Khuếch đại thuật toán (Operational Amplifiers – Op-Amps)

Cấu tạo của Op-Amp

Một Op-Amp điển hình bao gồm các thành phần chính sau:

• Hai đầu vào: Một đầu vào đảo pha (-) và một đầu vào không đảo pha (+). Điện áp đầu vào được đưa vào hai đầu này. Sự khác biệt điện áp giữa hai đầu vào này được gọi là điện áp sai lệch đầu vào.
• Một đầu ra: Điện áp đầu ra là hiệu số khuếch đại giữa hai đầu vào. Giá trị khuếch đại này được gọi là độ lợi của Op-Amp và thường rất lớn.
• Hai đầu cấp nguồn: Một đầu dương ($V{CC}$ hoặc $V+$) và một đầu âm ($V{EE}$ hoặc $V-$) cung cấp năng lượng cho Op-Amp hoạt động. Các đầu cấp nguồn này đảm bảo Op-Amp có đủ năng lượng để khuếch đại tín hiệu.

Đặc điểm lý tưởng của Op-Amp

Một Op-Amp lý tưởng có các đặc điểm sau:

• Độ lợi điện áp vô hạn ($A \to \infty$): $V{out} = A(V+ – V_-)$. Do A rất lớn, một sự chênh lệch điện áp rất nhỏ giữa hai đầu vào cũng tạo ra điện áp đầu ra lớn. Điều này có nghĩa là điện áp sai lệch đầu vào lý tưởng là bằng không.
• Điện trở vào vô hạn ($R_{in} \to \infty$): Không có dòng điện chạy vào hai đầu vào. Điều này đảm bảo Op-Amp không làm ảnh hưởng đến mạch nguồn cung cấp tín hiệu đầu vào.
• Điện trở ra bằng không ($R_{out} \to 0$): Op-Amp có thể cung cấp dòng điện đầu ra mà không bị sụt áp. Điều này cho phép Op-Amp điều khiển tải một cách hiệu quả.
• Dải thông vô hạn ($BW \to \infty$): Op-Amp có thể khuếch đại tất cả các tần số. Trong thực tế, dải thông luôn bị giới hạn.
• Điện áp offset bằng không ($V_{offset} = 0$): Khi $V+ = V-$, $V_{out} = 0$. Điều này có nghĩa là khi không có điện áp sai lệch đầu vào, thì đầu ra cũng không có điện áp.

Đặc điểm thực tế của Op-Amp

Trong thực tế, Op-Amp không đạt được các đặc điểm lý tưởng. Chúng có:

• Độ lợi điện áp lớn nhưng hữu hạn ($A \approx 10^5 – 10^6$): Độ lợi điện áp lớn nhưng không phải là vô hạn.
• Điện trở vào lớn nhưng hữu hạn ($R_{in} \approx 10^6 – 10^{12} \Omega$): Điện trở vào lớn giúp giảm thiểu ảnh hưởng đến mạch nguồn, nhưng vẫn có một lượng nhỏ dòng điện chạy vào đầu vào.
• Điện trở ra nhỏ nhưng khác không ($R_{out} \approx vài \Omega$): Điện trở ra nhỏ cho phép Op-Amp điều khiển tải, nhưng vẫn có một sụt áp nhỏ trên điện trở ra.
• Dải thông hữu hạn: Op-Amp chỉ có thể khuếch đại tín hiệu trong một khoảng tần số nhất định.
• Điện áp offset nhỏ nhưng khác không: Điện áp đầu ra có thể khác không khi điện áp đầu vào bằng nhau.

Ứng dụng của Op-Amp

Op-Amp được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, bao gồm:

• Bộ khuếch đại: Khuếch đại tín hiệu điện áp.
• Bộ so sánh: So sánh hai điện áp đầu vào.
• Bộ lọc: Loại bỏ các tần số không mong muốn.
• Bộ tạo sóng: Tạo ra các dạng sóng khác nhau như sóng sin, sóng vuông, sóng tam giác.
• Mạch tích phân và vi phân: Thực hiện các phép toán tích phân và vi phân trên tín hiệu đầu vào.
• Bộ chuyển đổi tín hiệu: Chuyển đổi giữa các loại tín hiệu khác nhau, ví dụ từ analog sang digital.

