Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về Mạch khuếch đại cộng điện áp (Summing Amplifier), các cấu hình, kiểu mạch khuếch đại cộng điện áp (đảo pha và không đảo pha) và một số ứng dụng của Mạch khuếch đại cộng điện áp.
Một trong những ứng dụng quan trọng của Mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier) là Mạch khuếch đại cộng điện áp hay còn gọi là Mạch cộng (Adder). Như tên gọi, Mạch khuếch đại cộng điện áp là một mạch dựa trên Op-amp, trong đó nhiều tín hiệu đầu vào với các điện áp khác nhau được cộng lại.
Mạch khuếch đại cộng điện áp là gì?
Nhiều ứng dụng trong mạch điện tử đòi hỏi hai hoặc nhiều tín hiệu tương tự phải được cộng hoặc kết hợp thành một tín hiệu duy nhất. Một trong những ví dụ điển hình cho yêu cầu này là trong các ứng dụng ghi âm và phát sóng nhạc. Trong trường hợp thiết lập ghi âm nhạc điển hình, nó có một số đầu vào từ nhiều micro nhưng đầu ra là âm thanh stereo (trái và phải).
Đây là nơi Mạch khuếch đại cộng điện áp phát huy tác dụng, vì nó kết hợp nhiều đầu vào thành một tín hiệu chung mà không bị nhiễu hay can nhiễu. Vì lý do này, Mạch khuếch đại cộng điện áp còn được gọi là Mạch cộng điện áp (Voltage Adder) vì đầu ra của nó là tổng của các điện áp hiện diện tại đầu vào.
Mạch khuếch đại cộng điện áp đảo pha (Inverting Summing Amplifier)
Mạch khuếch đại cộng điện áp thường được sử dụng nhất là một phiên bản mở rộng của cấu hình Mạch khuếch đại đảo pha (Inverting Amplifier), tức là nhiều đầu vào được áp dụng cho đầu vào đảo của Op Amp, trong khi đầu vào không đảo được nối đất. Do cấu hình này, đầu ra của mạch Mạch cộng điện áp lệch pha 180° so với đầu vào.
Một thiết kế tổng quát của Mạch khuếch đại cộng điện áp được thể hiện trong sơ đồ mạch sau. Mạch Mạch khuếch đại đảo pha thông thường chỉ có một điện áp / đầu vào tại đầu vào đảo của nó. Nếu có thêm các điện áp đầu vào được kết nối với đầu vào đảo như hình vẽ, kết quả đầu ra sẽ là tổng của tất cả các điện áp đầu vào, nhưng bị đảo.
Trước khi phân tích mạch trên, chúng ta hãy thảo luận về một điểm quan trọng trong cấu hình này: Khái niệm Virtual Ground (Đất ảo). Vì đầu vào không đảo của mạch trên được nối đất, nên đầu vào đảo của Op Amp ở điểm đất ảo. Do đó, nút đầu vào đảo trở thành một nút lý tưởng để tổng hợp các dòng điện đầu vào.
Sơ đồ mạch của một mạch khuếch đại cộng điện áp được thể hiện trong hình trên. Thay vì sử dụng một điện trở đầu vào duy nhất, tất cả các nguồn đầu vào đều có điện trở dẫn động đầu vào riêng. Một mạch như thế này khuếch đại từng tín hiệu đầu vào. Hệ số khuếch đại cho mỗi đầu vào được cho bởi tỷ số của điện trở phản hồi Rf với điện trở đầu vào trong nhánh tương ứng.
Tính điện áp đầu ra của Mạch khuếch đại cộng điện áp đảo pha
Giả sử R1 là trở kháng đầu vào và V1 là điện áp đầu vào của kênh thứ nhất. Tương tự, R2 – V2 cho kênh thứ hai, R3 – V3 cho kênh thứ ba và tiếp tục cho đến Rn – Vn cho kênh thứ n.
