Phản hồi âm điện áp : Nếu chúng tôi kết nối đầu ra của một op-amp với đầu vào đảo của nó và áp dụng tín hiệu điện áp cho đầu vào không đảo, chúng tôi thấy rằng điện áp đầu ra của op-amp tuyến tính với điện áp đầu vào đó (tôi đã bỏ qua việc lấy điện nguồn cung cấp, + dây V / -V và ký hiệu nối đất để đơn giản hóa):
Khi Vin tăng, Vout sẽ tăng theo mức tăng khác biệt.
Tuy nhiên, khi V ra tăng, điện áp đầu ra đó được đưa trở lại đầu vào đảo, do đó hoạt động để giảm chênh lệch điện áp giữa các đầu vào, tác động làm giảm đầu ra. Điều gì sẽ xảy ra đối với bất kỳ đầu vào điện áp nhất định nào là op-amp sẽ tạo ra một điện áp rất gần bằng Vin , nhưng chỉ đủ thấp để có đủ chênh lệch điện áp còn lại giữa Vin và đầu vào (-) để được khuếch đại để tạo ra điện áp đầu ra.
Nếu bạn chưa theo dõi có thể tham khảo toàn bộ tài liệu op amp
Mạch sẽ nhanh chóng đạt đến điểm ổn định (được gọi là trạng thái cân bằng trong vật lý), nơi điện áp đầu ra chỉ ở mức phù hợp để duy trì lượng chênh lệch phù hợp. Lấy điện áp đầu ra của op-amp và ghép nó với đầu vào đảo ngược là một kỹ thuật được gọi là phản hồi âm và nó là chìa khóa để có một hệ thống tự ổn định (điều này không chỉ đúng với op-amp mà còn đúng với bất kỳ hệ thống động nào nói chung). Sự ổn định này cung cấp cho op-amp khả năng hoạt động ở chế độ tuyến tính (hoạt động) của nó, trái ngược với việc chỉ bị bão hòa khi “bật” hoặc “tắt” như khi được sử dụng làm bộ so sánh , không có phản hồi nào cả.
Bởi vì mức khuếch đại của op-amp rất cao, điện áp trên đầu vào đảo có thể được duy trì gần như bằng V in . Giả sử rằng op-amp của chúng tôi có mức tăng điện áp chênh lệch là 200.000. Nếu V trong tương đương với 6 volt, điện áp đầu ra sẽ 5,999970000149999 volt. Điều này tạo ra vừa đủ điện áp chênh lệch (6 volt – 5,999970000149999 volt = 29,99985 µV) để làm cho 5,999970000149999 volt được hiển thị ở đầu ra và hệ thống giữ ở đó cân bằng. Như bạn có thể thấy, 29,99985 µV không phải là quá nhiều chênh lệch, vì vậy đối với các tính toán thực tế, chúng ta có thể giả định rằng điện áp chênh lệch giữa hai dây đầu vào được giữ bởi phản hồi âm chính xác ở 0 volt.
Lợi thế của phản hồi âm trong Op-Amps
Một lợi thế lớn khi sử dụng op-amp với phản hồi âm là mức tăng điện áp thực tế của op-amp không quan trọng, miễn là nó rất lớn. Nếu mức tăng chênh lệch của op-amp là 250.000 thay vì 200.000, tất cả điều đó có nghĩa là điện áp đầu ra sẽ giữ gần hơn một chút với V in (cần ít điện áp chênh lệch hơn giữa các đầu vào để tạo ra đầu ra yêu cầu). Trong mạch vừa minh họa, điện áp đầu ra sẽ vẫn (cho tất cả các mục đích thực tế) bằng với điện áp đầu vào không đảo. Do đó, độ lợi op-amp không cần phải nhà sản xuất thiết lập chính xác để nhà thiết kế mạch xây dựng mạch khuếch đại có độ lợi chính xác. Phản hồi âm khiến hệ thống tự điều chỉnh. Toàn bộ mạch trên sẽ đơn giản tuân theo điện áp đầu vào với mức tăng ổn định là 1.
Mạch bên trong Op-Amp hoạt động như thế nào?
