Trong bài hướng dẫn này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một trong những mạch quan trọng trong thiết kế mạch tương tự: Mạch khuếch đại vi sai. Về cơ bản, nó là một Mạch khuếch đại điện tử có hai đầu vào và khuếch đại chênh lệch giữa hai đầu vào đó. Chúng ta sẽ xem xét nguyên lý làm việc của Mạch khuếch đại vi sai, tính toán độ khuếch đại và CMRR của nó, liệt kê một số đặc tính quan trọng cũng như xem một ví dụ và ứng dụng.
Mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp) về bản chất bên trong là một Mạch khuếch đại vi sai (làm tầng đầu vào của nó) với các đặc điểm quan trọng khác như trở kháng đầu vào cao, trở kháng đầu ra thấp, v.v… Để biết thêm thông tin về Op-amp, hãy đọc Những kiến thức cơ bản về Mạch khuếch đại thuật toán.
Cấu hình Mạch khuếch đại vi sai là một trong những khối xây dựng được sử dụng rộng rãi nhất trong thiết kế mạch tích hợp tương tự. Nó là tầng đầu vào của mọi Mạch khuếch đại thuật toán.
Mạch khuếch đại sai lệch hoặc Mạch khuếch đại vi sai khuếch đại sự chênh lệch giữa hai tín hiệu đầu vào. Một Mạch khuếch đại thuật toán là một Mạch khuếch đại sai lệch; nó có một đầu vào nghịch đảo và một không nghịch đảo. Tuy nhiên độ khuếch đại điện áp vòng hở của một Mạch khuếch đại thuật toán quá cao (lý tưởng là vô cùng) để sử dụng mà không cần kết nối phản hồi.
Vì vậy, một Mạch khuếch đại vi sai thực tế sử dụng phản hồi âm để điều khiển độ khuếch đại điện áp của Mạch khuếch đại.
Mạch khuếch đại vi sai Hình ảnh sau đây cho thấy một Mạch khuếch đại vi sai đơn giản sử dụng một Op Amp. Ở đây, V1 là điện áp đầu vào không đảo, V2 là điện áp đầu vào đảo và VOUT là điện áp đầu ra.
Nếu bạn quan sát mạch trên của Mạch khuếch đại sai lệch, nó là sự kết hợp của cả Mạch khuếch đại nghịch đảo và không nghịch đảo. Vì vậy, để tính điện áp đầu ra của Mạch khuếch đại vi sai, chúng ta sẽ sử dụng cả đầu ra nghịch đảo và không nghịch đảo rồi cộng chúng lại với nhau.
Tính toán điện áp đầu ra
Gọi V+ là điện áp tại đầu không nghịch đảo và V- là điện áp tại đầu nghịch đảo của mạch Mạch khuếch đại vi sai trên. Chúng ta có thể tính giá trị V+ bằng quy tắc chia điện áp.
Các điện trở R1 và R2 tạo thành một mạng chia áp với V1 là điện áp đầu vào và V+ là điện áp đầu ra, điện áp V+ này được áp vào đầu không nghịch đảo. Vì vậy:
V+ = V1 (R2 / R1 + R2)
Nếu V+ là đầu vào của đầu không nghịch đảo và G+ là độ khuếch đại của Mạch khuếch đại không nghịch đảo thì đầu ra không nghịch đảo VOUT+ được cho bởi:
VOUT+ = V+ G+
Từ mạch trên, chúng ta có thể tính độ khuếch đại không nghịch đảo G+ là:
G+ = (R3 + R4) / R3 = 1 + (R4 / R3)
Sử dụng các giá trị V+ và G+ vào phương trình VOUT+, chúng ta có:
VOUT+ = V1 (R2 / R1 + R2) (1 + (R4 / R3))
Đối với đầu ra nghịch đảo VOUT-, chúng ta phải tính nó theo đầu vào nghịch đảo V2 và độ khuếch đại nghịch đảo G-.
VOUT– = V2 G–
Từ mạch trên, chúng ta có thể tính độ khuếch đại nghịch đảo G- là:
G– = – R4 / R3
Vì vậy, VOUT- được cho bởi:
VOUT– = V2 (– R4 / R3)
Chúng ta đã có cả giá trị VOUT+ và VOUT-. Để có giá trị VOUT cuối cùng, chúng ta phải cộng các giá trị này lại với nhau.
