Mạch khuếch đại vi sai hoặc mạch trừ điện áp

Op-Amps ban đầu được phát triển để tính toán toán học Analog, kể từ đó ngày nay chúng đã tỏ ra hữu ích trong nhiều ứng dụng thiết kế. Như giáo sư của tôi đã nói đúng, op-amps là máy tính điện áp số học, chúng có thể thực hiện phép cộng hai giá trị điện áp đã cho bằng cách sử dụng mạch Bộ khuếch đại tổng hợp và chênh lệch giữa hai giá trị điện áp bằng Bộ khuếch đại vi sai. Ngoài ra, Op-Amp cũng thường được sử dụng làm Bộ khuếch đại đảo và Bộ khuếch đại không đảo.

Chúng ta đã học cách sử dụng Op-Amp làm Bộ khuếch đại điện áp hoặc Bộ khuếch đại tổng hợp, vì vậy trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ học cách sử dụng op-amp làm Bộ khuếch đại vi sai để tìm hiệu điện thế giữa hai giá trị điện áp. Nó còn được gọi là Thước trừ điện áp. Chúng tôi cũng sẽ thử mạch trừ điện áp trên bảng mạch và kiểm tra xem mạch có hoạt động như mong đợi hay không.

Khái niệm cơ bản về Op-Amp

Trước khi chúng ta đi sâu vào các Op-amps khác biệt, hãy nhanh chóng tìm hiểu các khái niệm cơ bản về Op-Amp. Op-Amp là một thiết bị năm đầu cuối (gói đơn) với hai đầu cuối (Vs +, Vs-) để cấp nguồn cho thiết bị. Trong ba thiết bị đầu cuối còn lại, hai đầu cuối (V +, V-) được sử dụng cho các tín hiệu được gọi là thiết bị đầu cuối Đảo ngược và không đảo và một đầu cuối còn lại (Vout) là đầu ra. Biểu tượng cơ bản của Op-Amp được hiển thị bên dưới.

Hoạt động của một Op-Amp rất đơn giản, nó lấy điện áp khác nhau từ hai chân (V +, V-), khuếch đại nó bằng giá trị Gain và cho nó làm điện áp đầu ra (Vout). Độ lợi của Op-Amp có thể rất cao nên nó phù hợp với các ứng dụng âm thanh. Luôn nhớ rằng điện áp đầu vào của Op-Amp phải nhỏ hơn điện áp hoạt động của nó. Để tìm hiểu thêm về op-amp, hãy kiểm tra ứng dụng của nó trong các mạch dựa trên op-amp khác nhau.

Đối với một Op-Amp lý tưởng, trở kháng đầu vào sẽ rất cao, tức là không có dòng điện chạy vào hoặc ra Op-Amp qua các chân Đầu vào (V +, V-). Để hiểu hoạt động của op-amp, chúng ta có thể phân loại rộng rãi các mạch op-amp thành vòng hở và vòng kín.

Op-amp Mạch vòng hở (Bộ so sánh)

Trong mạch op-amp vòng hở, chân đầu ra (Vout) không được kết nối với bất kỳ chân đầu vào nào, tức là không có phản hồi được cung cấp. Trong điều kiện vòng lặp mở như vậy, op-amp hoạt động như một bộ so sánh. Một bộ so sánh op-amp đơn giản được hiển thị bên dưới. Chú ý rằng chân Vout không được kết nối với chân đầu vào V1 hoặc V2.

Trong điều kiện này, nếu điện áp cung cấp cho V1 lớn hơn V2, Vout đầu ra sẽ tăng cao. Tương tự như vậy nếu điện áp cung cấp cho V2 lớn hơn V1 thì Vout đầu ra sẽ xuống thấp.

Mạch vòng kín Op-amp (Bộ khuếch đại)

Trong mạch op-amp vòng kín, chân đầu ra của op-amp được kết nối với một trong hai chân đầu vào để cung cấp phản hồi. Phản hồi này được gọi là kết nối vòng kín. Trong suốt vòng lặp kín, Op-amp hoạt động như một bộ khuếch đại, trong chế độ này, op-amp tìm thấy nhiều ứng dụng hữu ích như bộ đệm, bộ theo điện áp, Bộ khuếch đại đảo, Bộ khuếch đại không đảo, Bộ khuếch đại tổng hợp, Bộ khuếch đại vi sai, Bộ trừ điện áp, v.v. Nếu chân Vout được kết nối với đầu cuối Đảo ngược thì nó được gọi là mạch phản hồi âm (hình dưới đây) và nếu nó được kết nối với đầu cuối không đảo thì nó được gọi là mạch phản hồi tích cực.

Bộ khuếch đại vi sai hoặc Bộ trừ điện áp

Bây giờ chúng ta hãy đi vào chủ đề của chúng ta, Bộ khuếch đại vi sai. Một bộ khuếch đại vi sai về cơ bản nhận hai giá trị điện áp, tìm sự khác biệt giữa hai giá trị này và khuếch đại nó. Điện áp kết quả có thể được lấy từ chân đầu ra. Một mạch khuếch đại vi sai cơ bản được hiển thị bên dưới.

