Mạch khuếch đại đảo rất quan trọng đối với những người đam mê điện tử muốn đảo pha tín hiệu với khả năng điều khiển chính xác Độ lợi. Những bộ khuếch đại này sử dụng phản hồi âm để tạo ra một đầu ra lệch pha 180 độ so với đầu vào, cho phép ứng dụng từ khuếch đại tín hiệu cảm biến đến chuyển đổi dòng điện thành điện áp.
Hiểu được nguyên tắc hoạt động của chúng, bao gồm nối đất ảo và tính toán Độ lợi điện áp, cung cấp một nền tảng vững chắc để thiết kế và tối ưu hóa mạch điện tử cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Mạch khuếch đại đảo hoạt động như thế nào?
Mạch khuếch đại thuật toán có thể được cấu hình để hoạt động như nhiều mạch chức năng khác nhau như bộ khuếch đại, dao động, điều chỉnh điện áp, bộ lọc, bộ chỉnh lưu, v.v. Hầu hết các cấu hình mạch này đều yêu cầu đầu ra của op-amp được kết nối trở lại với đầu vào của nó.
Kết nối này từ đầu ra đến đầu vào được gọi là “phản hồi”. Vì op-amp có hai đầu vào, dương và âm, nên kết nối phản hồi trong op-amp có thể là phản hồi dương hoặc phản hồi âm. Nếu đầu ra được kết nối với đầu vào không đảo của op-amp thì phản hồi được gọi là dương và nếu đầu ra được kết nối với đầu vào đảo thì phản hồi được gọi là âm. Đầu ra được phản hồi trở lại đầu vào của op-amp thông qua một điện trở bên ngoài, gọi là điện trở phản hồi (Rf). Kết nối phản hồi cung cấp phương tiện để kiểm soát chính xác Độ lợi của op-amp, tùy thuộc vào ứng dụng.
Mạch khuếch đại đảo là một cấu hình mạch quan trọng sử dụng op-amp và nó sử dụng kết nối phản hồi âm. Một Mạch khuếch đại đảo, như tên gọi của nó, đảo ngược tín hiệu đầu vào cũng như khuếch đại nó. Một tín hiệu dương tại đầu vào của Mạch khuếch đại đảo sẽ tạo ra một tín hiệu âm tại đầu ra và ngược lại. Một tín hiệu sin xoay chiều tại đầu vào sẽ tạo ra tín hiệu sin lệch pha 180 độ tại đầu ra.
Hình trên cho thấy sơ đồ mạch của một Mạch khuếch đại đảo lý tưởng. Đầu vào được cung cấp cho đầu vào đảo thông qua điện trở R1 và đầu vào không đảo được nối đất. Đầu ra được phản hồi trở lại đầu vào đảo thông qua điện trở phản hồi Rf.
Khi một điện áp dương được đặt vào đầu vào đảo (cực base của transistor Q2), dòng điện ở cực collector của Q2 tăng lên và độ sụt áp qua RC cũng tăng lên. Hiệu ứng này điều khiển điện áp đầu ra xuống thấp vì đầu vào không đảo (cực base của Q1) được nối đất. Cực base của Q2 sẽ được kéo xuống mức nối đất bởi phản hồi âm, bất kể điện áp đầu vào được đặt vào. Do đó, khi Vin được áp dụng, Vout thay đổi đến một mức giữ cho đầu vào đảo ở mức nối đất. Vì lý do này, đầu vào đảo trong cấu hình mạch này được gọi là Nối đất Ảo. Nút của các điện trở R1 và Rf luôn ở mức nối đất do nối đất ảo. Bỏ qua dòng điện phân cực nhỏ chạy vào mạch op-amp, dòng điện I chạy qua cả hai điện trở R1 và Rf. Điện áp đầu vào và đầu ra có thể được tính như sau:
Vin = I.R1
và Vout = -I.Rf
Độ lợi điện áp vòng kín là ACL = Vout / Vin = -I.Rf / I.R1
Độ lợi điện áp của Mạch khuếch đại đảo
Độ lợi điện áp vòng kín của một op amp đảo được cho như sau:
ACL = Vout / Vin = – (Rf / R1)
Dấu âm của phương trình Độ lợi vòng kín cho thấy rằng đầu ra bị đảo ngược so với đầu vào được đặt vào.