VOUT = VOUT+ + VOUT–
VOUT = V1 (R2 / R1 + R2) (1 + (R4 / R3)) – V2 (R4 / R3)
Đây là điện áp đầu ra của một Mạch khuếch đại vi sai. Phương trình trên trông khá phức tạp. Vì vậy, để giảm độ phức tạp và đơn giản hóa phương trình, hãy lấy một trường hợp đặc biệt là R3 = R1 và R4 = R2.
Nếu áp dụng các giá trị này vào phương trình trên, chúng ta có điện áp đầu ra là:
VOUT = R2 / R1 (V1 – V2) = R4 / R3 (V1 – V2)
Bây giờ, từ phương trình này, rõ ràng là điện áp vi sai (V1 – V2) được nhân với độ khuếch đại R2 / R1. Do đó, nó là Mạch khuếch đại vi sai.
Tính điện áp đầu ra theo cách khác
Bây giờ, chúng ta hãy tính điện áp đầu ra bằng cách xác định dòng điện tại đầu vào nghịch đảo của Mạch khuếch đại thuật toán. Giả sử mạch sau đây cho Mạch khuếch đại vi sai. Mạch này tương tự như mạch trước, ngoại trừ trường hợp đặc biệt với R3 = R1 và R4 = R2.
Đầu tiên, chúng ta phải xác định điện áp tại đầu không nghịch đảo (V+). Chúng ta đã tính toán điều này trong phép suy luận trước bằng cách sử dụng quy tắc chia điện áp. Giá trị được cho bởi:
V+ = V1 (R2 / R1 + R2)
Bây giờ, từ sự hiểu biết cơ bản về Mạch khuếch đại thuật toán, chúng ta có thể nói rằng không có dòng điện chảy vào hoặc ra khỏi các đầu cuối đầu vào của Mạch khuếch đại thuật toán. Vì vậy, dòng điện đi vào đầu cuối nghịch đảo I1 bằng dòng điện rời khỏi đầu cuối I2.
I1 = I2
Sử dụng quy tắc này làm tham chiếu, chúng ta có thể áp dụng định luật dòng điện Kirchhoff tại đầu vào nghịch đảo, chúng ta có:
(V2 – V–) / R1 = (V– – VOUT) / R2
Một quy tắc quan trọng khác về Mạch khuếch đại thuật toán là nó cố gắng giữ các đầu vào ở cùng một điện áp. Vì vậy, V+ = V-. Sử dụng quy tắc này, chúng ta có thể thay thế V- trong phương trình trên bằng giá trị V+ đã tính trước đó.
Sau khi thay thế và thực hiện một số tính toán, chúng ta thu được:
VOUT = R2 / R1 (V1 – V2)
LƯU Ý: Trong tất cả các phép tính trước đó, chúng tôi lấy một trường hợp đặc biệt là R3 = R1 và R4 = R2. Thực tế, thay vì điều này, chúng ta phải xem xét các tỷ lệ, nghĩa là:
R3 / R4 = R1 / R2
Nếu điều kiện này được sử dụng thì các điện trở được cho là ở trong cầu cân bằng.
Các tham số quan trọng của Mạch khuếch đại vi sai
Bây giờ, chúng ta hãy xem một số tham số quan trọng của Mạch khuếch đại vi sai. Chúng bao gồm:
- Độ khuếch đại
- Đầu vào chế độ chung (Common Mode Input)
- Tỷ số loại bỏ chế độ chung – CMRR (Common Mode Rejection Ratio)
Độ khuếch đại Mạch khuếch đại vi sai
Độ khuếch đại của một Mạch khuếch đại vi sai là tỷ số giữa tín hiệu đầu ra và hiệu của các tín hiệu đầu vào được áp dụng. Từ các phép tính trước, chúng ta có điện áp đầu ra VOUT là
VOUT = R2 / R1 (V1 – V2)
Vì vậy, độ khuếch đại Mạch khuếch đại vi sai AD được cho bởi
AD = VOUT / (V1 – V2) = R2 / R1
Đầu vào chế độ chung
Trong tất cả các phép tính trước, chúng ta giả sử điều kiện cầu cân bằng, nghĩa là R3 / R4 = R1 / R2. Để hiểu một đặc tính duy nhất của Mạch khuếch đại vi sai, chúng ta phải xem xét các thành phần đầu vào chế độ vi sai và chế độ chung.
