Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một cấu hình quan trọng của Op Amp gọi là mạch khuếch đại không đảo (Non-Inverting Amplifier). Trong mạch khuếch đại thuật toán không đảo, tín hiệu đầu vào được nạp vào đầu vào không đảo và tín hiệu đầu ra cùng pha với tín hiệu đầu vào.
Mạch khuếch đại thuật toán
Mạch khuếch đại thuật toán hay còn gọi là Op Amp về cơ bản là một mạch khuếch đại vi sai đa tầng có độ khuếch đại cao và có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau. Hai mạch quan trọng của một Op Amp điển hình là:
- Mạch khuếch đại đảo (Inverting Amplifier)
- Mạch khuếch đại không đảo (Non-Inverting Amplifier)
Mạch khuếch đại không đảo là một cấu hình mạch op-amp tạo ra tín hiệu đầu ra được khuếch đại và tín hiệu đầu ra này cùng pha với tín hiệu đầu vào.
Nói cách khác, mạch khuếch đại không đảo hoạt động như một mạch bám điện áp. Mạch khuếch đại không đảo cũng sử dụng mạch phản hồi âm, nhưng thay vì nạp toàn bộ tín hiệu đầu ra về đầu vào, chỉ một phần của điện áp tín hiệu đầu ra được nạp trở lại làm đầu vào cho đầu vào đảo của op-amp.
Trở kháng đầu vào cao và trở kháng đầu ra thấp của mạch khuếch đại không đảo làm cho mạch này lý tưởng cho các ứng dụng đệm trở kháng.
Mạch khuếch đại không đảo lý tưởng
Sơ đồ mạch của một mạch khuếch đại không đảo lý tưởng được thể hiện trong hình dưới đây.
Từ mạch có thể thấy rằng R2 (Rf trong hình trên) và R1 (R1 trong hình trên) hoạt động như một bộ chia điện áp cho điện áp đầu ra và điện áp trên điện trở R1 được áp dụng cho đầu vào đảo.
Khi đầu vào không đảo được nối với mặt đất, tức là VIN = 0, điện áp tại đầu vào đảo cũng phải ở mức đất; nếu không, bất kỳ sự chênh lệch điện áp nào giữa các đầu vào sẽ được khuếch đại để đưa đầu vào đảo trở lại mức đất (các đầu vào của Op Amp sẽ luôn ở cùng một điện áp).
Do đầu vào đảo ở mức đất nên nút của các điện trở R1 và R2 cũng phải ở mức đất. Điều này có nghĩa là điện áp rơi trên R1 sẽ bằng không. Do đó, dòng điện chạy qua R1 và R2 phải bằng không. Vì vậy, không có điện áp rơi trên R2 và do đó điện áp đầu ra bằng với điện áp đầu vào, là 0V.
Khi một tín hiệu đầu vào dương được áp dụng vào đầu vào không đảo, điện áp đầu ra sẽ thay đổi để giữ cho đầu vào đảo bằng với điện áp đầu vào được áp dụng. Do đó, sẽ có một điện áp phản hồi được phát triển trên điện trở R1,
- VR1 = VIN = VOUT R1 / (R1 + R2)
Độ khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại thuật toán không đảo
Từ phương trình trên của VIN theo VOUT, độ khuếch đại điện áp vòng kín của mạch khuếch đại không đảo ACL có thể được tính như sau:
- ACL = VOUT / VIN = (R1 + R2) / R1 ACL = 1 + (R2 / R1) hoặc ACL = 1 + (Rf / R1)
Phương trình khuếch đại trên là dương, cho thấy đầu ra sẽ cùng pha với tín hiệu đầu vào được áp dụng. Độ khuếch đại điện áp vòng kín của mạch khuếch đại không đảo được xác định bởi tỷ số của các điện trở R1 và R2 được sử dụng trong mạch.
Trên thực tế, mạch khuếch đại không đảo sẽ có một điện trở nối tiếp với nguồn điện áp đầu vào, để giữ dòng điện đầu vào giống nhau ở cả hai đầu vào.
Ngắn mạch ảo
Trong mạch khuếch đại không đảo, tồn tại một ngắn mạch ảo giữa hai đầu vào. Ngắn mạch ảo là một mạch ngắn đối với điện áp, nhưng là một mạch hở đối với dòng điện. Ngắn mạch ảo sử dụng hai tính chất của một op-amp lý tưởng:
- Vì RIN là vô cùng, dòng điện đầu vào ở cả hai đầu đều bằng không.
- Vì độ khuếch đại vòng hở AOL là vô cùng, nên điện áp chênh lệch (V1 – V2) luôn bằng không.
Mặc dù ngắn mạch ảo là một xấp xỉ lý tưởng, nó cho các giá trị chính xác khi được sử dụng với phản hồi âm mạnh. Miễn là op-amp hoạt động ở vùng tuyến tính (không bão hòa, dương hoặc âm), độ khuếch đại điện áp vòng hở tiến đến vô cùng và tồn tại một ngắn mạch ảo giữa hai đầu vào.
Do ngắn mạch ảo, điện áp đầu vào đảo đi theo điện áp đầu vào không đảo. Nếu điện áp đầu vào không đảo tăng hoặc giảm, điện áp đầu vào đảo ngay lập tức tăng hoặc giảm đến cùng một giá trị. Hành động này thường được gọi là “Tự nạp” (Bootstrapping).
