BỘ KHUYẾCH ĐẠI TÍN HIỆU HOẠT ĐỘNG VÀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ.

Mục tiêu Sau khi nghiên cứu chương này, bạn sẽ có thể: • Nhận biết các đặc điểm của một bộ khuếch đại hoạt động và mô tả làm thế nào họ có thể được sử dụng làm cơ sở cho các loại khác nhau của các bộ khuếch đại hữu ích. • Thiết kế các loại sau đây của các mạch opamp để đáp ứng các yêu cầu cụ thể: điện áp đi theo, inverting khuếch đại, khuếch đại noninverting, tổng hợp fier AMPLI, khuếch đại vi sai, và so sánh. • Hiểu biết về các hoạt động của các loại sau đây của các mạch: tích hợp và làm khác biệt, bộ lọc hoạt động, truyền dẫn tín hiệu hiện tại vòng, chuyển mạch analog và bộ ghép kênh, và mẫu và giữ. • Hiểu được các khái niệm về nối đất và vòng trên mặt đất, che chắn từ trường và điện, và tầm quan trọng của nối đất.

CHƯƠNG 3

BỘ KHUYẾCH ĐẠI TÍN HIỆU HOẠT ĐỘNG VÀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ.

Mục tiêu

Sau khi nghiên cứu chương này, bạn sẽ có thể:

• Nhận biết các đặc điểm của một bộ khuếch đại hoạt động và mô tả làm thế nào họ

có thể được sử dụng làm cơ sở cho các loại khác nhau của các bộ khuếch đại hữu ích

• Thiết kế các loại sau đây của các mạch op-amp để đáp ứng các yêu cầu cụ thể:điện áp đi theo, inverting khuếch đại, khuếch đại noninverting, tổng hợp fier AMPLI,khuếch đại vi sai, và so sánh

• Hiểu biết về các hoạt động của các loại sau đây của các mạch: tích hợp và làmkhác biệt, bộ lọc hoạt động, truyền dẫn tín hiệu hiện tại vòng, chuyển mạch analog và

bộ ghép kênh, và mẫu và giữ

• Hiểu được các khái niệm về nối đất và vòng trên mặt đất, che chắn từ trường vàđiện, và tầm quan trọng của nối đất

Giới thiệu

Một trong những điều kiện cần thiết của bất kỳ hệ thống thực sự , hoặc kết nối vớinhau, các thành phần khác nhau Trong một sơ đồ khối, một giao diện được của đạidiện phẫn nộ bởi một đường thẳng giữa hai khối, chỉ ra rằng một số loại tín hiệu đigiữa các khối Nếu đó chỉ dễ dàng này! Thực tế là, interfacing là đôi khi những nhiệm

vụ khó khăn nhất trong việc một hệ thống hoạt động Có nhiều loại khác nhau của cácyêu cầu giao tiếp

Một loại mạch cứng là giữa các mạch analog và digital Hầu hết các bộ điều khiển

là kỹ thuật số, trong khi nhiều cảm biến và cơ cấu chấp hành sử dụng tín hiệu analog.Điều này có nghĩa là chuyển đổi kỹ thuật số hoặc kỹ thuật số-to-analog-to-analog cóthể được yêu cầu (như đã thảo luận ở Chương 2) Khi thiết kế kiểu giao diện này, bạnphải xem xét những thứ như độ phân giải (số bit), mức điện áp tương tự, và tốc độchuyển đổi yêu cầu

Một vấn đề khác được giao diện phù hợp với cấp điện áp giữa các thành phần Mộtsor cảm hơn có thể đưa ra một phạm vi điện áp của 0-0,5 V, trong khi các thành phầntiếp nhận có thể cần một tín hiệu trong dải điện áp từ 0-10 V Hoặc một bộ cảm biến

có thể đưa ra một trở kháng cao Sigma nal (dễ dàng nạp xuống) và cần phải đượcchuyển đổi sang một trở kháng thấp mạnh Sigma nal Vẫn còn một vấn đề khác là một

số cảm biến này là phi tuyến, có nghĩa là điện áp đầu ra cảm biến không phải là thưmục tương ứng với các tham số được đo Cảm biến phi tuyến có thể yêu cầu một sốmạch điều chỉnh

Đôi khi một số cảm biến phải chia sẻ các cổng đầu vào cùng một bộ điều khiển.Điều này đòi hỏi một mạch chuyển mạch điện tử có khả năng kết nối các kênh analogkhác nhau để cùng một đích đến Một yêu cầu khác có thể được thêm vào hoặc trừsignals- analog ví dụ, khi các tín hiệu phản hồi được trừ vào điểm thiết lập trong một

bộ điều khiển analog

Một số tình huống đòi hỏi rằng có rất ít hoặc không bị mất tín hiệu giữa các thànhphần, ngay cả khi họ đang có một số khoảng cách xa nhau Điều này có vẻ như làkhông thể bởi vì tất cả các dây có sức đề kháng; Tuy nhiên, các kỹ thuật hiện tại vònghầu như loại bỏ tín hiệu suy giảm

Một loạt các vấn đề giao diện giao dịch với xử lý tiếng ồn điện từ thế giới ở ngoài.Mặc dù một số loại nhiễu có thể được lọc ra, nó thường là tốt nhất để cố gắng ngănchặn tiếng ồn từ vào hệ thống Điều này được thực hiện với che chắn thích hợp và nốiđất

Chúng tôi sẽ giải quyết các vấn đề trong chương này Nó sẽ không được điều trị đầy

đủ bởi vì toàn bộ sách có sẵn theo từng đối tượng, nhưng nó sẽ giới thiệu các giải pháptới vấn đề khác nhau

3.1 Bộ khuyếch đại thuật toán

Giới thiệu

Một bộ khuếch đại hoạt động (op-amp) là một bộ khuếch đại tuyến tính cao đạtđược Op-amps là Người ta thường đồng minh đóng gói trong IC hình thức (1-4 op-

amps mỗi IC) và tương đối rẻ tiền Các op-amp phương pháp khuếch đại lý tưởng củanhững giấc mơ của các nhà thiết kế tương tự bởi vì nó có đặc tính lý tưởng như vậy:

1 Độ lợi vòng hở rất cao: A = 100.000, nhưng không thể đoán trước

2 Kháng đầu vào rất cao: Rin> 1 M

3 Kháng đầu ra thấp: Rout = 50-75 ohm

Những đặc điểm này làm cho việc thiết kế với op-amps tương đối dễ dàng Nhưchúng ta sẽ thấy, tăng vòng hở cao làm cho nó có thể để tạo ra một bộ khuếch đại vớimức tăng ổn định rất dự đoán được bất cứ nơi nào 1-1000 hoặc nhiều hơn Tầm quantrọng của kháng đầu vào rất cao (Rin) là các bộ khuếch đại thuật toán đầu vào.Điềunày có nghĩa là nó sẽ không tải xuống bất cứ mạch hoặc cảm biến được lái xe đó.Kháng đầu ra thấp bộ khuếch đại thuật toán của (Rout) có nghĩa là nó có thể điềukhiển mà không được nạp xuống bản thân Tuy nhiên, một bộ khuếch đại thuật toán làmột bộ khuếch đại tín hiệu, không phải là một bộ khuếch đại công suất Nó khôngđược thiết kế để sản xuất dòng điện lớn và như vậy thường không được sử dụng đểđiều khiển như loa phóng thanh hoặc động cơ trực tiếp

Hình 3.1: Biểu tượng khuếch đại thuật toán

Hình 3.1 cho thấy các biểu tượng cho một bộ khuếch đại thuật toán điển hình Nó

có hai đầu vào (V1 và V2) và một đầu ra (Vout) Cũng thể hiện được hai yếu tố đầuvào cung cấp năng lượng, mà thường 12 V và -12 V Điện áp đầu ra có thể xoay vòngkhoảng 80% của điện áp cung cấp Chú ý không có kết nối mặt đất ở tất cả Hầu hếtcác bộ khuếch đại thuật toán là sự khác biệt giữa các bộ khuếch đại, có nghĩa là họ

khuếch đại sự khác biệt giữa V1 và V2 Điều này được thể hiện trong phương trình3.1:

Việc đạt được vòng hở (A) là đạt được chưa sửa đổi nguyên liệu của các op-amp;

nó là cao, typ- ically 100.000 hay nhiều hơn nữa V2 được gọi là đầu vào noninverting.Như tên của nó, đầu ra là trong giai đoạn với các đầu vào noninverting (khi đầu vàokhông đảo tích cực, Vout đi tích cực, khi các đầu vào nkhông đảora tiêu cực, Vout ratiêu cực) Các đầu vào không đảo được xác định bởi các dấu + ở biểu tượng của hình3.1

Các đầu vào khác với bộ khuếch đại thuật toán được gọi là đầu vào nghịch đảo Cácđầu ra sẽ được ra khỏi giai đoạn với các tín hiệu ở đầu vào nghịch đảo (khi đầu vàođảo ngược đi nhiều hơn itive pos-, đầu ra sẽ đi tiêu cực hơn, và ngược lại) Các đảongược đầu vào được lập ra qua sự - ký hiệu trong biểu tượng.Mặc dù các bộ khuếchđại thuật toán có hai đầu vào riêng biệt, chỉ có một điện áp đầu vào, đó là sự khác biệtgiữa V2 và V1 Điều này được minh họa trong ví dụ 3.1

Kết quả này là tiêu cực vì sự (V2 - V1) số lượng có giá trị ròng âm.

Lưu ý: Mục đích của ví dụ này chỉ là để cho thấy làm thế nào một vòng hở bộkhuếch đại thuật toán Nó sẽ là rất khó khăn để nhân đôi này trong phòng thí nghiệm

vì các thách thách của việc tạo ra nhỏ, điện áp đầu vào ổn định

Hình 3.2 : Điện áp đầu vào khác nhau sự kết hợp (A=100,000)(ví dụ 3.1)

Hình 3.3: Điện áp đầu vào khác nhau sự kết hợp (A=100,000)

Ví dụ 3.1 bắt đầu để minh họa một khía cạnh của bộ khuếch đại thuật toán có thể cóthể khác biệt ở đầu các dấu hiệu của đầu ra Hãy xem xét ba bộ khuếch đại thuật toántrong hình 3.3 Trong hình 3.3 (a), cả hai yếu tố đầu vào là tích cực, nhưng đầu ra làtiêu cực Tại sao đầu vào MAG lớn hơn, vì vậy số lượng (V2 - V1) là âm (2 μV - 3 μV

= -1 μV) Từ phương trình 3.1 (phương trình bộ khuếch đại thuật toán)

Vout =A(V2 –V1) bạn có thể thấy rằng nếu (V2 - V1) là âm, Vout sẽ âm

Bây giờ hãy xem xét các mạch của Hình 3.3 (b) Các yếu tố đầu vào đều tiêu cực,nhưng đầu ralà tích cực Để hiểu điều này, một lần nữa kiểm tra (V2 - V1) số lượng,chú ý đến các dấu hiệu Trong trường hợp này, [-2 μV - (-3 μV)] = 1 μV, đó là tíchcực Các mạch trong hình 3.3 (c) là đơn giản hơn Trong trường hợp này, (V2 - V1) =(-2 μV - 3 μV) = -5 μV, mà rõ ràng là tiêu cực

Bây giờ hãy xem xét các trường hợp chỉ có một đầu vào duy nhất là bắt buộc Cóhai khả năng: Đầu ra sẽ là một trong hai giai đoạn trong hoặc ra khỏi giai đoạn với cácđầu vào Để thực hiện một bộ khuếch đại không đảo (mà đầu ra là trong giai đoạn vớiđầu vào), các - đầu vào là có căn cứ, và tín hiệu đầu vào được kết nối với đầu vàokhông đảo (+), như thể hiện trong hình 3.4 (a) Nếu chúng ta muốn một bộ khuếch đại

nghịch đảo, mà đầu ra là ra khỏi giai đoạn với các đầu vào, chúng tôi kết nối tín hiệuvào inverting đầu vào (-) và mặt đất + đầu vào, như thể hiện trong hình 3.4 (b).

