Trong bài hướng dẫn này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các ứng dụng khác nhau của bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp). Op-amp là một trong những mạch tương tự cơ bản có phạm vi ứng dụng rộng rãi. Chúng ta sẽ học một số ứng dụng quan trọng và phổ biến hơn của bộ khuếch đại thuật toán trong bài viết này.
Bộ So Sánh Op-amp
Bộ so sánh, trong điện tử, là một cấu hình mạch so sánh hai điện áp (hoặc dòng điện) và chỉ ra điện áp nào lớn hơn. Do đó, đầu vào của bộ so sánh phải khác nhau bản chất. Bộ so sánh có thể được cấu hình dễ dàng bằng op-amp, vì op-amp có độ khuếch đại cao và các đầu vào vi sai cân bằng.
Về mặt lý thuyết, một op-amp trong cấu hình vòng hở (không phản hồi) có thể được sử dụng làm bộ so sánh. Khi điện áp đầu vào tại Cực không nghịch đảo V+ lớn hơn điện áp tại Cực đầu vào nghịch đảo V-, đầu ra của op-amp bão hòa tại cực dương của nó. Khi điện áp đầu vào không nghịch đảo giảm xuống dưới điện áp đầu vào nghịch đảo, đầu ra của op-amp chuyển sang mức bão hòa âm của nó. Mạch bộ so sánh được sử dụng rộng rãi nhất trong bộ chuyển đổi tương tự – số (ADC) và trong dao động.
Bộ So Sánh Nghịch Đảo Op-amp
Trong một bộ so sánh nghịch đảo, điện áp đầu vào Vin được áp dụng cho Cực đầu vào nghịch đảo của op-amp và Cực đầu vào không nghịch đảo được kết nối với điện áp tham chiếu, thông qua điện trở R1 và R2. Miễn là điện áp đầu vào Vin nhỏ hơn điện áp tham chiếu Vref, đầu ra của op-amp vẫn bão hòa dương. Khi Vin vượt quá điện áp tham chiếu, đầu ra của op-amp chuyển sang mức bão hòa âm của nó và vẫn bão hòa âm miễn là Vin nhỏ hơn Vref. Mạch bộ so sánh sử dụng op-amp được thể hiện trong hình dưới đây.
Bằng cách chọn các giá trị điện trở R1 và R2, điện áp tham chiếu Vref có thể được điều chỉnh và bộ so sánh có thể được sử dụng để so sánh điện áp đầu vào với điện áp tham chiếu tương ứng.
Vout = +Vsat; nếu Vin < Vref = -Vsat; nếu Vin > Vref
Sóng đầu vào và đầu ra của bộ so sánh nghịch đảo op-amp được thể hiện trong hình dưới đây.
Bộ So Sánh Không Nghịch Đảo Op-amp
Trong trường hợp bộ so sánh không nghịch đảo op-amp, điện áp đầu vào Vin được áp dụng cho Cực đầu vào không nghịch đảo và điện áp tham chiếu, Vref, được kết nối với Cực đầu vào nghịch đảo. Khi điện áp đầu vào Vin lớn hơn điện áp tham chiếu Vref, đầu ra của op-amp được bão hòa dương. Trong thực tế, hiệu số (Vin-Vref) sẽ là một giá trị dương. Vì không có phản hồi cho đầu vào op-amp, độ khuếch đại vòng hở của op-amp sẽ là vô cùng. Do đó đầu ra sẽ dao động tới giá trị tối đa có thể, +Vsat. Khi điện áp đầu vào giảm xuống dưới điện áp tham chiếu, đầu ra chuyển sang điện áp bão hòa âm của nó.
Vout = +Vsat; nếu Vin > Vref = -Vsat; nếu Vin < Vref
Bộ Khuếch Đại Logarit Op-amp
Một bộ khuếch đại thuật toán có thể được cấu hình để hoạt động như một bộ khuếch đại logarit, hay đơn giản là bộ khuếch đại log. Bộ khuếch đại log là một cấu hình mạch phi tuyến, trong đó đầu ra là K lần giá trị logarit của điện áp đầu vào được áp dụng. Bộ khuếch đại log tìm thấy các ứng dụng trong các phép tính như phép nhân và chia tín hiệu, tính toán các phép lũy thừa và phép chia, nén và giải nén tín hiệu, cũng như trong điều khiển quá trình trong các ứng dụng công nghiệp. Bộ khuếch đại log có thể được xây dựng bằng cách sử dụng transistor lưỡng cực trong mạch phản hồi cho op-amp, vì dòng C của BJT liên quan logarit với điện áp E B của nó.
Mạch của một bộ khuếch đại log cơ bản sử dụng op-amp được thể hiện trong hình trên. Điều kiện cần thiết để bộ khuếch đại log hoạt động là điện áp đầu vào phải luôn dương. Có thể thấy rằng Vout = – Vbe.
