Khám phá Op Amp – Khuếch đại thuật toán thuần túy!

Bạn đã từng nghe đến Op Amp chưa? Op Amp là gì đúng không? Op Amp là viết tắt của Operational Amplifier, hay còn được gọi là khuếch đại thuật toán. Nhưng chúng thực sự là gì?

Có thể bạn quan tâm

Op Amp là một mạch khuếch đại “DC-coupled” (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS), với hệ số khuếch đại rất cao, đầu vào vi sai và đầu ra đơn. Op Amp 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 này xác định chức năng hoặc “thuật toán” của bộ khuếch đại. Với các cấu hình phản hồi khác nhau như điện trở, điện dung hoặc cả hai, Op Amp có thể thực hiện nhiều hoạt động khác nhau, từ đó có tên gọi khuếch đại thuật toán.

Bạn đang xem: Khám phá Op Amp – Khuếch đại thuật toán thuần túy!

Op Amp mang đến nhiều ưu điểm trong ứng dụng của nó. Với hai ngõ vào đảo và không đảo, Op Amp có thể khuếch đại tốt nguồn tín hiệu. Ngõ ra của Op Amp có khả năng khuếch đại sự sai lệch ở hai tín hiệu ngõ vào và thường thì có khả năng khuếch đại tín hiệu ở tần số thấp. Với hệ số khuếch đại lớn, Op Amp có thể khuếch đại tín hiệu ở biên độ vài chục microVolt. Ngoài ra, Op Amp còn có thể làm việc tốt với rất nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau.

Cấu trúc của Op Amp

Op Amp được cấu tạo từ ba khối chính:

Khối 1: Khuếch đại vi sai (Differential Amplifier)

Đây là khối có nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào V+ và V-. Nó có đầy đủ ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như độ miễn nhiễu cao, khả năng khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm và tổng trở ngõ vào lớn.

Khối 2: Khuếch đại trung gian

Khối này bao gồm nhiều khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau, tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhạy cho Op Amp. Trong khối này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra.

Khối 3: Khuếch đại đệm

Khối này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải và giảm tổng trở ngõ ra, giúp Op Amp 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, chúng ta 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: Vout = Av0 x V-
Khi đưa tín hiệu vào cả hai ngõ đồng thời: Vout = Av0 x (ΔVin)

Op Amp có các vùng đặc tính riêng:

Vùng khuếch đại tuyến tính: Điện áp ngõ ra V0 tỉ lệ với tín hiệu ngõ vào theo quan hệ tuyến tính.
Vùng bão hòa dương: Tín hiệu ngõ ra và ngõ vào luôn ở mức dương tối đa.
Vùng bão hòa âm: Tín hiệu ngõ ra và ngõ vào luôn ở mức âm tối đa.

Ký hiệu Op Amp

Trên thực tế, Op Amp hiếm khi được sử dụng ở trạng thái vòng hở. Điều này đúng vì Op Amp có số khuếch đại áp lớn, nhưng điện áp ngõ vào lại rất nhỏ. Một tín hiệu nhiễu nhỏ là đủ để làm điện áp ngõ ra ở vùng bão hòa âm hoặc dương. Do đó, để đảm bảo hoạt động ổn định, Op Amp thường được làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính. Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng phản hồi âm để giảm hệ số khuếch đại vòng hở xuống mức phù hợp. Với chế độ làm việc tuyến tính, vùng làm việc của Op Amp được mở rộng và Op Amp hoạt động ổn định.

Đặc tính của Op Amp

Op Amp có một số đặc tính quan trọng:

Độ lợi vòng lặp hở: Đây là độ lợi của Op Amp không có phản hồi dương hoặc âm. Độ lợi vòng lặp hở của Op Amp thường 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. Trở kháng đầu vào của Op Amp phải là vô hạn và không có sự rò rỉ nào của dòng điện từ nguồn cấp đến các đầu vào. Tuy nhiên, thực tế sẽ có một vài sự rò rỉ nhỏ.
Trở kháng đầu ra: Op Amp lý tưởng phải có trở kháng đầu ra bằng không và không có nội trở nào. Điều này cho phép Op Amp cung cấp dòng điện cho tải kết nối với đầu ra.
Chiều rộng băng tần: Op Amp lý tưởng phải có đáp ứng tần số không giới hạn để có thể khuếch đại bất kỳ tín hiệu nào từ DC đến tần số AC cao nhất. Tuy nhiên, Op Amp thực tế có băng thông hạn chế.
Giá trị bù: Đầu ra của Op Amp phải bằng không khi chênh lệch điện áp giữa các đầu vào bằng không. Tuy nhiên, trong thực tế, đầu ra của Op Amp không bằng 0 khi tắt và sẽ có một ít điện áp.

Ứng dụng của Op Amp

Op Amp được sử dụng như một khối mạch điện để dễ dàng tính toán các thông số của các phần tử trong mạch. Chúng ta có thể sử dụng Op Amp đầu tiên như một khối mạch điện nếu có độ lớn phù hợp. Trong các mạch sau, giới hạn của tầng khuếch đại sẽ lớn hơn và nó sẽ được áp đặt vào các dải thông số của mỗi mạch.

Việc thiết kế Op Amp tương tự như việc thiết kế các mạch khác. Các đặc tính của mạch sẽ được vẽ ra trước nhằm đảm bảo hiệu năng và chức năng tối ưu. Sau đó, các mẫu mạch sẽ được thử nghiệm và điều chỉnh để đạt được các đặc tính yêu cầu.

Op Amp là một công cụ mạnh mẽ trong thiết kế mạch điện. Với sự linh hoạt và đa dạng trong ứng dụng, Op Amp đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tìm hiểu thêm về Op Amp và các ứng dụng của nó tại Izumi.Edu.VN.

Op Amp