Hình 3.4: Đơn đầu vào, bộ khuếch đại vòng hở:

Một cách khác để xác định các cực đầu ra là sử dụng các nguyên tắc sau: Các đầu ra

sẽ cho rằng sự phân cực phù hợp với các biểu tượng của các đầu vào tích cực nhất.Trong trường hợp của Hình 3.3 (a),

- Đầu vào có giá trị dương lớn nhất, do đó sản lượng là tiêu cực

Tất cả các mạch khuếch đại được thảo luận cho đến nay được gọi là mở vòng lặp vìchúng hoạt động được lặp mở Như chúng ta đã biết, đây không phải là ứng dụng điểnhình của một bộ khuếch đại thuật toán chúng tôi đang làm nó ở đây vì nó đơn giản hóacác cuộc thảo luận về cách thức các yếu tố đầu vào khác biệt giữa công việc

Hầu hết các mạch bộ khuếch đại thuật toán tích hợp thông tin phản hồi tiêu cực.Điều này có nghĩa rằng một phần của tín hiệu đầu ra là trở lại và được trừ từ đầu vào.Phản hồi tiêu cực dẫn đến một hoạt động rất ổn định và có thể dự đoán tại các chi phícủa được hạ thấp xuống (mà chúng ta có thể dễ dàng mua được vì đạt được vòng hở làquá cao để bắt đầu với) Phân tích mạch bộ khuếch đại thuật toán là thực sự dễ dànghơn so với việc phân tích các bộ khuếch đại rời rạc transistor truyền thống bởi vì cácthông số ấn tượng của op-amp của cho phép chúng ta thực hiện ba giả thiết mạch đơngiản hóa:

• Giả định 1: V1 = V2 Giải thích: Làm thế nào chúng ta có thể có thể giả định rằngcác yếu tố đầu vào V1 và V2 là luôn luôn giống nhau? Chúng ta có thể không buộc V1

và V2 là bất cứ điều gì chúng ta như thế nào? Có, nhưng lập luận đi như thế này: Cácđiện áp đầu ra bằng A (V2 - V1) trong đó A, là tăng vòng hở, là một con số rất cao Vì

vậy, ngay cả một chênh lệch nhỏ giữa V1 và V2 sẽ gây ra một sản lượng rất lớn Tuynhiên, sản lượng có giới hạn trên thực tế được thành lập bởi các nguồn cung cấp điện;

Vì vậy, để giữgiới hạn của nó, sự khác biệt giữa V1 và V2 phải rất nhỏ Điều này đượcminh họa trong hình 3.5 Việc cung cấp điện là 15 V và -15 V, mà điện áp ra khoảng

12 V và -12 V (được 80% nguồn cung cấp) Nếu đạt vòng hở là 100.000 người, thì sựkhác biệt giữa V1 và V2 có thể gây ra một sản lượng của 12 V được tính toán bằngcách sử dụng phương trình 3.1: Vout = A (V2 - V1) Sắp xếp lại cho chúng ta

Vì vậy, chúng ta thấy rằng, để giữ cho các hoạt động khuếch đại tuyến tính với đầu

ra bên trong giới hạn của nó, sự khác biệt giữa V2 và V1 phải nhỏ hơn 0,00012 V, mà

là một điện áp rất nhỏ Do đó, chúng ta nói rằng V1 là hầu như giống như V2

• Giả thuyết 2: Đầu vào hiện tại là số không Giải thích: Các kháng đầu vào của mộtop-amp là rất cao, thường là 1 M hoặc nhiều hơn Nó rất cao nên chúng tôi có thể môhình các yếu tố đầu vào như là mạch mở như trong hình 3.6; Tất nhiên, không có hiệntại có thể chảy vào một mạch mở

Hình 3.5 : Đầu vào bộ khuếch đại thuật toán hầu như cùng một điện áp.

Hình 3.6 : Mô hình mạch tương đương của một bộ khuếch đại thuật toán.

• Giả thuyết 3: kháng đầu ra là số không Giải thích: Một kháng đầu ra thấp cónghĩa là điện áp đầu ra sẽ không được kéo xuống ngay cả khi tải trọng rút ra rất nhiềutiền thuê hiện thời Đây là mức thấp nhất trong ba giả định vì các kháng đầu ra thường

là giữa 50 và 75  (tuy nhiên, nó có thể thấp hơn nhiều với sự cung cấp trở lại) Giảđịnh này chỉ đúng nếu tải được thúc đẩy là cao hơn đáng kể hơn so với các kháng đầu

ra của op-amp, đó là trường hợp trong hầu hết các ứng dụng

Nhiều loại khác nhau của bộ khuếch đại thuật toáncó sẵn, với những cái tên nhưmục đích chung, rộng băng thông, tiếng ồn thấp, và tần số cao, đến tên một vài Đốivới hầu hết kiểm soát những ứng dụng, các loại mục đích chung là đủ Hình 3.7 chothấy một bảng dữ liệu cho phổ biến, mục đích chungbộ khuếch đại thuật toán 741(MC1741), trong đó có bốn loại bao bì Bên cạnh đó các nghịch đảo và đầu vào và đầu

ra noninverting chân, điều này bộ khuếch đại thuật toáncó thêm hai chân gọi là bù đắpnull Như đã trình bày trong sơ đồ nhỏ của hình 3.7, chúng có thể được sử dụng đểđiều chỉnh điện áp đầu ra tăng hay giảm nhẹ cho các mục đích loại bỏ DC bù đắp vôn-một điện áp DC nhỏ mà có thể xảy ra ở đầu ra, ngay cả khi các yếu tố đầu vào là chínhxác bình đẳng

