn với nhau theo các lượng khác nhau.

Ví dụ: đo nhiệt độ, bạn có thể thêm điện áp bù âm để làm cho điện áp đầu ra hoặc màn hình hiển thị đọc “0” tại điểm đông hoặc tạo ra bộ trộn âm thanh để thêm hoặc trộn các dạng sóng riêng lẻ (âm thanh) từ các kênh nguồn khác nhau (giọng hát, nhạc cụ, v.v.) trước khi gửi chúng kết hợp với bộ khuếch đại âm thanh.

Bộ trộn âm thanh Bộ khuếch đại cộng

Một ứng dụng hữu ích khác của Bộ khuếch đại cộng là như một bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC). Nếu điện trở đầu vào, R IN của Bộ khuếch đại cộng tăng gấp đôi giá trị cho mỗi đầu vào, ví dụ, 1kΩ, 2kΩ, 4kΩ, 8kΩ, 16kΩ, v.v., thì điện áp logic kỹ thuật số, mức logic “0” hoặc mức logic “1” trên các đầu vào này sẽ tạo ra đầu ra là tổng trọng số của các đầu vào kỹ thuật số. Hãy xem xét mạch dưới đây.

Bộ chuyển đổi Digital sang Analogue

Tất nhiên đây là một ví dụ đơn giản. Trong mạch khuếch đại cộng DAC này, số lượng bit riêng lẻ tạo nên từ dữ liệu đầu vào, và trong ví dụ này là 4 bit, cuối cùng sẽ xác định điện áp bước đầu ra theo tỷ lệ phần trăm của điện áp đầu ra tương tự toàn thang đo.

Ngoài ra, độ chính xác của đầu ra tương tự toàn thang đo này phụ thuộc vào mức điện áp của các bit đầu vào là 0V nhất quán đối với “0” và 5V nhất quán đối với “1” cũng như độ chính xác của các giá trị điện trở được sử dụng cho điện trở đầu vào, RIN .