Bộ khuếch đại vi sai

Bộ khuếch đại vi sai

Bộ khuếch đại vi sai khuếch đại sự khác biệt điện áp hiện tại trên các đầu vào đảo và không đảo

Chúng ta chỉ sử dụng một trong các đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán để kết nối với bộ khuếch đại, sử dụng đầu vào “đảo” hoặc “không đảo” để khuếch đại một tín hiệu đầu vào duy nhất với đầu vào khác được kết nối với đất.

Nhưng vì một bộ khuếch đại thuật toán tiêu chuẩn có hai đầu vào, đảo và không đảo, chúng ta cũng có thể kết nối tín hiệu với cả hai đầu vào này cùng lúc để tạo ra một loại mạch khuếch đại thuật toán phổ biến khác được gọi là Bộ khuếch đại vi sai .

Về cơ bản, như chúng ta đã thấy trong hướng dẫn đầu tiên về bộ khuếch đại thuật toán, tất cả các bộ khuếch đại op-amp đều là “Bộ khuếch đại vi sai” do cấu hình đầu vào của chúng. Nhưng bằng cách kết nối một tín hiệu điện áp với một đầu vào và một tín hiệu điện áp khác vào đầu còn lại, điện áp đầu ra kết quả sẽ tỷ lệ với “Chênh lệch” giữa hai tín hiệu điện áp đầu vào là V1 và V2 .

Sau đó, các bộ khuếch đại vi sai khuếch đại sự khác biệt giữa hai điện áp làm cho loại mạch khuếch đại thuật toán này trở thành một bộ trừ không giống như một bộ khuếch đại cộng các điện áp đầu vào với nhau. Loại mạch khuếch đại thuật toán này thường được gọi là Bộ khuếch đại vi sai và được hiển thị bên dưới:

Bộ khuếch đại vi sai

Bằng cách kết nối lần lượt từng đầu vào với đất 0v, chúng ta có thể chồng chập để giải quyết điện áp đầu ra Vout . Khi đó, hàm truyền cho mạch Khuếch đại vi sai được đưa ra là:

Khi điện trở, R1 = R2 và R3 = R4 , hàm truyền trên cho bộ khuếch đại vi sai có thể được đơn giản hóa thành biểu thức sau:

Phương trình bộ khuếch đại vi sai

Nếu tất cả các điện trở đều có cùng giá trị nghĩa là: R1 = R2 = R3 = R4 thì mạch sẽ trở thành Bộ khuếch đại vi sai đơn vị và độ lợi điện áp của bộ khuếch đại sẽ chính xác = 1. Khi đó, biểu thức đầu ra sẽ đơn giản là Vout = V 2  – V 1 .

Cũng lưu ý rằng nếu đầu vào V1 cao hơn đầu vào V2 , tổng điện áp đầu ra sẽ là âm, và nếu V2 cao hơn V1 , tổng điện áp đầu ra sẽ là dương.

Mạch khuếch đại vi sai là một mạch op-amp rất hữu ích và bằng cách thêm điện trở song song với điện trở đầu vào R1  và  R3 , mạch kết quả có thể được thực hiện để một trong hai phép tính “cộng” hoặc “trừ” điện áp áp dụng cho đầu vào tương ứng. Một trong những cách phổ biến nhất để thực hiện việc này là kết nối “Cầu điện trở” thường được gọi là Cầu Wheatstone với đầu vào của bộ khuếch đại như hình dưới đây.

Bộ khuếch đại vi sai cầu Wheatstone

Mạch Khuếch đại vi sai tiêu chuẩn giờ đây trở thành bộ so sánh điện áp vi sai bằng cách “So sánh” một điện áp đầu vào với điện áp đầu vào kia. Ví dụ, bằng cách kết nối một đầu vào với tham chiếu điện áp cố định được thiết lập trên một chân của mạng cầu điện trở và chân kia với “Nhiệt điện trở” hoặc “Điện trở quang”, mạch khuếch đại có thể được sử dụng để phát hiện thấp hoặc cao mức nhiệt độ hoặc ánh sáng khi điện áp đầu ra trở thành một hàm tuyến tính của những thay đổi trong chân hoạt động của cầu điện trở và điều này được minh họa dưới đây.