Vì Cực C của transistor được giữ ở mặt đất ảo và Cực B cũng được nối đất, mối quan hệ điện áp – dòng trở thành một diode và được đưa ra bởi,
IE = IS.[eq(Vbe)/kT – 1]
Trong đó,
- IS = dòng bão hòa,
- k = hằng số Boltzmann
- T = nhiệt độ tuyệt đối (tính bằng K)
Vì IE = IC đối với transistor B nối đất,
IC = IS. [eq(Vbe)/kT – 1]
(IC/IS) = [eq(Vbe)/kT – 1]
(IC/IS) + 1 = [eq(Vbe)/kT]
(IC+IS)/IS = eq(Vbe)/kT
eq(Vbe)/kT = (IC/IS) since IC >> IS
Lấy logarit tự nhiên ở cả hai vế của phương trình trên, chúng ta có
Vbe = (kT/q) ln[IC/IS]
Dòng C IC = Vin/R1 và Vout = -Vbe
Do đó,
Vout = -(kT/q) ln[Vin/R1.IS]
Do đó, đầu ra của mạch tỷ lệ với logarit của điện áp đầu vào. Tuy nhiên, đầu ra phụ thuộc vào dòng bão hòa thay đổi từ transistor này sang transistor khác và cũng thay đổi theo nhiệt độ. Mạch bù có thể được thêm vào để ổn định đầu ra trước những biến động này.
Bộ Khuếch Đại Chống Logarit hoặc Bộ Khuếch Đại Hàm Mũ
Bộ khuếch đại chống logarit hoặc hàm mũ (hay đơn giản là bộ khuếch đại antilog) là một cấu hình mạch op-amp, có đầu ra tỷ lệ với giá trị hàm mũ hoặc giá trị antilog của đầu vào. Bộ khuếch đại antilog thực hiện chính xác ngược lại của bộ khuếch đại log. Bộ khuếch đại antilog cùng với bộ khuếch đại log được sử dụng để thực hiện các phép tính tương tự trên các tín hiệu đầu vào. Mạch của một bộ khuếch đại antilog sử dụng op-amp được thể hiện trong hình dưới đây.
Lưu ý rằng bằng cách trao đổi vị trí của transistor và điện trở, bộ khuếch đại log có thể được thực hiện để hoạt động như bộ khuếch đại antilog. Điện áp B-C của transistor được duy trì ở mặt đất, từ khái niệm mặt đất ảo. Dòng IE cho transistor được đưa ra bởi,
IE = IS.[eq(Vbe)/kT – 1]
Đối với một transistor B nối đất, IE = IC. Bởi vậy,
IC = IS.[eq(Vbe)/kT – 1]
Trong đó, IS = dòng bão hòa của transistor,
Vout = IC.R1
Vout = IS.[eq(Vbe)/kT – 1].R1
Đồng thời, đối với mạch trên Vin = -Vbe. Do đó,
Vout = R1.IS.[eq(-Vin)/kT – 1]
Bộ khuếch đại antilog cũng bị ảnh hưởng bởi các đầu ra không ổn định, do sự thay đổi IS đối với các transistor khác nhau và phụ thuộc vào nhiệt độ. Các mạch bù có thể được thêm vào để ổn định đầu ra trước những biến động như vậy.
Bộ Chuyển Đổi Dòng Điện Sang Điện Áp
Một bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp của bộ khuếch đại thuật toán, còn được gọi là bộ khuếch đại trở kháng, là một mạch chuyển đổi sự thay đổi của dòng điện đầu vào thành điện áp đầu ra tương ứng. Mạch chuyển đổi dòng điện sang điện áp thường được sử dụng nhất để khuếch đại dòng điện đầu ra của quang điện trở, đầu dò quang, gia tốc kế và các thiết bị cảm biến khác thành mức điện áp đáng chú ý và có thể sử dụng được.
Một mạch chuyển đổi dòng điện sang điện áp đơn giản sẽ có một điện trở phản hồi, với giá trị điện trở lớn. Độ khuếch đại của bộ khuếch đại phụ thuộc vào điện trở này. Tùy thuộc vào ứng dụng, bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp có thể được xây dựng theo nhiều cách khác nhau. Tất cả các cấu hình đều chuyển đổi dòng điện đầu ra mức thấp của thiết bị cảm biến thành mức điện áp đáng kể. Độ khuếch đại và băng thông của mạch thay đổi với các loại cảm biến khác nhau.
Mạch của một bộ chuyển đổi dòng điện-điện áp cơ bản được thể hiện trong hình trên. Thiết bị cảm biến, trong trường hợp này là một quang điện trở, được kết nối với Cực đầu vào nghịch đảo và Cực đầu vào không nghịch đảo được nối đất. Điều này cung cấp một tải trở kháng thấp cho quang điện trở, giúp giữ cho điện áp trên quang điện trở ở mức thấp. Độ khuếch đại cao của op-amp giữ cho dòng quang điện trở, Ip, bằng với dòng phản hồi qua điện trở Rf. Điện áp offset đầu vào do quang điện trở rất thấp, vì quang điện trở không có độ lệch bên ngoài. Điều này cung cấp một độ khuếch đại đầu ra lớn, mà không có bất kỳ điện áp offset đầu ra nào.