Nhìn vào các đặc tính điện (Hình 3.7), đạt được điện áp tín hiệu lớn được cho là

50-200 V / mV Điều này có nghĩa rằng, ở mức tối thiểu, tỷ lệ này là 50 V cho mỗi mVtrong, đó là tương đương với 50.000 V cho mỗi volt trong, hoặc một tăng 50.000 (tốithiểu) Cũng thông báo rằng các kháng đầu vào được đưa ra như là thường 2 M vàkháng đầu ra thường là 75 741 là một truyền thống op-amp đó là thường được tríchdẫn trong sách giáo khoa vì người quen thuộc với nó và nó thường được nuôi trongphòng thí nghiệm Tuy nhiên, có hàng trăm loại bộ khuếch đại thuật toántrên thịtrường, nhiều người trong số họ mới hơn và tốt hơn trong một số cách hơn 741 Maymắn thay, gần như tất cả trong số họ có cấu hình pin giống như 741, do đó bạn có thểthiết kế một mạch xung quanh một 741 và sau đó thay thế một mô hình khác nhau, nếubạn cần thực hiện Ví dụ về các phiên bản mới hơn bộ khuếch đại thuật toánbao gồmcác LF355, LM308, và LF411 Các LF411 có một kháng đầu vào rất cao và điện ápthực tế không có bù đắp

Nhiều mạch tín hiệu điều hữu ích có thể được xây dựng sử dụng op-amps Một sốtrong những phổ biến nhất được thể hiện trong các trang tiếp theo.

Điện áp dẫn theo điện áp, đó là mạch rất hữu ích, có thể đẩy mạnh hiện tại của mộttín hiệu mà không cần tăng điện áp Nó có thể chuyển đổi một tín hiệu trở kháng cao(dễ dàng nạp

Hình 3.7 Bảng dữ liệu cho các mục đích chung 741 bộ khuếch đại thuật toán (Bản quyền© Semiconductor Components Industries, LLC Được sử dụng bởi sự cho phép.)

Vout =(AV2) –(AVout)

Giải quyết cho Vout ta có :

Hình 3.9 : Sử dụng một điện áp đi theo để ngăn chặn sụt tải

Nhưng vì A là lớn hơn nhiều so với 1,

Chúng ta thấy rằng điện áp đầu ra Vout bằng với V2 điện áp đầu vào, có nghĩa làtăng tổng thể là 1 Cũng cần lưu ý rằng các tín hiệu đầu vào thực tế đi trực tiếp vào đầuvào không đảo, vì vậy nó về cơ bản không có sự thay đổi

Một cách trực quan hơn để giải thích các mạch điện áp đi theo là như sau: Các V2đầu vào là hầu như cùng một điện áp như V1 (từ giả thiết 1) V1 được kết nối vớiVout, vì vậy nó là, nếu như V2 đã được kết nối với Vout, do đó thu được của 1

Các theo điện áp là một mạch đơn giản và rất hữu ích Hãy xem xét tình hình thểhiện trong hình 3.9 (a) Trong trường hợp này, một bộ cảm biến trở kháng cao (10k), được kết nối trực tiếp đến một bộ điều khiển với một kháng đầu vào 1 k Cáccảm biến tạo ra 5 V liên nally, nhưng điều này sẽ giảm bởi sự sụt giảm điện áp trên 10k kháng nội bộ By vẽ lại mạch [Hình 3.9 (b)], chúng ta thấy rằng hai cuộc kháng

này tạo thành một điện áp chia Điện áp đầu vào thực tế để điều khiển có thể được tínhnhư sau từ sự cai trị áp-chia:

V

Điều này cho thấy rằng chỉ có 0,45 V của tín hiệu 5 V làm cho nó để điều khiển.Chúng tôi có thể khuếch đại các tín hiệu ở bộ điều khiển để bù đắp cho sự suy giảm,nhưng điều đó sẽ khuếch đại tiếng ồn cũng như các tín hiệu Một giải pháp tốt hơn là

để chèn một người theo điện áp gần cảm biến, như thể hiện trong hình 3.9 (c) Bởi vìcác op-amp rút ra không có tín hiệu hiện tại, không có điện áp rơi trên điện trở 10 k,

và đầy đủ 5 V đi vào đi theo điện áp và hiện tại đầu ra của nó Các kháng đầu vào 1k của bộ điều khiển như vậy là cao hơn nhiều so với các kháng đầu ra của op-amp

mà hầu như tất cả các 5 V sẽ xuất hiện trên các thiết bị đầu cuối điều khiển

Nghịch đảo bộ khuếch đại

Nghịch đảo khuếch đại có lẽ là cấu hình op-amp phổ biến nhất Các CUIT huốngthể hiện trong hình 3.10 chỉ đòi hỏi hai điện trở, Ri và Rf Ri là điện trở đầu vào, và Rf

là điện trở phản hồi rằng nguồn cấp dữ liệu là một phần của tín hiệu đầu ra trở lại vàođầu vào Cái này

Hình 3.10 : Các mạch khuếch đại nghịch đảo.

là một bộ khuếch đại nghịch đảo vì các tín hiệu đầu vào đi đến đầu vào đảo ngược,

có nghĩa là đầu ra là ra khỏi giai đoạn với các đầu vào Việc đạt được điện áp được xácđịnh bởi các giá trị điện trở Giải thích về cách inverting amp công trình là như sau:Thứ nhất, nếu đầu vào op-amp rút ra không có hiện tại, sau đó tất cả các tín hiệu hiệntại (Iin) phải đi qua Rf-có nơi nào khác cho nó đi Vì vậy, Iin = If Theo giả thiết, V1

và V2 là hầu như cùng điện áp, và V2 là có căn cứ; do đó, V1 là tại đất ảo Nếu V1 là

(gần như) tại mặt đất, sau đó toàn bộ điện áp tín hiệu đầu vào Vin là bỏ qua Ri Từđịnh luật Ohm,

Như đã lưu ý, hầu như tất cả các Iin đi qua các thông tin phản hồi Rf điện trở Cácđiện áp trên Rf là sự khác biệt giữa mặt đất ảo và Vout Như vậy, chúng ta có thể viếtphương trình định luật Ohm cho Rf:

Kết hợp hai phương trình trước ta có:

Giải quyết cho Vout và sắp xếp lại cho chúng :

Tuy nhiên, Vout / Vin là tăng điện áp, vì vậy :

Trong đó:

AV = đạt được điện áp của nghịch đảo amp

Rf = giá trị của điện trở phản hồi

Ri = giá trị của điện trở đầu vào

Kết quả này (phương trình 3.2) cho chúng ta thấy rằng sự tăng điện áp của invertingamp đơn giản là tỷ lệ của hai điện trở Rf và Ri Các dấu trừ nhắc nhở chúng ta rằngsản lượng được đảo ngược Việc đạt được xuất phát trong phương trình 3.2 được gọi là

độ lợi vòng kín và luôn luôn thấp hơn (vòng hở) thu được của các bộ khuếch đại thuậttoán

Một điểm quan trọng là trở kháng đầu vào cho toàn bộ nghịch đảo amp là khoảng

Ri (phải là vô hạn như người ta vẫn nghĩ) Hình 3.10 cho thấy điều này: cuối bên phảicủa Ri là tại đất ảo; Do đó, toàn bộ Vin được "thả" trên Ri

Rf =–A

= –(–10)  10 k = 100k

Hình 3.11 cho thấy các mạch hoàn chỉnh

máy biến áp không nghịch đảo

Nhiều tình huống gọi cho một bộ khuếch đại không đảo ngược đầu ra Ví dụ, đầu racủa cảm biến nhiệt độ có thể được như vậy mà khi nhiệt độ tăng lên, điện áp tăng lên.Nếu đây là mối quan hệ tương tự mà các bộ điều khiển muốn, chúng tôi không muốnkhuếch đại để nghịch nó Các mạch cho các bộ khuếch đại không nghịch đảo được thểhiện trong hình 3.12 Nó tương tự như bộ khuếch đại amp trừ các tín hiệu đầu vào Vinbây giờ đi trực tiếp đến đầu vào không nghịch đảo và Ri là có căn cứ Chú ý rằng cácamp noninverting có trở kháng đầu vào gần như vô hạn (Ri) vì Vin chỉ kết nối với đầuvào bộ khuếch đại thuật toán

Hình 3.11 :Một mạch khuếch đại nghịch đảo (Ví dụ 3.2).

Hình 3.12: Các mạch khuếch đại không nghịch đảo

Giải thích về cách các mạch hoạt động như sau: Nếu V1 là hầu như giống như V2,sau đó điện áp đầu vào (Vin) xuất hiện trên Ri Áp dụng định luật Ohm để Ri, chúng ta

có thể tính toán :

Hiện nay Rf cũng có thể được tính toán bằng cách sử dụng định luật Ohm Chúng

ta biết điện áp trên Rf là sự khác biệt giữa Vin và Vout Vì thế,

Bởi vì không có dòng điện đi vào bộ khuếch đại đầu vào của op-amp, tất cả hiện tại

Rf phải đi vào Ri:

Kết hợp ba phương trình ta có:

Giải quyết cho Vout và sắp xếp lại ta có:

Trong đó:

AV = đạt được điện áp cho amp không nghịch đảo

Rf = giá trị của điện trở phản hồi

Ri = giá trị của điện trở đầu vào

Hình 3.13: Một mạch khuếch đại không nghịch đảo (Ví dụ 3.3)

Rf= 19 Ri = 19  2 k = 38k

Hình 3.13 cho thấy các mạch hoàn chỉnh Các cơ sở cho việc chọn cả Ri và Rf làhiện nay ở các điện trở bên ngoài nên lớn hơn nhiều so với giá thuê hiện thời nhỏ màthực sự đi vào op-amp (nhớ lại rằng phương trình bộ khuếch đại thuật toán được dựatrên giả định rằng không có dòng điện đi vào các op-amp) Do đó, cả Ri và Rf nên nhỏhơn đầu vào bộ khuếch đại thuật toánkháng trong trường hợp này, không nhiều hơn

100 k nếu có thể ít nhất mười lần

Tổng kết bộ khuếch đại :

Các bộ khuếch đại tổng hợp có một điện áp đầu ra là tổng của bất kỳ số điện áp đầuvào Hình 3.14 (a) mô tả tình trạng này Trong trường hợp này, các bộ khuếch đại sẽthêm các điện áp đầu vào của 1 V, V2, và 4 V và đưa ra một sản lượng của 7 V Bạn

có thể bị thay đổi để

Hình 3.14 Kết nối dây điện không tổng hợp điện áp

Tôi nghĩ rằng bạn có thể làm điều này bằng cách nối dây như trong hình 3.14 (b),nhưng đầu ra của mạch đó sẽ là một cái gì đó giữa 1 và 4 V phụ thuộc vào nguồn là

"mạnh nhất" (có sức đề kháng thấp nhất).Hình 3.15 cho thấy các mạch khuếch đại tổnghợp Mỗi tín hiệu đầu vào đi qua một điện trở riêng biệt mà giữ nó được phân lập từnhững người khác Các nghịch đảo đầu vào được sử dụng, do đó sản lượng sẽ đượcđảo ngược Giải thích về cách thức hoạt động như sau: Bởi vì đầu vào op-amp rút rakhông có hiện tại, tất cả các dòng đầu vào cá nhân phải kết hợp và đi qua các điện trởphản hồi Rf:

If =Ia + Ib +Ic

Lưu ý rằng V2 là có căn cứ, vì vậy V1 là tại đất ảo Do đó, điện áp trên mỗi trongbốn điện trở là chỉ đơn giản là Va, Vb, Vc, và Vout Áp dụng định luật Ohm để thểhiện dòng điện qua mỗi điện trở, chúng ta có thể viết lại phương trình 3.4 như sau:

Giải quyết cho Vout,

Hình 3.15: Mạch khuếch đại tổng hợp.