Trở kháng đầu vào của mạch khuếch đại không đảo
Trở kháng đầu vào của một mạch khuếch đại hoạt động được cho bởi:
- ZIN = (1 + AOL β) Zi
Trong đó, AOL là độ khuếch đại vòng hở của op-amp
Zi là trở kháng đầu vào của op-amp không có phản hồi β là hệ số phản hồi
Đối với mạch khuếch đại không đảo, hệ số phản hồi được cho bởi:
- β = R2 / (R1 + R2)
- β = 1 / ACL
Do đó, đối với mạch khuếch đại không đảo, trở kháng đầu vào được cho bởi phương trình,
- ZIN = {1 + (AOL / ACL)} Zi
Trở kháng đầu ra của mạch khuếch đại không đảo
Trở kháng đầu ra của một op-amp được biểu diễn là:
- ZOUT = Z0 / (1+ AOL β)
Vì β = 1 / ACL đối với mạch khuếch đại không đảo, nên trở kháng được cho bởi,
- ZOUT = Z0 / {1 + (AOL / ACL)}
Mạch bám điện áp
Mạch bám điện áp là một trong những ứng dụng đơn giản nhất của một mạch khuếch đại thuật toán, trong đó điện áp đầu ra chính xác bằng điện áp đầu vào được áp dụng cho mạch. Nói cách khác, độ khuếch đại của mạch bám điện áp là đơn vị.
Đầu ra của op-amp được nối trực tiếp với đầu vào đảo và điện áp đầu vào được áp dụng tại đầu vào không đảo. Mạch bám điện áp, giống như mạch khuếch đại không đảo, có trở kháng đầu vào rất cao và trở kháng đầu ra rất thấp. Sơ đồ mạch của một mạch bám điện áp được thể hiện trong hình dưới đây.
Có thể thấy rằng cấu hình trên giống với mạch khuếch đại không đảo, ngoại trừ việc không có điện trở nào được sử dụng. Độ khuếch đại của mạch khuếch đại không đảo được cho bởi,
- ACL = 1 + (R2 / R1)
Trong mạch bám điện áp, điện trở R2 bằng không và R1 là vô cùng. Vì vậy, độ khuếch đại của mạch bám điện áp sẽ bằng 1. Do đó, một mạch bám điện áp còn được gọi thông thường là một bộ đệm khuếch đại đơn vị.
Mạch bám điện áp hoặc bộ đệm khuếch đại đơn vị thường được sử dụng để cách ly các mạch khác nhau, tức là để tách một tầng của mạch khỏi tầng khác và cũng được sử dụng trong các ứng dụng kết hợp trở kháng.
Trên thực tế, điện áp đầu ra của mạch bám điện áp sẽ không chính xác bằng điện áp đầu vào được áp dụng và sẽ có một chút khác biệt. Sự khác biệt này là do độ khuếch đại điện áp nội cao của op-amp.
LƯU Ý: Độ khuếch đại điện áp vòng hở của một op-amp là vô cùng và độ khuếch đại điện áp vòng kín của mạch bám điện áp là đơn vị. Điều này có nghĩa là bằng cách lựa chọn cẩn thận các thành phần phản hồi, chúng ta có thể kiểm soát chính xác độ khuếch đại của mạch khuếch đại không đảo.
Ví dụ về mạch khuếch đại không đảo
Đối với mạch khuếch đại không đảo được thể hiện trong hình dưới đây, hãy tính toán những thông số sau:
- i) Độ khuếch đại của mạch khuếch đại, ACL
- ii) Điện áp đầu ra, VO
- iii) Dòng điện qua điện trở tải, IL.
- iv) Dòng điện đầu ra, IO.
LƯU Ý: Nút A nằm ở đầu vào không đảo của Op-Amp và nút B nằm ở đầu vào đảo (cũng là điểm chia điện áp). Các nút này không được thể hiện trong hình trên.
Đáp án) Tiềm năng tại nút B là VIN và do ngắn mạch ảo,
- VA = VB = VIN = 0.8 V
Dòng điện I1 được tính như sau,
- I1 = VA / R1 = 0.8V / 10 KΩ I1 = 80 µA
Vì dòng điện đầu vào op-amp bằng không nên cùng một dòng I1 phải chảy qua điện trở Rf.
i) Độ khuếch đại của mạch khuếch đại không đảo,
- ACL = 1 + (Rf / R1) = 1 + (20 KΩ / 10 KΩ) ACL = 3
ii) Điện áp đầu ra,
- VO = ACL * VIN = 3 * 0.8V VO = 2.4 V
iii) Dòng điện qua điện trở tải,
- IL = VO / RL = 2.4 / (2 * 103 Ω) IL = 1.2 mA
iv) Dòng điện đầu ra,
- Từ định luật dòng điện Kirchhoff (KCL), IO = I1 + IL IO = 80 µA + 1.2 mA IO = 1.28 mA
Tóm tắt về mạch khuếch đại không đảo
- Mạch khuếch đại không đảo sử dụng kết nối phản hồi âm phân áp điện áp.
- Độ khuếch đại điện áp luôn lớn hơn một.
- Độ khuếch đại điện áp là dương, cho thấy đối với đầu vào AC, đầu ra cùng pha với tín hiệu đầu vào và đối với đầu vào DC, cực tính đầu ra cùng chiều với cực tính đầu vào.
- Độ khuếch đại điện áp của mạch op-amp không đảo chỉ phụ thuộc vào giá trị điện trở và độc lập với độ khuếch đại vòng hở của op-amp.
- Độ khuếch đại điện áp mong muốn có thể đạt được bằng cách chọn các giá trị thích hợp của các điện trở.
Kết luận
Một bài hướng dẫn đơn giản về mạch khuếch đại thuật toán không đảo. Bạn đã học về mạch khuếch đại không đảo lý tưởng, độ khuếch đại điện áp, trở kháng đầu vào và đầu ra, ứng dụng mạch bám điện áp và một mạch ví dụ với tất cả các tính toán quan trọng.