Điện áp đầu ra của mạch trên có thể được đưa ra là,
Vout = – IP.Rf
Phương trình trên chỉ thỏa mãn cho bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp có độ khuếch đại DC và tần số thấp. Nếu độ khuếch đại lớn, bất kỳ điện áp offset đầu vào nào tại đầu vào không nghịch đảo của op-amp sẽ dẫn đến điện áp offset đầu ra. Để giảm thiểu các ảnh hưởng này, các bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp thường được thiết kế với FET tại đầu vào op-amp, có điện áp offset đầu vào rất thấp.
Bộ Đảo Op-amp
Một bộ khuếch đại nghịch đảo op-amp, hay bộ đảo, đảo ngược tín hiệu đầu vào cũng như khuếch đại nó. Một tín hiệu dương tại đầu vào của bộ khuếch đại nghịch đảo sẽ tạo ra một tín hiệu âm tại đầu ra và ngược lại. Một tín hiệu hình sin AC tại đầu vào sẽ tạo ra tín hiệu hình sin lệch pha 180° tại đầu ra.
Hình trên thể hiện mạch của một bộ đảo điển hình sử dụng op-amp. Mạch sử dụng kết nối phản hồi âm, thông qua điện trở Rf. Tín hiệu đầu vào được áp dụng cho Cực đầu vào nghịch đảo và đầu cuối đầu vào không nghịch đảo được nối đất.
Vì dòng đầu vào của op-amp về mặt lý tưởng bằng không, dòng I do điện áp đầu vào chảy qua điện trở R1 và Rf. Điện áp đầu vào và đầu ra có thể được tính như sau,
Vin = I.R1 Vout = -I.Rf
Do đó, độ khuếch đại vòng kín của mạch, ACL, là
ACL = Vout/Vin = – (I.Rf/I.R1) = -Rf/R1
Như vậy điện áp đầu vào Vin được khuếch đại -Rf/R1 lần tại đầu ra. Có thể lưu ý rằng nếu điện trở của cả hai điện trở, R1 và Rf, bằng nhau thì điện áp đầu ra là,
Vout = – Vin
Một mạch như vậy được gọi là một bộ đệm nghịch đảo, hay đơn giản là một Bộ Đảo.
Bộ Khuếch Đại Không Nghịch Đảo Op-amp
Một bộ khuếch đại không nghịch đảo là một cấu hình mạch op-amp tạo ra tín hiệu đầu ra được khuếch đại đồng pha với tín hiệu đầu vào được áp dụng. Bộ khuếch đại không nghịch đảo sử dụng kết nối phản hồi âm, nhưng thay vì đưa toàn bộ tín hiệu đầu ra vào đầu vào, chỉ một phần của điện áp tín hiệu đầu ra được phản hồi làm đầu vào cho Cực đầu vào nghịch đảo của op-amp.
Hình trên thể hiện một bộ khuếch đại không nghịch đảo điển hình. Tín hiệu đầu vào được áp dụng cho đầu cuối đầu vào không nghịch đảo và đầu ra được đưa tới đầu cuối đầu vào nghịch đảo thông qua mạng chia điện áp tiềm năng điện trở.
Khi một tín hiệu đầu vào dương được áp dụng cho Cực đầu vào không nghịch đảo, điện áp đầu ra sẽ dịch chuyển để giữ Cực đầu vào nghịch đảo bằng với điện áp đầu vào được áp dụng. Do đó, sẽ có một điện áp phản hồi phát triển trên điện trở R2,
VR2 = VIN = I2R2
Trong đó, I2 là dòng điện chảy tại điểm nối của điện trở R1 và R2.
VOUT = I2 (R1 + R2)
Từ các phương trình trên của VIN và VOUT, độ khuếch đại điện áp vòng kín của bộ khuếch đại không nghịch đảo có thể được tính là,
ACL = VOUT/VIN = I2 (R1 + R2) / I2R2 = (R1 + R2) / R2 ACL = 1 + (R1/R2)
Phương trình khuếch đại trên là dương, cho thấy đầu ra sẽ đồng pha với tín hiệu đầu vào được áp dụng. Độ khuếch đại điện áp vòng kín của bộ khuếch đại không nghịch đảo được xác định bởi tỷ lệ của điện trở R1 và R2 được sử dụng trong mạch.
Các bộ khuếch đại không nghịch đảo thực tế sẽ có một điện trở nối tiếp với nguồn điện áp đầu vào, để giữ dòng điện đầu vào bằng nhau ở cả hai đầu vào.
Tóm tắt Ứng dụng Op-amp
Bài viết này trình bày tổng quan về phạm vi ứng dụng rộng rãi của bộ khuếch đại thuật toán. Op-amp có thể được sử dụng để thực hiện các phép toán khác nhau như cộng, trừ, nhân cùng với các phép tính vi phân và tích phân. Op-amp được sử dụng cho nhiều ứng dụng như khuếch đại tín hiệu AC và DC, bộ lọc, dao động, điều chỉnh điện áp, bộ so sánh trong hầu hết các thiết bị tiêu dùng và công nghiệp. Ngày nay, op-amp là các khối xây dựng rất phổ biến trong các mạch điện tử tương tự.