Nhưng chờ đã !, đây không phải là những gì Op-Amp làm theo mặc định ngay cả khi nó không có phản hồi, nó cần hai đầu vào và cung cấp sự khác biệt của chúng trên chân đầu ra. Vậy tại sao chúng ta cần tất cả những điện trở ưa thích này để làm gì?

Vâng, vâng, nhưng op-amp khi được sử dụng trong vòng lặp mở (không có phản hồi) sẽ có mức tăng không kiểm soát rất cao và thực tế không hữu ích. Vì vậy, chúng tôi sử dụng thiết kế trên để đặt giá trị của độ lợi bằng cách sử dụng điện trở trong một vòng phản hồi âm. Trong mạch của chúng ta ở trên, điện trở R3 hoạt động như một điện trở phản hồi âm và các điện trở R2 và R4 tạo thành một bộ chia điện thế. Giá trị của độ lợi có thể được đặt bằng cách sử dụng đúng giá trị của điện trở.

Làm thế nào để thiết lập mức tăng của một bộ khuếch đại vi sai?

Các điện áp đầu ra của khuếch đại vi sai hiển thị ở trên có thể được đưa ra bởi bên dưới công thức

Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)

Công thức trên nhận được từ hàm truyền của đoạn mạch trên bằng cách sử dụng định lý chồng chất. Nhưng chúng ta đừng đi sâu vào đó. Chúng ta có thể đơn giản hóa phương trình trên bằng cách xem xét R1 = R2 và R3 = R4. Vì vậy, chúng tôi sẽ nhận được

Vout = (R3 / R1) (V2-V1) khi R1 = R2 và R3 = R4

Từ công thức trên, chúng ta có thể kết luận rằng tỷ số giữa R3 và R1 sẽ bằng với độ lợi của bộ khuếch đại.

Đạt được = R3 / R1

Bây giờ, hãy thay thế các giá trị điện trở cho mạch trên và kiểm tra xem mạch có hoạt động như mong đợi hay không.

Mô phỏng mạch Khuếch đại vi sai

Giá trị điện trở mà tôi đã chọn là 10k cho R1 và R2 và 22k cho R3 và R4. Mô phỏng mạch tương tự được hiển thị bên dưới.

Với mục đích mô phỏng, tôi đã cung cấp 4V cho V2 và 3,6V cho V1. Điện trở 22k và 10k theo công thức sẽ đặt mức tăng là 2,2 (22/10). Vì vậy, phép trừ sẽ là 0,4V (4-3,6) và nó sẽ được nhân với giá trị khuếch đại 2,2 vì vậy điện áp kết quả sẽ là 0,88V như trong mô phỏng trên. Hãy cũng xác minh điều tương tự bằng cách sử dụng công thức mà chúng ta đã thảo luận trước đó.

Vout = (R3 / R1) (V2-V1) khi R1 = R2 và R3 = R4 = (22/10) (4-3,6) = (2,2) x (0,4) = 0,88v

Kiểm tra mạch khuếch đại vi sai trên phần cứng

Bây giờ đến phần thú vị, chúng ta hãy thực sự xây dựng cùng một mạch trên breadboard và kiểm tra xem liệu chúng ta có thể đạt được kết quả tương tự hay không. Tôi đang sử dụng Op-Amp LM324 để xây dựng mạch và sử dụng mô-đun cấp nguồn Breadboard mà chúng tôi đã xây dựng trước đó. Mô-đun này có thể cung cấp đầu ra 5V và 3.3V, vì vậy tôi đang sử dụng đường sắt nguồn 5V để cấp nguồn cho op-amp của mình và đường dây điện 3.3V là V1. Sau đó, tôi sử dụng RPS (Nguồn điện được điều chỉnh) để cung cấp 3,7V cho chân V2. Sự khác biệt giữa các điện áp là 0,4 và chúng tôi có mức tăng 2,2 sẽ cho chúng tôi 0,88V và đó chính xác là những gì tôi nhận được. Hình ảnh dưới đây cho thấy cách thiết lập và đồng hồ vạn năng với số đọc 0,88V trên đó.

Điều này chứng tỏ hiểu biết của chúng tôi về op-amp vi sai là đúng và giờ đây chúng tôi biết cách tự thiết kế một op-amp với giá trị khuếch đại cần thiết. Hoạt động hoàn chỉnh cũng có thể được tìm thấy trong video dưới đây. Các mạch này thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển âm lượng.

Nhưng, vì mạch có điện trở ở phía điện áp đầu vào (V1 và V2) nên nó không cung cấp trở kháng đầu vào rất cao và cũng có độ lợi chế độ chung cao dẫn đến tỷ lệ CMRR thấp. Để khắc phục những nhược điểm này, tồn tại một phiên bản ngẫu hứng của bộ khuếch đại vi sai được gọi là bộ khuếch đại thiết bị đo, nhưng hãy để điều đó cho một hướng dẫn khác.

Hy vọng bạn đã hiểu hướng dẫn và thích học về bộ khuếch đại vi sai. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, hãy để lại chúng trong phần bình luận hoặc sử dụng diễn đàn để biết thêm các câu hỏi kỹ thuật và phản hồi nhanh hơn.