Đã nói rằng một mạch khuếch đại cộng điện áp về cơ bản là một Mạch khuếch đại đảo pha với nhiều điện áp ở đầu vào đảo. Điện áp đầu ra cho mỗi kênh có thể được tính riêng rẽ và điện áp đầu ra cuối cùng sẽ là tổng của tất cả các điện áp đầu ra riêng.
Để tính điện áp đầu ra của một kênh cụ thể, chúng ta phải nối đất tất cả các kênh còn lại và sử dụng công thức điện áp đầu ra khuếch đại đảo cơ bản cho mỗi kênh.
Nếu tất cả các kênh được nối đất trừ kênh đầu tiên, thì đầu ra cho kênh đầu tiên là:
VOUT1 = – (Rf / R1) V1
Trong đó, – (Rf / R1) là độ lợi điện áp cho kênh đầu tiên (AV1).
Tương tự, nếu tất cả các kênh được nối đất trừ kênh thứ hai, thì đầu ra cho kênh thứ hai là:
VOUT2 = – (Rf / R2) V2
Trong đó, – (Rf / R2) là độ lợi điện áp cho kênh thứ hai (AV2).
Tương tự, đầu ra cho kênh thứ n là:
VOUTn = – (Rf / Rn) Vn
Và – (Rf / Rn) là độ lợi điện áp cho kênh thứ n (AVn).
Tín hiệu đầu ra là tổng đại số của các đầu ra riêng hoặc nói cách khác, nó là tổng của tất cả các đầu vào nhân với độ lợi tương ứng của chúng.
VOUT = VOUT1 + VOUT2 + … + VOUTn
VOUT = – [(Rf / R1) V1 + (Rf / R2) V2 + … + (Rf / Rn) Vn]
VOUT = V1 AV1 + V2 AV2 + … + Vn AVn
Trong mạch khuếch đại cộng điện áp, nếu trở kháng đầu vào không bằng nhau thì mạch được gọi là Mạch khuếch đại cộng điện áp chia tỷ lệ (Scaling Summing Amplifier). Nhưng nếu tất cả các điện trở đầu vào được chọn có cùng độ lớn thì Mạch khuếch đại cộng điện áp được gọi là có cấu hình trọng số bằng nhau (equal-weighted), trong đó độ lợi cho mỗi kênh đầu vào là như nhau.
Đôi khi, chỉ cần cộng các điện áp đầu vào mà không cần khuếch đại chúng. Trong các trường hợp như vậy, giá trị điện trở đầu vào R1, R2, R3… phải được chọn bằng với điện trở phản hồi Rf. Kết quả là, độ lợi của mạch khuếch đại sẽ bằng 1. Do đó, điện áp đầu ra sẽ là tổng của các điện áp đầu vào.
Về mặt lý thuyết, chúng ta có thể áp dụng nhiều tín hiệu đầu vào vào đầu vào của mạch khuếch đại cộng điện áp theo yêu cầu. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng tất cả các dòng điện đầu vào được cộng lại và sau đó được phản hồi qua điện trở Rf, vì vậy chúng ta nên biết công suất định mức của các điện trở.
Mạch khuếch đại cộng điện áp không đảo pha (Non-Inverting Summing Amplifier)
Một Mạch khuếch đại cộng điện áp không đảo cũng có thể được chế tạo bằng cách sử dụng cấu hình Mạch khuếch đại không đảo (Non-Inverting Amplifier) của Op Amp. Ở đây, các điện áp đầu vào được áp dụng cho đầu vào không đảo của Op Amp và một phần của đầu ra được phản hồi lại đầu vào đảo, thông qua mạch phản hồi chia điện áp.
Mạch của Mạch khuếch đại cộng điện áp không đảo được thể hiện trong hình sau. Để tiện theo dõi, mạch sau chỉ bao gồm ba đầu vào, nhưng có thể thêm nhiều đầu vào nữa.
Trước hết, mặc dù đây cũng là một Mạch khuếch đại cộng điện áp, nhưng các phép tính không đơn giản như Mạch khuếch đại cộng điện áp đảo vì không có lợi thế của nút tổng hợp đất ảo trong Mạch khuếch đại cộng điện áp không đảo.