Nói cách khác, điện áp đầu ra bằng tổng của các sản phẩm của điện áp đầu vào vàtăng tương ứng của họ Ngoài ra, trở kháng đầu vào của mỗi đầu vào bằng với giá trịcủa điện trở đầu vào tương ứng (Ra, Rb, vv)

Nếu Ra = Rb = Rc = Ri, đầu ra của amp đơn giản hoá để tổng hợp:

(3.5)

Trong đó:

Vout = điện áp đầu ra của khuếch đại tổng hợp

Rf = giá trị của điện trở phản hồi

Ri = giá trị của tất cả các điện trở đầu vào

Va, Vb, Vc = điện áp tín hiệu đầu vào

Phương trình (3.5) cho thấy rằng điện áp đầu ra Vout là bằng tổng các điện áp đầuvào lần một yếu tố tăng của Rf / Ri Các dấu trừ nhắc nhở chúng ta rằng sản lượngđược đảo ngược

VÍ DỤ 3.4

Theo một quy mô thoải mái, điều hòa không khí trong một tòa nhà nên đến vào khitổng của nhiệt độ và độ ẩm cảm biến điện áp đi trên 1 V Một mạch ngưỡng trong điềuhòa không khí đòi hỏi 5 V cho turn-on Thiết kế một mạch giao diện để kết nối hai bộcảm biến để các đơn vị ing độ điều kiện không khí

Giải pháp

Mạch này đòi hỏi phải có một bộ khuếch đại tổng hợp với hai đầu vào và một đạt 5.Bằng cách xác định cả hai điện trở đầu vào để được giống (1 k), chúng ta có thể sửdụng phương trình 3.5, và tính toán của chúng tôi chỉ quan tâm phần tăng của phươngtrình:

Hình 3.16 Một mạch khuếch đại tổng hợp (Ví dụ 3.4).

Khác biệt của công cụ khuếch đại:

Một bộ khuếch đại khác biệt khuếch đại sự khác biệt giữa hai điện áp đầu vào.Trong mạch, chúng tôi đã kiểm tra cho đến nay, các điện áp đầu vào đã được thamchiếu đến mặt đất, nhưng các op-amp có thể là cơ sở của một khuếch đại khác biệtthực tế là tốt Hình 3.17 cho thấy một mạch như vậy Như trước đây, đạt được đượcthành lập với điện trở Mạch này sẽ khuếch đại điện áp khác biệt, đó là sự khác biệtgiữa các cấp điện áp hai Va và Vb, khi không phải là mặt đất Các đầu ra của bộkhuếch đại (Vout) là một loại điện áp mức tham chiếu đến mặt đất, đôi khi được gọi làmột điện áp single-end Nếu Ra = Rb và Rf = Rg, mà thường là trường hợp, sau đó làphương trình cho Vout là:

Hình 3.17: sự khác biệt của mạch khuếch đại.

Trong đó:

AV = đạt được điện áp của amp khác biệt

Rf = giá trị Rf và Rg

Ra = giá trị của điện trở đầu vào, Ra và Rb

Như với các bộ khuếch đại thuật toán cơ bản, sự phân cực của đầu ra (Vout) sẽđược tích cực khi đầu vào Vb là tích cực hơn so với đầu vào Va Việc lựa chọn các giátrị điện trở Ra và Rb được dựa trên một sự thỏa hiệp Nếu chúng quá cao nói, hơn 100kΩ-sau đó các dòng có thể là quá nhỏ mà giả định bộ khuếch đại thuật toán cơ bản củachúng tôi sẽ không giữ (ví dụ, giả định rằng tất cả Ra đi qua Rf ) Mặt khác, nếu cácngưỡng thay đổi là quá thấp (ít hơn mười lần so với điện trở nguồn), sau đó một sốlượng đáng kể suy giảm sẽ xảy ra trước khi tín hiệu thậm chí còn được cho khuếch đại

VÍ DỤ 3.5

Một khuếch đại khác biệt là cần thiết để khuếch đại sự khác biệt điện áp giữa haicảm biến nhiệt độ Các cảm biến có điện trở nội của 5 kΩ, và điện áp khác nhau tối đagiữa các bộ cảm biến sẽ là 2 V Thiết kế sự khác biệt khuếch đại mạch để có một sảnlượng của 12 V khi chênh lệch đầu vào là 2 V

Giải pháp

Đầu tiên tính toán đạt được yêu cầu:

Av = = = 6

Bằng cách cho phép Ra = Rb và Rf = Rg, chúng ta có thể sử dụng phương trình 3.7.Cần chú ý là cảm biến trở kháng là 5 kΩ, chúng tôi muốn các kháng đầu vào của amp

là tại ít nhất mười lần 5 kΩ Vì vậy, nếu chúng ta chọn Ra = 50 kΩ, sau đó

Av = = 6giải quyết cho Rf

Rf = Ra × 6 = 50 kΩ × 6 = 300 kΩ

Hình 3.18 Cho thấy các thiết kế đã hoàn thành.

Đôi khi thông tin được truyền đi như một tín hiệu khác biệt, có nghĩa là điện áptín hiệu thực tế là sự khác biệt giữa hai dây (nơi không dây là mặt đất) Một tín hiệunhư vậy có thể được chuyển đổi thành một thường xuyên (trên mặt đất tham chiếu)điện áp bởi một bộ khuếch đại khác biệt Ưu điểm của hệ thống này là nó làm giảm tácdụng của electricalnoise Một tín hiệu tiếng ồn sẽ có xu hướng để vợ chồng lên cả dâyđiện; Ví dụ, một điện áp tích cực "nhánh" sẽ gây ra một nhánh dương trong cả hai dây,

mà sẽ được triệt tiêu của khuếch đại vi sai (vì chỉ có sự khác biệt điện áp được khuếchđại) Điều này được gọi là chế độ từ chối phổ biến

Một bộ khuếch đại đo đạc là một amp khác biệt đó có yếu tố đầu vào của nóbufferedwith người theo điện áp, như thể hiện trong hình 3.19 Mạch điện áp theo trên

đầu vào thực hiện ba chức năng mong muốn: (1) Chúng làm tăng sức đề kháng đầuvào để các nguồn (chẳng hạn như một bộ cảm biến) sẽ không bao giờ được tải xuống,(2) họ làm cho cả hai điện trở tương đương đầu vào, và (3) họ cô lập các điện trở đượcxác định (Rf, Ri, vv) từ nguồn tín hiệu Chất lượng cuối cùng này có nghĩa là cáckhuếch đại thiết bị đo đạc có thể được dựng sẵn để có thể đạt được.