Các mạch Op-Amp cơ bản

Dưới đây là một số mạch Op-Amp cơ bản thường gặp:

• Mạch khuếch đại đảo pha: $V_{out} = -\frac{Rf}{R{in}}V_{in}$
• Mạch khuếch đại không đảo pha: $V_{out} = (1 + \frac{Rf}{R{in}})V_{in}$
• Mạch cộng: $V_{out} = -(\frac{R_f}{R_1}V_1 + \frac{R_f}{R_2}V_2 + …)$
• Mạch trừ: $V_{out} = \frac{R_2}{R_1}(V_2 – V_1)$ (Với điều kiện $R_f = R2$ and $R{in} = R_1$)
• Mạch tích phân: $V{out} = -\frac{1}{RC} \int V{in} dt$
• Mạch vi phân: $V{out} = -RC \frac{dV{in}}{dt}$

Lưu ý khi sử dụng Op-Amp

• Nguồn cấp: Cần cung cấp nguồn điện đúng cực và điện áp cho Op-Amp theo datasheet của nhà sản xuất.
• Quá tải: Tránh đưa tín hiệu đầu vào vượt quá dải điện áp hoạt động của Op-Amp. Việc này có thể làm hỏng Op-Amp hoặc gây ra hiện tượng bão hòa, làm sai lệch tín hiệu đầu ra.
• Ổn định: Một số mạch Op-Amp cần các linh kiện bổ sung để đảm bảo ổn định, đặc biệt là trong các ứng dụng có độ lợi cao hoặc tần số cao.

Các loại Op-Amp

Op-Amp được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí, bao gồm:

• Độ lợi: Op-Amp độ lợi cao, độ lợi thấp, độ lợi có thể điều chỉnh.
• Dải thông: Op-Amp dải thông rộng, dải thông hẹp.
• Điện áp offset: Op-Amp offset thấp, offset cực thấp.
• Công suất tiêu thụ: Op-Amp công suất thấp, công suất cao.
• Điện áp cung cấp: Op-Amp điện áp đơn, điện áp kép.
• Công nghệ chế tạo: Op-Amp bipolar, CMOS, JFET.

Mỗi loại Op-Amp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, Op-Amp CMOS tiêu thụ ít năng lượng, phù hợp cho các thiết bị di động, trong khi Op-Amp bipolar có tốc độ cao hơn, thích hợp cho các ứng dụng tần số cao.

Các thông số quan trọng của Op-Amp

Khi lựa chọn Op-Amp, cần xem xét các thông số kỹ thuật sau:

• Độ lợi điện áp mở (Open-loop voltage gain, $A_{OL}$): Độ lợi của Op-Amp khi không có phản hồi.
• Tốc độ đáp ứng (Slew rate): Tốc độ thay đổi điện áp đầu ra tối đa, thường được đo bằng V/μs.
• Dải thông (Bandwidth): Dải tần số mà Op-Amp có thể khuếch đại hiệu quả.
• Điện áp offset đầu vào (Input offset voltage): Điện áp cần đặt vào đầu vào để đưa điện áp đầu ra về 0.
• Dòng offset đầu vào (Input offset current): Dòng điện chênh lệch giữa hai đầu vào.
• Điện trở vào (Input resistance): Điện trở nhìn từ hai đầu vào của Op-Amp.
• Điện trở ra (Output resistance): Điện trở nhìn từ đầu ra của Op-Amp.
• CMRR (Common-Mode Rejection Ratio): Khả năng loại bỏ tín hiệu chung của Op-Amp.
• PSRR (Power Supply Rejection Ratio): Khả năng loại bỏ nhiễu từ nguồn cấp của Op-Amp.

Phân tích mạch Op-Amp

Để phân tích mạch Op-Amp, thường sử dụng các giả thiết sau:

• Giả thiết đầu vào ảo (Virtual short): $V+ \approx V-$ khi Op-Amp hoạt động trong vùng tuyến tính.
• Giả thiết dòng điện vào bằng không (Zero input current): Không có dòng điện chạy vào hai đầu vào của Op-Amp.

Bằng cách áp dụng hai giả thiết này, ta có thể đơn giản hóa việc phân tích mạch và tính toán các giá trị điện áp và dòng điện trong mạch.

