Bài giảng điện tử tương tự khuếch đại đo lường

Khuếch đại đo lường
Nguyễn Quốc Cường – 3I
Giới thiệu
• Khuếch đại đo lường, hay khuếch đại thiết bị
(instrumentation- amplifier, hay đơn giản in-amp) là bộ
khuếch đại có đầu vào vi sai và đầu ra single-ended.
• Hệ số nén đồng pha lớn (CMRR : Common mode
rejection ratio).
•
Tr
ở khá
ng
và
o l
ớ
n
.
2
•
Tr
ở khá
ng
và
o l
ớ
n
.
• Dòng vào nhỏ.
• Điện áp offset nhỏ.
Giới thiệu (Analog Device)
3

Ứng dụng
• Các mạch in-amp thường được sử dụng để khuếch đại
các tín hiệu mà ở đó:
– tín hiệu hữu ích là tín hiệu điện áp (vi sai) nhỏ còn tín hiệu
nhiễu không mong muốn là tín hiệu common-mode.
– yêu cầu trở kháng vào lớn.
•
Ví dụ
:
4
•
Ví dụ
:
– Mạch đo sử dụng nguyên lý cầu điện trở (nhiệt độ, tensor )
– Mạch đo tín hiệu điện tim sử dụng các điện cực.
– …
In-amp sử dụng 2 op-amps
A1
A2
R1 R2 R3 R4
V1
VA
5
V2
4 4
2
3 3
2
1
1

4 2 4
2 1
3 1 3
1
1
1 1
OUT A
A
OUT
R R
V V V
R R
R
V V
R
R R R
V V V
R R R
   
= + −
   
   
 
= +
 
 
   
 
= + − +
   

 
 
   
Khuếch đại vi sai
• Hệ số khuếch đại vi sai với R1 = R4 và R2=R3
( )
4
2 1
3
1
OUT
R
V V V
R
 
= − +
 
 
6
Khuếch đại đồng pha
• Nếu cả hai đầu vào cùng có một điện áp V1 = V2 = V
CM

thì điện áp đầu ra sẽ bằng:
• Tỉ số nén đồng pha
2 4
1 3
1
out CM
R R

V V
R R
 
= −
 
 
7
– GAIN : hệ số khuếch đại vi sai
– Các sai số về điện trở sẽ gây ra sự giảm hệ số CMRR
– Khi hệ số GAIN tăng thì CMRR cũng tăng.
20log
2 4
1
1 3
GAIN
CMRR
R R
R R
 
 
=
 
−
 
 
Tính chất
• Tuy nhiên khi GAIN tăng thì sẽ làm giảm giải làm việc
của tín hiệu đồng pha đầu vào.
• Hệ số CMRR giảm nhanh khi tần số tín hiệu tăng do sự
lệch pha của tín hiệu đầu ra so với tín hiệu đầu vào của

khuếch đại A1.
•
Tr
ở khá
ng
và
o l
ớ
n v
ớ
i
cả
hai
tí
n hi
ệ
u đ
ầ
u
và
o.
8
•
Tr
ở khá
ng
và
o l
ớ
n v

ớ
i
cả
hai
tí
n hi
ệ
u đ
ầ
u
và
o.
In-amp sử dụng 3 op-amps
A1
A3
R5
Rg
R1 R2V1
VA
9
A2
A3
R6
Rg
R3 R4
V2
VB
Khuếch đại
4 2 2
3 4 1 1

5 5
1 2
6 6
2 1
1
1
1
OUT B A
A
G G
B
G G
R R R
V V V
R R R R
R R
V V V
R R
R R
V V V
R R
   
= + −
   
+
   
   
= + −
   
   

   
= + −
   
   
10
6 6 5 5
4 2 2
2 1 1 2
3 4 1 1
1 1 1
G G
OUT
G G G G
R R R R
R R R
V V V V V
R R R R R R R R
   
   
       
   
= + + − − + −
   
       
   
+
   
       
   
6 5 6 54 2 2 4 2 2

2 1
3 4 1 1 3 4 1 1
1 1 1 1
OUT
G G G G
R R R RR R R R R R
V V V
R R R R R R R R R R R R
   
       
       
= + + + − + + +
   
       
       
+ +
       
       
   
Khuếch đại vi sai
• Nếu R1=R3, R2=R4, R5=R6
( )
5
2
2 1
1
2
1
out
G

R
R
V V V
R R
 
= − +
 
 
11
Khuếch đại đồng pha
• V1 = V2= V
CM
• Nếu R1=R3, R2=R4, R5=R6 thì hệ số khuếch đại đồng
pha bằng 0.
1 2 4 2
1 3 4 1
OUT CM
R R R R
V V
R R R R
 
+
= −
 
+
 
12
• Bất cứ một sai lệch nào của điện trở sẽ làm tăng hệ số
khuếch đại đồng pha
• Hệ số nén đồng pha

1 2 4 2
1 3 4 1
20log
GAIN
CMRR
R R R R
R R R R
 
 
=
 
+
 
−
 
+
 
Tính chất
• Tăng hệ số khuếch đại vi sai sẽ tăng CMRR.
• Tuy nhiên tăng hệ số GAIN sẽ làm giảm vùng điện áp
đồng pha đầu vào.
• Khi tần số tăng thì tỉ số CMRR sẽ giảm do sự lệch pha
của các op-amp A1 và A2. Tuy nhiên nếu A1 giống A2
thì gó
c l
ệ
ch pha gi
ữ
a V
1

và
V
,
V
2
và
d V

sẽ
gi
ố
ng nhau
13
thì gó
c l
ệ
ch pha gi
ữ
a V
1
và
V
A
,
V
2
và
d V
B

sẽ
gi
ố
ng nhau
như vậy ảnh hưởng sẽ ít hơn.
• Với in-amp sử dụng 3 op-amps CMRR giảm khi tần số
cỡ 100Hz, trong khi in-amp sử dụng 2 op-amps CMRR
giảm khi tần số bằng 10Hz