Đầu vào chế độ vi sai VDM và đầu vào chế độ chung VCM được cho bởi:
VDM = V1 – V2
VCM = (V1 + V2) / 2
Sắp xếp lại hai phương trình trên, chúng ta có
V1 = VCM + VDM / 2 and V2 = VCM – VDM / 2
Sơ đồ mạch sau đây cho thấy các tín hiệu đầu vào chế độ chung.
Vì Mạch khuếch đại vi sai chỉ khuếch đại thành phần chế độ vi sai, nó bỏ qua thành phần chế độ chung. Nếu chúng ta kết nối các đầu vào với nhau, VDM trở thành 0 và VCM là một giá trị khác 0.
Tuy nhiên, một Mạch khuếch đại vi sai thực sự sẽ cho VOUT = 0, vì nó hoàn toàn bỏ qua phần chế độ chung của tín hiệu đầu vào. Do đó, Mạch khuếch đại vi sai thường được sử dụng ở tầng đầu vào của một hệ thống để loại bỏ DC hoặc nhiễu chế độ chung từ đầu vào.
Tất cả các phép tính này chỉ đúng nếu các điện trở tạo thành điều kiện cầu cân bằng. Vì đầu ra của một Mạch khuếch đại sai lệch thực tế phụ thuộc vào tỷ lệ của các điện trở đầu vào, nếu các tỷ lệ điện trở này không hoàn toàn bằng nhau, điện áp chế độ chung VCM sẽ không bị loại bỏ hoàn toàn. Vì thực tế không thể khớp các tỷ lệ điện trở một cách hoàn hảo, có thể sẽ có một số điện áp chế độ chung.
Với điện áp đầu vào chế độ chung hiện diện, điện áp đầu ra của Mạch khuếch đại vi sai được cho bởi:
VOUT = AD VDM + AC VCM
Trong đó:
- VDM là điện áp vi sai V1 – V2
- VCM là điện áp chế độ chung (V1 + V2) / 2
- AD và AC lần lượt là độ khuếch đại chế độ vi sai và chế độ chung.
Tỷ số loại bỏ chế độ chung (CMRR)
Khả năng loại bỏ các tín hiệu đầu vào chế độ chung của Mạch khuếch đại vi sai được biểu thị bằng tỷ số loại bỏ chế độ chung (CMRR). CMRR của một Mạch khuếch đại vi sai được tính toán bằng tỷ số giữa độ khuếch đại điện áp chế độ vi sai (AD) và độ khuếch đại chế độ chung (AC).
CMRR = AD / AC
Tính theo đơn vị decibel (dB), CMRR được biểu diễn là:
CMRRdB = 20 log10 (| AD / AC |)
Đối với một Mạch khuếch đại vi sai lý tưởng, độ khuếch đại điện áp chế độ chung bằng 0. Do đó, CMRR là vô cùng.
Đặc điểm của Mạch khuếch đại vi sai
- Độ khuếch đại điện áp vi sai cao
- Độ khuếch đại chế độ chung thấp
- Trở kháng đầu vào cao
- Trở kháng đầu ra thấp
- CMRR cao
- Băng thông lớn
- Điện áp offset và dòng điện thấp
Mạch khuếch đại vi sai dùng làm bộ so sánh
Mạch Mạch khuếch đại vi sai là một mạch Mạch khuếch đại thuật toán rất hữu ích, vì nó có thể được cấu hình để “cộng” hoặc “trừ” các điện áp đầu vào bằng cách thêm thích hợp các điện trở song song với các điện trở đầu vào.
Mạch Mạch khuếch đại vi sai kiểu cầu Wheatstone được thiết kế như hình dưới đây. Mạch này hoạt động như một bộ so sánh điện áp vi sai.
Bằng cách kết nối một đầu vào với một điện áp cố định và đầu kia với một điện trở nhiệt (hoặc điện trở phụ thuộc ánh sáng), mạch Mạch khuếch đại vi sai phát hiện mức nhiệt độ cao hoặc thấp (hoặc cường độ ánh sáng) khi điện áp đầu ra trở thành một hàm tuyến tính của sự thay đổi trong chân tích cực của mạng cầu điện trở.