Bộ khuếch đại vi sai kết hợp với quang trở

Ở đây, mạch ở trên hoạt động như một công tắc khi có ánh sáng, chuyển rơ le đầu ra “BẬT” hoặc “TẮT” khi mức ánh sáng được phát hiện bởi điện trở LDR vượt quá hoặc giảm xuống dưới một số giá trị đặt trước. Tham chiếu điện áp cố định được áp dụng cho cực đầu vào không đảo của op-amp thông qua mạng phân áp R1 – R2 .

Giá trị điện áp tại V1 đặt điểm khởi động op-amps bằng chiết áp phản hồi VR2 được sử dụng để đặt độ trễ chuyển mạch. 

Chân thứ hai của bộ khuếch đại vi sai bao gồm một điện trở quang, còn được gọi là LDR, cảm biến quang thay đổi giá trị điện trở của nó với lượng ánh sáng.

LDR có thể là bất kỳ loại tế bào quang dẫn cadmium-sulphide (cdS) tiêu chuẩn nào, chẳng hạn như NORP12 thông thường có dải điện trở từ khoảng 500Ω trong ánh sáng mặt trời đến khoảng 20kΩ hoặc hơn trong tối.

Tế bào quang dẫn NORP12 có phản ứng quang phổ tương tự như phản ứng của mắt người, lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng loại điều khiển ánh sáng. Điện trở của tế bào quang điện tỷ lệ với mức ánh sáng và giảm khi cường độ ánh sáng tăng dần, do đó mức điện áp tại V2 cũng sẽ thay đổi trên hoặc dưới điểm chuyển mạch có thể được xác định bởi vị trí của VR1 .

Sau đó, bằng cách điều chỉnh chiết áp VR1 và độ trễ chuyển mạch bằng chiết áp, VR2 có thể tạo ra một công tắc nhạy sáng chính xác. Tùy thuộc vào ứng dụng, đầu ra từ op-amp có thể chuyển trực tiếp hoặc sử dụng công tắc bóng bán dẫn để điều khiển rơ le hoặc đèn.

Cũng có thể phát hiện nhiệt độ bằng cách sử dụng loại cấu hình mạch đơn giản này bằng cách thay thế điện trở quang bằng một điện trở nhiệt. Bằng cách hoán đổi vị trí của VR1 và LDR , mạch có thể được sử dụng để phát hiện sáng hoặc tối, nhiệt độ bằng cách sử dụng một điện trở nhiệt.

Một hạn chế chính của kiểu thiết kế bộ khuếch đại này là trở kháng đầu vào của nó thấp hơn so với các cấu hình bộ khuếch đại thuật toán khác, ví dụ như bộ khuếch đại không đảo.

Mỗi nguồn điện áp đầu vào phải điều khiển dòng điện qua một điện trở đầu vào, có trở kháng tổng thể nhỏ hơn so với trở kháng của riêng đầu vào op-amps. Điều này có thể tốt cho một nguồn trở kháng thấp như mạch cầu ở trên, nhưng không tốt cho một nguồn trở kháng cao.

Một cách để khắc phục sự cố này là thêm Bộ khuếch đại bộ đệm như bộ theo điện áp được thấy trong hướng dẫn trước vào mỗi điện trở đầu vào. Điều này cho chúng ta một mạch khuếch đại vi sai với trở kháng đầu vào rất cao và trở kháng đầu ra thấp vì nó bao gồm hai bộ đệm không đảo và một bộ khuếch đại vi sai. Tạo ra “Bộ khuếch đại dụng cụ”.