Trong một Mạch khuếch đại đảo thực tế, đầu vào không đảo không được nối trực tiếp với nối đất. Nó nên được nối đất bởi một điện trở có cùng giá trị với R1 để giữ cho các dòng điện đầu vào bằng nhau. Điều này mang lại cơ hội tốt hơn cho điện áp đầu ra là không (hoặc gần bằng 0) volt khi đầu vào là không volt.
Lưu ý:
Trong một mạch khuếch đại đảo, nếu cả hai điện trở R1 và Rf có cùng độ lớn Rf = R1, thì Độ lợi của Mạch khuếch đại đảo sẽ là -1, tạo ra một đầu ra bổ sung cho đầu vào được đặt vào, Vout = – Vin. Loại cấu hình khuếch đại đảo này thường được gọi là Bộ đảo Độ lợi Đơn vị hoặc đơn giản là Bộ đệm Đảo.
Đặc tính điện áp khuếch đại đảo
Đặc tính điện áp, hay đường cong truyền đạt, của một op-amp được thể hiện trong hình trên. Có thể thấy rằng khi tín hiệu đầu vào VIN dương, đầu ra VOUT âm và ngược lại. Ngoài ra, đầu ra thay đổi tuyến tính theo đầu vào được đặt vào. Đường cong đặc trưng bão hòa, hay nói cách khác là đầu ra trở thành một hằng số, khi biên độ tín hiệu đầu vào vượt quá các nguồn cấp dương và âm được áp dụng cho Mạch khuếch đại thuật toán.
tức là +VCC = + VSAT và –VCC = -VSAT
Ví dụ về Mạch khuếch đại đảo
- Thiết kế một Mạch khuếch đại đảo có Độ lợi là -10 và điện trở đầu vào bằng 10kΩ.
Đã cho các giá trị Độ lợi và điện trở đầu vào.
Chúng ta biết rằng đối với Mạch khuếch đại đảo, ACL = – Rf/R1
Do đó, Rf = -ACL x R1 = – (-10) x 10 kΩ
Rf = 100 kΩ
- Trong mạch được hiển thị bên dưới, R1 = 10 kΩ, Rf = 100 kΩ, Vin = 1V. Một tải 25 kΩ được kết nối với đầu ra. Tính:
- Dòng điện i1
- Điện áp đầu ra Vout
- Dòng điện tải iL
(i) Dòng điện đầu vào i1
- i1 = Vin / R1 = 1 V / 10k Ω
- i1 = 0,1 mA
(ii) Điện áp đầu ra Vout
- Vout = – (Rf / R1) * Vin = – (100kΩ/10kΩ) x 1 V
- Vout = – 10 V
(iii) Dòng điện tải iL:
- iL = Vout / RL = 10 V / 25kΩ
- iL = 0,4 mA
Bộ khuếch đại xuyên trở
Bộ khuếch đại xuyên trở là một mạch đơn giản chuyển đổi dòng điện đầu vào thành điện áp tương ứng ở đầu ra, nghĩa là nó là một bộ chuyển đổi dòng điện thành điện áp. Bộ khuếch đại xuyên trở có thể được sử dụng để khuếch đại dòng điện đầu ra của quang điện trở, cảm biến quang, gia tốc kế và các loại cảm biến khác thành một giá trị điện áp có thể sử dụng được. Bộ khuếch đại xuyên trở cung cấp trở kháng thấp cho quang điện trở và cách ly nó khỏi điện áp đầu ra của op-amp.
