Tìm hiểu về IC khuếch đại thuật toán Op Amp

Op Amp là gì?

Opamp là viết tắt của operational amplifier hay khuếch đại thuật toán. Đây là một mạch khuếch đại “DC-coupled” (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn. Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra.

Opamp về cơ bản là một thiết bị khuếch đại điện áp được thiết kế để sử dụng với các linh kiện phản hồi bên ngoài như điện trở và tụ điện giữa các đầu ra và đầu vào của nó. Các linh kiện phản hồi này xác định chức năng kết quả hoặc “thuật toán” của bộ khuếch đại và nhờ các cấu hình phản hồi khác nhau là điện trở, điện dung hay cả hai, bộ khuếch đại có thể thực hiện nhiều hoạt động khác nhau, từ đó có tên gọi khuếch đại thuật toán.

IC OPAMP LM318N

Ở Op Amp thường có những ưu điểm như:

• Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép Op Amp khuếch đại tốt nguồn tín hiệu.
• Ngõ ra chịu trách nhiệm khuếch đại sự sai lệch ở 2 tín hiệu ngõ vào, vì thế, Op-Amps thường có khả năng khuếch đại tín hiệu ở tần số thấp.
• OpAmp có hệ số khuếch đại lớn nen cho phép khuếch đại ở những tín hiệu ở biên độ vài chục microVolt.
• OpAmp có thể làm việc tốt với rất nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau.

Cấu tạo của Op Amp

• Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào V+ và V-. Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn …
• Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhay cho Op Amp. Trong tầng này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra.
• Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, tần này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp Op-Amps phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau.

Nguyên lý hoạt động của Op Amp

Dựa trên các ký hiệu của Op-Amp, bạn có thể hiểu rằng tín hiệu ngõ ra V0 được đưa vào như sau:

• Đưa tín hiệu từ ngõ vào đảo: Vout = Av0 x V+
• Khi đưa tín hiệu vào ngõ không vào đảo thì ngõ vào đảo lúc này sẽ là Vout = Av0 x V-
• Khi đưa tín hiệu vào trên 2 ngõ một cách đồng thời thì: Vout = Av0.((V+) - (V-))=Vout = Av0 x (ΔVin)

Đặc tính của nó thể hiện đặc biệt ở 3 vùng:

• Vùng khuếch đại tuyến tính: Điện áp ngõ ra V0 lúc này tỉ lệ với tín hiệu với ngõ vào theo quan hệ tuyến tính.
• Vùng bão hòa dương: Tín hiệu ngõ ra và ngõ vào luôn ở mức +Vcc.
• Vùng bão hòa âm: Tín hiệu ngõ ra và ngõ vào luôn ở -Vcc

Ký hiệu Op Amp

Trên thực tế, người ta chỉ ra rằng rất ít khi dùng Op Amp làm việc ở trạng thái vòng hở. Bởi vì số khuếch đại áp lớn nhưng điện áp ở ngõ vào lại quá bé. Chỉ cần một tín hiệu nhiễu nhỏ sẽ làm đủ điện áp ngõ ra ở vùng bão hòa âm, dương. Do đó, mạch khuếch đại sẽ dễ bị tạo xung và bị dao động.

Người ta thường làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính. Lúc làm việc ở chế độ này người ta sẽ làm việc phản hồi âm để giảm hệ số khuếch đại vòng hở xuống mức phù hợp. Vùng làm việc tuyến tính của Op Amp lúc này sẽ được rộng ra và Op Amp sẽ hoạt động

Đặc tính của Op Amp

Độ lợi vòng lặp hở: Độ lợi vòng lặp hở là độ lợi của opamp không có phản hồi dương hoặc âm. Opamp lý tưởng sẽ có độ lợi vòng lặp hở vô hạn nhưng thông thường nó nằm trong khoảng từ 20.000 đến 200.000.

Trở kháng đầu vào: Đây là tỷ số giữa điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào. Giá trị này phải là vô hạn mà không có bất kỳ sự rò rỉ nào của dòng điện từ nguồn cấp đến các đầu vào. Nhưng sẽ có một vài sự cố rò rỉ vài pico ampe trong hầu hết các opamp.

Trở kháng đầu ra: Opamp lý tưởng phải có trở kháng đầu ra bằng không mà không có bất kỳ nội trở nào. Để nó có thể cung cấp đầy đủ dòng điện cho tải kết nối với đầu ra.

Chiều rộng băng tần: Opamp lý tưởng phải có đáp ứng tần số vô hạn để có thể khuếch đại bất kỳ tần số nào từ tín hiệu DC đến tần số AC cao nhất. Nhưng hầu hết opamp có băng thông hạn chế.

Giá trị bù: Đầu ra của opamp phải bằng không khi chênh lệch điện áp giữa các đầu vào bằng không. Nhưng trong hầu hết các opamp, đầu ra sẽ không bằng 0 khi tắt và sẽ có một ít điện áp.

Ứng dụng của Op Amp

Người ta dùng Op Amp như một khối mạch điện để dễ dàng hơn trong việc tính toán các thông số của các phần tử có trong mạch. Các Op Amp đầu tiên có thể dùng như một khối mạch điện nếu như nó là một khối khuếch đại vi sai và có đủ độ lớn. Ở các mạch sau, giới hạn của tầng khuếch đại sẽ lớn hơn, nó bị áp đặt vào những dải thông số ở mỗi mạch.

Việc thiết kế Op Amp sẽ giống như mọi mạch. Các đặc tính trong mạch sẽ được vẽ ra trước những gì mà mạch buộc phải thực hiện. Ví dụ, độ lợi cần là 100 lần, sai số thấp hơn 5% thì nó sẽ thay đổi ít hơn 1% khi nhiệt độ thay đổi, tổng trở đầu vào cần lúc này không nhỏ hơn 1 MΩ.

Tất nhiên, các mẫu mạch được ứng dụng sẽ được thực hiện chặt chẽ và thử nghiệm. Những thay đổi sẽ được tính toán đạt hay tăng cường các đặc tính khác nhau.