Hình 3.19: Các thiết bị đo dạc khuếch đại mạch.

Hình 3.20Bảng dữ liệu cho các bộ khuếch đại PGA204 thiết bị đo đạc ( Tài liệu

của Burr -Brown Corp )

Như một IC 16-pin, các PGA204 có bốn lợi ích cố định của 1, 10, 100, 1000, đượclựa chọn bởi hai yếu tố đầu vào kỹ thuật số (00, 01, 10, 11) Các bộ khuếch đại có íchtrong những ứng dụng mà các tín hiệu điện áp bao la khác nhau được số hóa bởi ADCcùng (analog- chuyển đổi sang kỹ thuật số) Trong một hệ thống như vậy, bộ điềukhiển kỹ thuật số có thể chuyển sang tăng phù hợp với từng mức độ tín hiệu khác nhau

MẠCH TÍCH HỢP VÀ BỘ VI SAI

Mạch khuếch đại thuật toán có thể được thiết kế để tích hợp hay phân biệt một dạngsóng đến Những mạch mục đích đặc biệt là khả năng duy nhất được tìm thấy bêntrong một bộ điều khiển analog (như đã thảo luận trong chương 11)

Hình 3.21 cho thấy một mạch tích hợp Chú ý rằng các yếu tố thông tin phản hồi làmột tụ điện Việc tích hợp cho một điện áp đầu ra (Vout) đó là tỷ lệ thuận với tổngdiện tích dưới đường cong vạch ra bởi các dạng sóng điện áp đầu vào (trục ngang làthời gian), như quy định trong phương trình 3.8:

(diện tích dưới đường cong Vin • thời gian)

Trong đó:

Vout = điện áp đầu ra của các nhà tích hợp R, C = giá trị của các thành phần tronghình 3.21

Các mạch điện bằng cách chuyển đổi Vin vào một nguồn dòng không đổi buộc các

tụ điện (C) để tính phí với tốc độ tuyến tính, do đó xây dựng lên các điện áp trên C.Khái niệm tích hợp có thể được giải thích bởi các dạng sóng mẫu được hiển thị tronghình3,22 (trong đó giả định RC = 1) Chú ý rằng điện áp tích hợp đầu vào (Vin) tăng0-1 V trong 10 s đầu tiên Diện tích tam giác theo đó phần của đường cong (ab) là 5 V

• s, nên đầu ra (Vout) của các nhà tích hợp đi từ 0 đến -5 V trong thời gian tương tự.Nói cách khác, điện áp đầu ra kết thúc lên được độ lớn tương tự như diện tích dướiđường cong, trong trường hợp này 5 (dấu trừ xuất hiện bởi vì nó là một nghịch đảoamp) Từ thời điểm b đến c, Vin vẫn ở 1 V, do đó, các khu vực mới được thêm vào là

10 V • s Do đó, các magitude của Vout tăng từ 10 đến trở thành -15 V lúc c Sau đó,Vin trở về 0 V Vì không mới

Hình 3.23 cho thấy một mạch khác biệt Các khác biệt cho một sản lượng điện ápthích tuổi đó là tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi (độ dốc) của điện áp đầu vào, như quyđịnh trong phương trình 3.9

Hình 3.23 Một mạch khác biệt

Trong đó:

Vout = điện áp đầu ra của các khác biệt

R, C = giá trị của các thành phần trong hình 3.23

/ t = tốc độ thay đổi, hoặc độ dốc, của

Khái niệm phân biệt được minh họa trong hình 3.24 (trong đó giả định RC = 1) Từthời điểm a đến b, điện áp đầu vào (Vin) là 0 V, và bởi vì nó không được thay đổi,dùng ngoài trời đặt điện áp (Vout) là 0 V Trong thời gian bc thời gian, Vin tăng vớimột tốc độ không đổi của 1 V / s, do đó các đường cong Vout phản ánh điều này bằngcách tạm trú tại một -1 V không đổi (nó là tiêu cực vì inverting đầu vào được sử dụng)

Từ thời gian c cho d, độ dốc của Vin tăng đến 2 V / s, do đó Vout nhảy đến -2 V Sauthời gian d, Vin ở tại 3 V, và bởi vì nó là không thay đổi, Vout là 0 Khác Biệt có thểnói cho chúng tôi nhanh như thế nào một biến được thay đổi

Hình 3.24 Điện áp hình thức bước sóng của một sự khác biệt (* Vout = -Vin

trường hợp này bởi vì RC = 1.)

Đề xi ben

Khuếch đại và lọc thu được thường xuyên thể hiện trong decibel (db), được đặt tênsau khi Alexander Graham Bell Decibel là một biểu thức, trên một quy mô lôgarít,làm thế nào lớn hơn (hoặc nhỏ hơn) đầu ra là hơn đầu vào Ý tưởng ban đầu là sử dụng

đề xi ben để thể hiện mức tăng điện sử dụng phương trình 3.10

Apdb =10 log Ap (3.10)

Trong đó:

Apdb = quyền lực đạt được trong decibel

Ap = quyền lực đạt được đơn giản (được gọi là "tăng thẳng")

Khi nó quay ra, nó là phổ biến hơn để đo điện áp tăng hơn đạt được sức mạnh, vì lợiích áp là dễ dàng hơn để đo lường và tính toán Các phương trình để đạt được decibel

điện áp được đưa ra trong phương trình 3.11 và được sử dụng trong ví dụ 3.6 để tínhtoán decibel đạt được của một bộ khuếch đại

