Bộ khuếch đại đảo

Bộ khuếch đại đảo

Cấu hình bộ khuếch đại đảo là một trong những cấu trúc liên kết op-amp đơn giản nhất và được sử dụng phổ biến nhất

Hướng dẫn trước về bộ khuếch đại thuật toán là gì ? ta thấy rằng độ lợi vòng hở  (AVO  ) của một bộ khuếch đại thuật toán có thể rất cao, lên tới 1.000.000 (120dB) hoặc hơn.

Tuy nhiên, độ lợi rất cao này không có tác dụng thực sự vì nó làm cho bộ khuếch đại vừa không ổn định vừa khó kiểm soát vì tín hiệu đầu vào nhỏ, 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 kia của đường cung cấp điện áp làm mất kiểm soát hoàn toàn đầu ra.

Vì độ lợi DC vòng hở của bộ khuếch đại thuật toán là cực cao, do đó, chúng tôi có thể đủ khả năng để mất một số độ lợi cao này bằng cách kết nối một điện trở phù hợp qua bộ khuếch đại từ đầu ra đầu ra trở lại đầu vào đảo để vừa giảm và kiểm soát mức tăng tổng thể của bộ khuếch đại. Điều này sau đó tạo ra và 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 có được phản hồi âm, chúng ta phải đưa phản hồi trở lại đầu âm hoặc “đầu vào đảo” của op-amp bằng cách sử dụng Điện trở phản hồi được 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 đến bộ khuếch đại dẫn đến độ lợi của bộ khuếch đại bây giờ được gọi là Độ lợi vòng kín. Ta được bộ khuếch đại đảo vòng kín sử dụng phản hồi âm để điều khiển chính xác độ lợi tổng thể của bộ khuếch đại, nhưng với chi phí là giảm độ lợi bộ khuếch đại.

Phản hồi âm này dẫn đến 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 nên điểm Điểm tính tổng .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 ta không sử dụng đầu vào không đảo dương nên nó được kết nối với  đất , nhưng hiệu ứng 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 tính tổng đất ảo vì nó sẽ ở cùng thế với đầu vào tham chiếu nối đất. Nói cách khác, op-amp trở thành một “bộ khuếch đại vi sai”.

Cấu hình bộ khuếch đại đảo

Trong mạch Bộ khuếch đại đảo này, bộ khuếch đại thuật toán có kết nối 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 vào cực đầu vào” và “V1 luôn bằng V2”. Tuy nhiên, trong các mạch op-amp thực tế, cả hai quy tắc này lại có vẻ 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 dương ( + ) ở mức 0 vôn khi đó, đường giao nhau là “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 ta 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 là.

  • 1. Không có dòng điện chạy vào các đầu vào
  • 2. Điện áp đầu vào vi sai bằng 0 vì V1 = V2 = 0

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 sang điện áp lớn hơn nhiều.

Một ứng dụng hữu ích khác của bộ khuếch đại đảo là của mạch “bộ khuếch đại trở kháng dẫn” về cơ bản chuyển đổi dòng điện sáng điện áp (dòng điện “vào” và Vđiện áp “ra”). 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, 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 trở kháng dẫn

Mạch 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 lượng 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 được tạo ra bởi diode quang.

Ví dụ 1

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 là -10 hoặc 20dB (20log (10)).

Ví dụ 2

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 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 Bộ đệm đảo .

Trong hướng dẫn tiếp theo về bộ khuếch đại thuật toán, chúng tôi sẽ phân tích phần bổ sung của mạch khuếch đại thuật toán của Bộ khuếch đại đảo được gọi là Bộ khuếch đại không đảo tạo ra tín hiệu đầu ra “cùng pha” với đầu vào.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Back to top button