Bộ khuếch đại in-amp

Bộ khuếch đại in-amps là bộ khuếch đại vi sai có độ lợi rất cao có trở kháng đầu vào cao và một đầu ra. Bộ khuếch đại này chủ yếu được sử dụng để khuếch đại các tín hiệu vi sai rất nhỏ từ đồng hồ đo biến dạng, cặp nhiệt điện hoặc thiết bị cảm biến dòng điện trong hệ thống điều khiển động cơ.

Không giống như các bộ khuếch đại thuật toán tiêu chuẩn, trong đó độ lợi vòng kín của chúng được xác định bằng phản hồi điện trở bên ngoài được kết nối giữa đầu ra của chúng và một đầu vào, dương hoặc âm, nó có điện trở phản hồi bên trong được cách ly hiệu quả với các đầu vào khi tín hiệu đầu vào được áp dụng trên hai đầu vào vi sai, V1 và V2 .

Bộ khuếch đại in-amp cũng có tỷ lệ loại bỏ chế độ chung rất tốt, CMRR (đầu ra bằng không khi V1  =  V2 ) vượt quá 100dB ở DC.  Dưới đây là một ví dụ điển hình về bộ khuếch đại in-amp với trở kháng đầu vào cao (  Zin ):

Bộ khuếch đại vi sai trở kháng đầu vào cao

Hai bộ khuếch đại không đảo tạo thành tầng đầu vào vi sai hoạt động như bộ khuếch đại đệm với độ lợi 1 + 2R2 / R1 đối với tín hiệu đầu vào vi sai và độ lợi =1 đối với tín hiệu đầu vào chế độ chung. Vì bộ khuếch đại A1 và A2 là bộ khuếch đại hồi tiếp âm vòng kín, chúng ta có thể mong đợi điện áp tại Va bằng điện áp đầu vào V1 . Tương tự, điện áp Vb bằng giá trị V2 .

Vì op-amps không có dòng điện tại các cực đầu vào, cùng một dòng điện phải chạy qua mạng ba điện trở R2 , R1 và R2 được kết nối qua các đầu ra op-amp. Điều này có nghĩa là khi đó điện áp ở đầu trên của R1 sẽ bằng V1 và điện áp ở đầu dưới của R1 sẽ bằng V2 .

Điều này tạo ra sụt áp trên điện trở R1 bằng với hiệu điện thế giữa đầu vào V1 và V2 , điện áp đầu vào vi sai, vì điện áp tại điểm giao nhau tổng của mỗi bộ khuếch đại, Va và Vb bằng điện áp đặt vào đầu vào dương của nó .

Tuy nhiên, nếu một điện áp chế độ chung được áp dụng cho các đầu vào của bộ khuếch đại, điện áp trên mỗi bên của R1 sẽ bằng nhau và không có dòng điện nào chạy qua điện trở này. Vì không có dòng điện nào chạy qua R1 (do đó cũng không qua cả hai điện trở R2 , bộ khuếch đại A1 và A2 sẽ hoạt động như (bộ đệm). Vì điện áp đầu vào ở đầu ra của bộ khuếch đại A1 và A2 xuất hiện khác nhau trên mạng ba điện trở , độ lợi vi phân của mạch có thể thay đổi bằng cách thay đổi giá trị của R1 .

Điện áp đầu ra từ op-amp vi sai A3 hoạt động như một bộ trừ, chỉ đơn giản là sự khác biệt giữa hai đầu vào của nó (  V2 – V1  ) và được khuếch đại bởi độ lợi của A3 có thể là một (giả sử rằng R3 = R4 ). Sau đó, chúng ta có một biểu thức chung cho độ lợi điện áp tổng thể của mạch khuếch đại thiết bị đo như:

Phương trình bộ khuếch đại in-amp

Trong hướng dẫn tiếp theo về Bộ khuếch đại thuật toán, chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của điện áp đầu ra, Vout khi điện trở phản hồi được thay thế bằng điện trở phụ thuộc tần số ở dạng điện dung. Việc bổ sung điện dung phản hồi này tạo ra một mạch khuếch đại thuật toán phi tuyến tính được gọi là Bộ khuếch đại tích phân.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Back to top button