Áp dụng phương trình 3.11 cho thấy đạt được điện áp bằng decibel

Avdb = 20 log Av = 20 log 5000 = 74db

Vì vậy, đạt được điện áp khuếch đại hiện trong decibel là 74 db

VÍ DỤ 3.7

Một bộ khuếch đại được cho là có một tăng điện áp của 45 db Tìm đạt được điện

áp thẳng

Giải pháp

Sắp xếp lại phương trình 3.11 để giải quyết cho Av

Vì vậy, đạt được điện áp thẳng của bộ khuếch đại là 178 Hệ thống db có xu hướng

mở rộng số lượng nhỏ được và nén các số lớn được Điều này có thể được rõ trongBảng 3.1 Nhìn vào bảng này, chúng ta có thể quan sát xa hơn:

1 A đạt được thẳng của 1 (nghĩa là không có lãi hoặc lỗ) là 0 db

2 Sự tăng liên tiếp 2 (có nghĩa là đầu ra là lớn gấp hai lần như là đầu vào) tươngứng với 6 db

3 A đạt được thẳng 0.5 (mà thực sự là một sự suy giảm vì đầu ra chỉ là một nửatuyệt vời như đầu vào) tương ứng với 6 dB Bạn có thể thấy rằng tất cả attenuations làdecibel ative neg-.

4 Khi tăng thẳng đi lên (hoặc xuống) theo hệ số 10, những thay đổi tăng decibelbằng cách thêm (hoặc trừ) 20 db

Sử dụng những quan sát này, chúng ta có thể đến với một thủ tục đơn giản mà sẽcho phép bạn để đến với một ước tính gần của đạt decibel với bút chì và giấy (hoặctrong đầu của bạn!) Thủ tục này được thể hiện trong ví dụ 3.8, trong đó sử dụng cácquy tắc sau đây:

1 Yếu tố đạt được điện áp thẳng vào bội số của 10 và bội số của 2

2 Đối với mỗi bội số của 10, thêm 20 db

3 Đối với mỗi bội số của 2, thêm 6 db

1 Chia tay đạt decibel vào trận đấu gần nhất của addends của 6 và 20

2 Đối với mỗi số hạng của 6, nhân với 2 (cho mỗi số hạng của -6, nhân với 0,5)

3 Đối với mỗi số hạng là 20, nhân với 10 (cho mỗi số hạng của -20, nhân với 0,1)

VÍ DỤ 3.9

Ước tính đạt được điện áp thẳng cho các bộ khuếch đại của Ví dụ 3.7

Giải pháp

Các bộ khuếch đại có một tăng điện áp của 45 db Điều đầu tiên cần làm là phá vỡ

45 db vào địa chỉ 6 db và 20 db như là tốt nhất có thể

cả các bạn phải làm là thêm chúng lên để có được những lợi ích tổng thể (tăng thẳngphải

Hình 3.25: Đạt được thổng số decibel trong một hệ thống ăng-ten

được nhân) Nguyên tắc này được thể hiện trong hình 3.25 cho một hệ thống ten Bạn có thể thấy rằng các tín hiệu đi qua bốn mô-đun, mỗi với lãi lỗ của riêngmình, nhưng mức tăng tổng thể có thể dễ dàng tính toán để được 15 db.

ăng-Bộ lọc tích cực

Mạch lọc hoặc thông qua hoặc dừng lại tín hiệu, tùy thuộc vào tần số Hình 3.26cho thấy phản ứng của một số loại cơ bản của các bộ lọc Các bộ lọc thông thấp [Hình3.26 (a)] cho phép chỉ có tần số thấp hơn tần số cắt (fc) để vượt qua Tần số trên fcđang attenthu Tần số cắt thực tế được định nghĩa là tần số mà được giảm xuống 0,707(-3 db) của giá trị qua lại của mình Độ dốc của sự suy giảm phụ thuộc vào loại bộ lọc.Một đơn giai đoạn lọc RC thông thường (được mô tả dưới đây) giảm tín hiệu bởi mộtyếu tố của 10 mỗi lần tần số tăng lên 10 (hoặc -20 db mỗi thập kỷ) Các cao-pass filter[Hình 3.26 (b)] có xu hướng từ chối tín hiệu với tần số dưới ty cắt giảm tần số và vượtqua những người ở trên [Hình 3.26 (c)] đi tín hiệu với một loạt các tần số giữa FC1 vàFC2 và từ chối tất cả những người khác Các bộ lọc notch [Hình 3.26 (d)] bác bỏ chỉmột phạm vi hẹp của tần số và vượt qua tất cả những người khác

Một số các bộ lọc này đặc biệt hữu ích cho các tín hiệu điều khiển trong các hệthống Ví dụ, bộ cảm biến báo cáo những thứ như nhiệt độ hoặc tốc độ dòng chảy đãrel- tín hiệu atively chậm thay đổi Một bộ lọc thấp qua sẽ cho phép các tín hiệu cảmbiến để vượt qua thời loại bỏ tiếng ồn điện tần số cao hơn, từ động cơ hoặc rơ le Các

bộ lọc notch cũng đặc biệt hữu ích Nó có thể được sử dụng để làm giảm bớt tần sốtiếng ồn đặc biệt, chẳng hạn như 60 Hz, và vượt qua tất cả mọi thứ khác

Hình 3.26: Phản ứng bộ lọc cơ bản

Về mặt lý thuyết, các bộ lọc có thể được xây dựng hoàn toàn từ các thành phần thụđộng (R, C, L) Trong thực tế, bộ lọc như vậy có xu hướng thay đổi đặc điểm khi lắpvào một mạch vì các trở kháng tương tác Các op-amp có thể giải quyết vấn đề nàybằng cách cung cấp trở kháng cách ly giữa các bộ lọc và các mạch nó điều khiển, vàcung cấp một số đạt được là tốt Một bộ lọc bằng cách sử dụng một op-amp được gọi

là một bộ lọc tích cực Hình 3.27 cho thấy một đơn tầng thấp vượt qua bộ lọc kết hợpmột op-amp Chú ý rằng điều này về cơ bản là một khuếch đại không đảo với một bộlọc RC nối với đầu vào Hiệu suất của bộ lọc này có thể được mô tả bằng phương trình3.3 và 3.12:

Hình 3.27 : Một mạch lọc thấp