Kỹ thuật phản hồi

Phản hồi là kỹ thuật đưa một phần tín hiệu đầu ra trở lại đầu vào. Phản hồi âm được sử dụng rộng rãi trong các mạch Op-Amp để ổn định độ lợi, giảm méo tín hiệu và cải thiện các đặc tính khác của mạch. Phản hồi âm giúp làm giảm độ lợi tổng thể nhưng lại tăng tính ổn định và độ chính xác của mạch.

• Op-Amps and Linear Integrated Circuits by Ramakant A. Gayakwad
• Microelectronic Circuits by Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith
• Operational Amplifiers by George Clayton and Stephen Winder
• The Art of Electronics by Paul Horowitz and Winfield Hill

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao việc sử dụng phản hồi âm lại quan trọng trong mạch Op-Amp?

Trả lời: Phản hồi âm trong mạch Op-Amp có nhiều lợi ích quan trọng. Nó giúp:

• Ổn định độ lợi: Độ lợi của mạch phản hồi âm ít phụ thuộc vào độ lợi mở của Op-Amp, mà chủ yếu được xác định bởi các thành phần phản hồi (ví dụ: $V_{out} = -(R_f/Rin)V{in}$ trong mạch khuếch đại đảo pha). Điều này giúp mạch hoạt động ổn định hơn khi độ lợi mở của Op-Amp thay đổi do nhiệt độ hoặc các yếu tố khác.
• Giảm méo tín hiệu: Phản hồi âm làm giảm méo hài tổng của tín hiệu đầu ra, giúp tín hiệu ra sạch hơn.
• Mở rộng dải thông: Phản hồi âm làm tăng dải thông của mạch khuếch đại.
• Kiểm soát trở kháng vào và ra: Phản hồi âm có thể được sử dụng để điều chỉnh trở kháng vào và ra của mạch.

Sự khác biệt giữa CMRR và PSRR là gì?

Trả lời:

• CMRR (Common-Mode Rejection Ratio): CMRR là tỷ số giữa độ lợi vi sai và độ lợi chế độ chung. Nó cho biết khả năng của Op-Amp loại bỏ tín hiệu chung (tín hiệu xuất hiện ở cả hai đầu vào) khỏi tín hiệu đầu ra. CMRR càng cao thì khả năng loại bỏ tín hiệu chung càng tốt.
• PSRR (Power Supply Rejection Ratio): PSRR là tỷ số giữa sự thay đổi điện áp nguồn cấp và sự thay đổi tương ứng ở điện áp đầu ra. Nó cho biết khả năng của Op-Amp loại bỏ nhiễu từ nguồn cấp. PSRR càng cao thì khả năng loại bỏ nhiễu nguồn càng tốt.

Khi nào giả thiết đầu vào ảo không còn đúng?

Trả lời: Giả thiết đầu vào ảo ($V+ \approx V-$) chỉ đúng khi Op-Amp hoạt động trong vùng tuyến tính. Khi điện áp đầu ra đạt đến giá trị bão hòa (gần với điện áp nguồn dương hoặc âm), Op-Amp không còn khả năng duy trì sự chênh lệch điện áp nhỏ giữa hai đầu vào, và giả thiết đầu vào ảo không còn chính xác.

Ngoài 741, hãy kể tên một số loại Op-Amp phổ biến khác.

Trả lời: Một số Op-Amp phổ biến khác bao gồm:

• LM358: Op-Amp kép, công suất thấp.
• TL072: Op-Amp JFET, trở kháng vào cao.
• OP07: Op-Amp độ chính xác cao, offset thấp.
• OPA2134: Op-Amp âm thanh hiệu suất cao.

Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của điện áp offset đầu vào?

Trả lời: Có một số cách để giảm thiểu ảnh hưởng của điện áp offset đầu vào:

• Sử dụng Op-Amp offset thấp: Chọn Op-Amp có điện áp offset đầu vào nhỏ.
• Điều chỉnh offset bằng trimpot: Một số Op-Amp có chân điều chỉnh offset, cho phép người dùng điều chỉnh điện áp offset về 0.
• Sử dụng mạch bù offset: Thêm mạch bù offset bên ngoài để triệt tiêu điện áp offset.
• Sử dụng kỹ thuật ghép nối AC: Ghép nối AC có thể loại bỏ thành phần DC của điện áp offset, nhưng chỉ phù hợp cho các ứng dụng AC.