Mạch khuếch đại vi sai cầu Wheatstone cũng có thể được sử dụng để tìm điện trở chưa biết trong mạng cầu điện trở bằng cách so sánh các điện áp đầu vào qua các điện trở.
Công tắc kích hoạt ánh sáng sử dụng Mạch khuếch đại vi sai
Mạch trong hình sau đây hoạt động như một công tắc phụ thuộc ánh sáng, nó bật hoặc tắt rơ le đầu ra khi cường độ ánh sáng chiếu vào điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR) vượt quá hoặc thấp hơn một giá trị đặt trước tại đầu vào không nghịch đảo V2.
Điện áp V2 được xác định bởi biến trở VR1. Các điện trở R1 và R2 hoạt động như một mạng chia áp. Một điện áp tham chiếu cố định được áp vào đầu vào nghịch đảo thông qua R1 và R2.
Cùng một mạch có thể được sửa đổi để phát hiện sự thay đổi nhiệt độ chỉ bằng cách thay thế LDR bằng một điện trở nhiệt. Bằng cách hoán đổi vị trí của LDR và VR1, mạch có thể được tạo để phát hiện tối hoặc sáng (hoặc nóng hoặc lạnh trong trường hợp sử dụng điện trở nhiệt).
Ví dụ về Mạch khuếch đại vi sai
Xác định điện áp đầu ra của một Mạch khuếch đại vi sai cho các điện áp đầu vào là 300 µV và 240 µV. Độ khuếch đại vi sai của Mạch khuếch đại là 5000 và giá trị CMRR là: (i) 100 (ii) 105
Mạch khuếch đại vi sai cho các dữ liệu đã cho được biểu diễn như trong hình.
Đối với CMRR = 100:
CMRR = AD / AC
100 = 5000 / AC
So, AC = 50
Điện áp chế độ vi sai VDM:
VDM = V1 – V2 = 300 µV – 240 µV = 60 µV
Điện áp chế độ chung VCM:
VCM = (V1 + V2) / 2 = 540 µV / 2 = 270 µV
Điện áp đầu ra VOUT:
VOUT = AD VDM + AC VCM
= 5000 x 60 µV + 50 x 270 µV
VOUT = 313500 µV = 313.500 mV
Đối với CMRR = 105:
AC = AD / CMRR = 5000 / 105 = 0.05
VOUT = AD VDM + AC VCM = 5000 x 60 µV + 0.05 x 270 µV
VOUT = 300013.5 µV = 300.0135 mV
LƯU Ý: Đối với Mạch khuếch đại vi sai lý tưởng, AC = 0. Vì vậy, đầu ra chỉ là AD VDM, dẫn đến VOUT = 5000 x 60 µV = 300 mV.
Tóm tắt về Mạch khuếch đại vi sai
- Mạch khuếch đại vi sai, còn được gọi là Mạch khuếch đại sai lệch, là một cấu hình Mạch khuếch đại thuật toán rất hữu ích vì nó khuếch đại sự chênh lệch giữa các điện áp đầu vào được áp dụng.
- Một Mạch khuếch đại vi sai là sự kết hợp của cả Mạch khuếch đại nghịch đảo và không nghịch đảo. Nó sử dụng kết nối phản hồi âm để điều khiển độ khuếch đại điện áp vi sai.
- Độ khuếch đại điện áp vi sai của Mạch khuếch đại phụ thuộc vào tỷ lệ các điện trở đầu vào. Do đó, bằng cách lựa chọn cẩn thận các điện trở đầu vào, có thể kiểm soát chính xác độ khuếch đại của Mạch khuếch đại sai lệch.
- Độ khuếch đại chế độ chung của một Mạch khuếch đại sai lệch lý tưởng bằng 0. Nhưng do sự không khớp các giá trị điện trở thực tế, sẽ có một điện áp chế độ chung rất nhỏ và độ khuếch đại chế độ chung hữu hạn.
- Bằng cách sửa đổi thích hợp các kết nối điện trở tại các đầu cuối đầu vào, Mạch khuếch đại sai lệch có thể được tạo ra để cộng, trừ và so sánh các mức điện áp đầu vào được áp dụng.