Tính điện áp đầu ra của Mạch khuếch đại cộng điện áp không đảo
Để hiểu hoạt động của Mạch khuếch đại cộng điện áp không đảo, chúng ta phải chia mạch thành hai phần:
-
- Phần điện trở đầu vào / nguồn
- Phần Mạch khuếch đại không đảo
Nếu VIN là tổ hợp của tất cả các tín hiệu đầu vào thì điều này được áp dụng tại đầu vào không đảo của Op Amp. Từ sơ đồ mạch trên, chúng ta có thể tính điện áp đầu ra của Mạch khuếch đại không đảo với VIN làm đầu vào và Rf và Ri làm các điện trở chia phản hồi như sau:
- VOUT = VIN (1 + (Rf / Ri))
Khi điện áp đầu ra đã được tính, bây giờ chúng ta phải xác định giá trị của VIN. Nếu V1, V2 và V3 là ba nguồn đầu vào chính còn R1, R2 và R3 là các điện trở đầu vào của chúng thì VIN1, VIN2 và VIN3 tương ứng là các đầu vào của các kênh tương ứng khi các kênh còn lại được nối đất. Vì vậy,
- VIN = VIN1 + VIN2 + VIN3
Vì khái niệm đất ảo không áp dụng ở đây nên tất cả các kênh sẽ ảnh hưởng lẫn nhau. Hãy tính phần VIN1 của VIN và bằng toán học đơn giản, chúng ta có thể dễ dàng rút ra hai giá trị còn lại là VIN2 và VIN3.
Đối với VIN1, khi V2 và V3 được nối đất thì các điện trở tương ứng của chúng không thể bị bỏ qua vì chúng tạo thành một mạng chia điện áp. Vì vậy,
- VIN1 = V1 [(R2 || R3) / (R1 + (R2 || R3))]
Tương tự, chúng ta có thể tính hai giá trị còn lại VIN2 và VIN3 như sau:
- VIN2 = V2 [(R1 || R3) / (R2 + (R1 || R3))]
- VIN3 = V3 [(R1 || R2) / (R3 + (R1 || R2))]
Vì thế,
- VIN = VIN1 + VIN2 + VIN3
- VIN = V1 [(R2 || R3) / (R1 + (R2 || R3))] + V2 [(R1 || R3) / (R2 + (R1 || R3))] + V3 [(R1 || R2) / (R3 + (R1 || R2))]
Cuối cùng, chúng ta có thể tính điện áp đầu ra VOUT như sau:
- VOUT = VIN (1 + (Rf / Ri))
- VOUT = (1 + (Rf / Ri)) {V1 [(R2 || R3) / (R1 + (R2 || R3))] + V2 [(R1 || R3) / (R2 + (R1 || R3))] + V3 [(R1 || R2) / (R3 + (R1 || R2))]}
Nếu chúng ta xét điều kiện đặc biệt có trọng số bằng nhau, khi tất cả các điện trở đều có cùng giá trị thì điện áp đầu ra là:
VOUT = (1 + (Rf / Ri)) ( (V1 + V2 + V3) / 3)
Thiết kế mạch tổng hợp không đảo được tiếp cận bằng cách đầu tiên thiết kế mạch khuếch đại không đảo để có độ khuếch đại điện áp cần thiết. Sau đó, các điện trở đầu vào được lựa chọn càng lớn càng tốt để phù hợp với loại op-amp được sử dụng.
Ví dụ về Mạch cộng điện áp
Ba tín hiệu âm thanh dẫn động một mạch khuếch đại cộng điện áp như hình vẽ sau. Hãy tính điện áp đầu ra?