Quay trở lại mô hình bộ khuếch đại vi sai , chúng ta có thể nghĩ bộ khuếch đại hoạt động là một nguồn điện áp thay đổi được điều khiển bởi một bộ dò null cực kỳ nhạy, loại chuyển động của đồng hồ đo hoặc thiết bị đo lường nhạy khác được sử dụng trong mạch cầu để phát hiện điều kiện cân bằng ( không vôn). “Chiết áp” bên trong op-amp tạo ra điện áp thay đổi sẽ di chuyển đến bất kỳ vị trí nào mà nó phải “cân bằng” điện áp đầu vào đảo và không đảo để “đầu dò null” không có điện áp trên nó:
Khi “chiết áp” sẽ di chuyển để cung cấp điện áp đầu ra cần thiết để đáp ứng “máy dò null” ở “chỉ báo” là 0 vôn, điện áp đầu ra sẽ bằng với điện áp đầu vào: trong trường hợp này là 6 vôn. Nếu điện áp đầu vào thay đổi hoàn toàn, “chiết áp” bên trong op-amp sẽ thay đổi vị trí để giữ cân bằng “đầu dò null” (cho biết không vôn), dẫn đến điện áp đầu ra luôn xấp xỉ bằng điện áp đầu vào.
Điều này sẽ đúng trong phạm vi điện áp mà op-amp có thể cung cấp. Với nguồn điện + 15V / -15V và một bộ khuếch đại lý tưởng có thể điều chỉnh điện áp đầu ra của nó càng rôgj, nó sẽ phụ thuộc theo điện áp đầu vào giữa giới hạn +15 volt và -15 volt. Vì lý do này, mạch trên được gọi là mạch theo điện áp . Giống như đối tác một bóng bán dẫn của nó, bộ khuếch đại góp chung (“emitter-follower”), nó có mức tăng điện áp là 1, trở kháng đầu vào cao, trở kháng đầu ra thấp và mức tăng dòng cao. Bộ theo điện áp còn được gọi là bộ đệm điện áp, và được sử dụng để tăng cường khả năng tìm nguồn hiện tại của các tín hiệu điện áp quá yếu (trở kháng nguồn quá cao) để trực tiếp truyền tải. Mô hình op-amp được hiển thị trong hình minh họa cuối cùng mô tả cách điện áp đầu ra về cơ bản được cách ly với điện áp đầu vào, do đó dòng điện trên chân đầu ra hoàn toàn không được cung cấp bởi nguồn điện áp đầu vào, mà là từ nguồn điện cấp nguồn cho op -amp.
Cần lưu ý rằng nhiều op-amps không thể điều chỉnh điện áp đầu ra của chúng chính xác đến điện áp đường sắt cung cấp điện + V / -V. Mô hình 741 là một trong những mô hình không thể: khi bão hòa, điện áp đầu ra của nó đạt cực đại trong khoảng một volt của điện áp nguồn + V và trong khoảng 2 volt của điện áp nguồn -V. Do đó, với nguồn điện chia nhỏ + 15 / -15 volt, đầu ra của 741 op-amp có thể cao tới +14 volt hoặc thấp nhất là -13 volt (xấp xỉ), nhưng không xa hơn. Điều này là do thiết kế bóng bán dẫn lưỡng cực của nó. Hai giới hạn điện áp này được gọi là điện áp bão hòa dương và điện áp bão hòa âm, tương ứng. Các op-amps khác, chẳng hạn như mô hình 3130 với bóng bán dẫn hiệu ứng trường ở giai đoạn đầu ra cuối cùng, có khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra trong phạm vi milivôn của một trong hai điện áp đường ray cấp nguồn . Do đó, điện áp bão hòa dương và âm của chúng thực tế bằng điện áp nguồn.
ÔN TẬP:
- Kết nối đầu ra của op-amp với đầu vào đảo ngược (-) của nó được gọi là phản hồi âm . Thuật ngữ này có thể được áp dụng rộng rãi cho bất kỳ hệ thống động nào mà tín hiệu đầu ra được “đưa trở lại” đầu vào bằng cách nào đó để đạt đến điểm cân bằng (cân bằng).
- Khi đầu ra của op-amp được kết nối trực tiếp với đầu vào đảo ngược (-) của nó, một bộ theo điện áp sẽ được tạo. Bất kỳ điện áp tín hiệu nào được ấn tượng khi đầu vào không đảo ngược (+) sẽ được nhìn thấy trên đầu ra.
- Một op-amp có phản hồi âm sẽ cố gắng điều khiển điện áp đầu ra của nó đến bất kỳ mức nào cần thiết để điện áp chênh lệch giữa hai đầu vào thực tế bằng không. Độ lợi vi sai op-amp càng cao thì điện áp vi sai đó càng gần bằng 0.
- Một số op-amps không thể tạo ra điện áp đầu ra bằng điện áp cung cấp của chúng khi bão hòa. Mẫu 741 là một trong số này. Giới hạn trên và dưới của dao động điện áp đầu ra của op-amp được gọi là điện áp bão hòa dương và điện áp bão hòa âm , tương ứng.