Một bộ khuếch đại xuyên trở đơn giản nhất sẽ có một điện trở phản hồi có giá trị rất lớn. Độ lợi của bộ khuếch đại phụ thuộc vào điện trở này. Tùy thuộc vào ứng dụng, các bộ khuếch đại xuyên trở có thể được cấu hình theo nhiều cách khác nhau. Tất cả các cấu hình khác nhau này đều chuyển đổi dòng điện mức thấp của cảm biến thành mức điện áp đáng kể. Các giá trị Độ lợi, băng thông và offset điện áp/dòng điện thay đổi với các loại cảm biến khác nhau.
Hoạt động DC
Sơ đồ mạch của một bộ khuếch đại xuyên trở cơ bản được hiển thị trong hình trên. Quang điện trở được kết nối với đầu vào đảo. Đầu vào không đảo được nối đất. Điều này cung cấp một tải trở kháng thấp cho quang điện trở, giữ cho điện áp trên quang điện trở thấp. Độ lợi cao của op-amp giữ cho dòng điện quang điện trở bằng với dòng điện phản hồi qua Rf. Vì quang điện trở không có phân cực ngoài trong mạch này, nên điện áp offset đầu vào do quang điện trở gây ra rất thấp. Điều này cho phép một Độ lợi điện áp lớn, mà không có bất kỳ điện áp offset đầu ra đáng kể nào.
Có thể thấy rằng:
- -Ip = Vout / Rf
tức là Vout / Ip = -Rf
Phương trình trên là Độ lợi DC và tần số thấp của bộ khuếch đại xuyên trở. Nếu Độ lợi lớn, bất kỳ điện áp offset đầu vào nào tại đầu vào không đảo của op-amp sẽ dẫn đến một điện áp offset đầu ra. Để giảm thiểu những ảnh hưởng này, các bộ khuếch đại xuyên trở thường được thiết kế với các FET tại đầu vào op-amp, có điện áp offset đầu vào rất thấp.
Đáp ứng tần số của một bộ khuếch đại xuyên trở tỷ lệ nghịch với Độ lợi được đặt bởi điện trở phản hồi Rf. Các cảm biến được sử dụng trong các bộ khuếch đại này thường có điện dung lớn hơn so với điều mà một op-amp có thể xử lý. Điện dung này trên các đầu vào của op-amp cùng với điện dung nội của op-amp, đưa một bộ lọc thông thấp vào đường phản hồi. Đáp ứng bộ lọc thông thấp của bộ lọc này có thể được đặc trưng là hệ số phản hồi β, làm suy giảm tín hiệu phản hồi.
Khi xét đến ảnh hưởng của bộ lọc thông thấp này, phương trình đáp ứng của mạch trở thành:
- Vout = – (1p.Rf) / {1 + (1/ AOLβ)}
Trong đó, AOL là Độ lợi vòng hở của op-amp.
Ở tần số thấp, hệ số phản hồi β ít ảnh hưởng đến đáp ứng của bộ khuếch đại. Đáp ứng của bộ khuếch đại sẽ gần với giá trị lý tưởng, miễn là Độ lợi vòng hở (AOLβ) lớn hơn nhiều so với đơn vị.
Tóm tắt về Mạch khuếch đại đảo
- Một mạch khuếch đại đảo sử dụng phản hồi âm và tạo ra một đầu ra đảo ngược so với đầu vào. Do đó, Độ lợi của một Mạch khuếch đại đảo được chỉ ra là âm.
- Độ lợi điện áp của Mạch khuếch đại đảo không phụ thuộc vào Độ lợi vòng hở của op-amp, vốn rất lớn.
- Độ lợi điện áp của Mạch khuếch đại đảo phụ thuộc vào các giá trị điện trở được sử dụng và do đó Độ lợi có thể được kiểm soát chính xác bằng cách chọn thích hợp các giá trị của R1 và Rf.
- Nếu Rf > R1, Độ lợi sẽ lớn hơn 1.
- Nếu Rf < R1, Độ lợi sẽ nhỏ hơn 1.
- Nếu Rf = R1, Độ lợi sẽ bằng đơn vị.
- Do đó, điện áp đầu ra có thể lớn hơn, nhỏ hơn hoặc bằng điện áp đầu vào về độ lớn và lệch pha 180 độ.