Độ lợi điện áp vòng kín của mỗi kênh có thể được tính như sau:
- ACL1 = – (Rf / R1) = – (100 KΩ / 20 KΩ) = – 5
- ACL2 = – (Rf / R2) = – (100 KΩ / 10 KΩ) => ACL2 = – 10
- ACL3 = – (Rf / R3) = – (100 KΩ / 50 KΩ) => ACL3 = – 2
Điện áp đầu ra của mạch khuếch đại cộng điện áp được cho bởi:
- VOUT = (ACL1 V1 + ACL2 V1 + ACL3 V1)
= – [(5 * 100 mV) + (10 * 200 mV) + (2 * 300 mV)]
= – (0.5 V + 2 V + 0.6 V)
- VOUT = – 3.1 V
Ứng dụng của Mạch khuếch đại cộng điện áp
Trộn âm thanh (Audio Mixer)
Mạch khuếch đại cộng điện áp là một mạch hữu ích khi cần cộng hoặc kết hợp hai hoặc nhiều tín hiệu, như trong các ứng dụng trộn âm thanh. Âm thanh từ các nhạc cụ khác nhau có thể được chuyển đổi thành mức điện áp cụ thể, sử dụng cảm biến và được kết nối làm đầu vào cho mạch khuếch đại cộng điện áp.
Các nguồn tín hiệu khác nhau này sẽ được kết hợp với nhau bởi mạch khuếch đại cộng điện áp và tín hiệu tổ hợp được gửi đến mạch khuếch đại âm thanh. Sơ đồ mạch ví dụ về mạch khuếch đại cộng điện áp làm bộ trộn âm thanh được thể hiện trong hình dưới đây.
Mạch khuếch đại cộng điện áp có thể hoạt động như một bộ trộn âm thanh đa kênh cho nhiều kênh âm thanh. Sẽ không xảy ra can nhiễu (phản hồi từ kênh này sang đầu vào của kênh khác) vì mỗi tín hiệu được áp dụng qua một điện trở, với đầu kia nối với nối đất.
Bộ chuyển đổi số sang tương tự (Digital to Analog Converter – DAC)
Bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) chuyển đổi dữ liệu nhị phân được áp dụng cho đầu vào của nó thành giá trị điện áp tương tự tương đương. Các ứng dụng điều khiển công nghiệp thời gian thực thường sử dụng vi máy tính. Dữ liệu số đầu ra của các vi máy tính này cần được chuyển đổi thành điện áp tương tự để điều khiển động cơ, rơle, cơ cấu chấp hành, v.v.
Mạch Bộ chuyển đổi số sang tương tự đơn giản nhất sử dụng mạch khuếch đại cộng điện áp và mạng điện trở có trọng số. Sơ đồ mạch DAC 4 bit điển hình sử dụng mạch khuếch đại cộng điện áp được thể hiện trong hình dưới đây.
Các đầu vào của mạch khuếch đại cộng điện áp được minh họa ở trên là dữ liệu nhị phân QA, QB, QC và QD, thường là 5V để biểu thị logic 1 và 0V để biểu thị logic 0.
Nếu các điện trở đầu vào trong mỗi nhánh được chọn sao cho giá trị của mỗi điện trở đầu vào gấp đôi giá trị của điện trở ở nhánh đầu vào trước đó thì điện áp logic kỹ thuật số ở đầu vào sẽ tạo ra một đầu ra là tổng có trọng số của các điện áp đầu vào được áp dụng.
Độ chính xác của mạch bộ chuyển đổi số sang tương tự như vậy bị giới hạn bởi độ chính xác của các giá trị điện trở được sử dụng và sự thay đổi trong việc biểu diễn các mức logic.
Bộ dịch mức (Level Shifter)
Một ứng dụng quan trọng khác của Mạch khuếch đại cộng điện áp là Bộ dịch mức. Mạch khuếch đại cộng điện áp 2 đầu vào có thể hoạt động như một bộ dịch mức, trong đó một đầu vào là tín hiệu AC và đầu vào thứ hai là tín hiệu DC.
Tín hiệu AC sẽ được offset bởi tín hiệu DC đầu vào. Một trong những ứng dụng chính của bộ dịch mức như vậy là trong các bộ tạo tín hiệu để điều khiển offset DC.
