Các mạch ứng dụng của Op Amp là trọng tâm quan trọng trong thiết kế mạch điện tử nhờ vào tính linh hoạt và hiệu suất vượt trội của nó. Bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier – Op-Amp) là một trong những linh kiện đa năng và phổ biến nhất trong thiết kế mạch. Với độ lợi vòng hở rất lớn, trở kháng vào cao và trở kháng ra thấp. Nhờ những đặc tính này, Op-Amp có thể được cấu hình để thực hiện nhiều chức năng khác nhau. Bài viết này sẽ đi sâu vào các mạch ứng dụng cơ bản và quan trọng của Op-Amp như mạch khuếch đại, mạch cộng, mạch trừ và mạch theo áp, nhằm giúp bạn hiểu rõ hơn về cách hoạt động và vai trò của chúng trong thực tế.
Một khái niệm quan trọng cần nắm vững khi phân tích các mạch Op-Amp hồi tiếp âm là nguyên lý đoản mạch (ngắn mạch) ảo (virtual short). Nguyên tắc này phát biểu rằng điện áp tại chân ngõ vào đảo (inverting input) của Op-Amp bằng điện áp tại chân đầu vào không đảo (non-inverting input). Mặc dù không có sự nối tắt vật lý giữa hai chân này, nhưng chúng được coi là đoản mạch ảo với nhau về mặt điện áp.
Bây giờ, chúng ta sẽ khám phá các mạch ứng dụng cụ thể.
Để đơn giản trong việc thiết lập các công thức tính toán, chúng ta coi bộ khuếch đại thuật toán là lý tưởng. Tuy các công thức tính chỉ là gần đúng nhưng kết quả khá chính xác và thường được áp dụng trong thực tế.
Mạch khuếch đại đảo (Inverting Amplifier)
Mạch khuếch đại đảo nhận tín hiệu ngõ vào thông qua chân ngõ vào đảo, đi qua một điện trở Ri. Tín hiệu đưa vào mạch sẽ được khuếch đại nên tín hiệu ngõ ra sẽ có biên độ lớn hơn tín hiệu ngõ vào và ngược pha 180 độ so với tín hiệu ngõ vào.
Trong mạch khuếch đại đảo này, chân ngõ vào không đảo được nối đất, tức là có điện áp bằng không volt. Theo nguyên lý đoản mạch ảo, điện áp tại chân ngõ vào đảo của Op-Amp cũng sẽ bằng không volt.
Sơ đồ mạch khuếch đại đảo
Điện áp đưa vào mạch Vin được nối với chân đảo qua Ri, chân không đảo nối đất, điện trở hồi tiếp Rf nối từ ngõ ra về chân đảo.
Công thức tính độ lợi (Gain)
Độ lợi áp của mạch khuếch đại đảo là tỷ số giữa điện áp ngõ ra Vout và điện áp ngõ vào Vin. Dựa trên phân tích nút tại chân đảo (điện áp bằng 0V theo đoản mạch ảo), ta có thể suy ra công thức:
Av = Vout/Vin = −Rf/Ri
Lưu ý: Dấu âm trong công thức tính độ lợi áp chỉ ra rằng tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra ngược pha nhau 180 độ.
Mạch khuếch đại không đảo (Non-Inverting Amplifier)
Khác với mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch đại không đảo nhận tín hiệu ngõ vào trực tiếp tại chân ngõ vào không đảo. Mạch này chỉ khuếch đại tín hiệu ngõ vào mà không làm thay đổi dấu hoặc pha của ngõ ra.
Trong mạch này, điện áp ngõ vào Vin được đưa trực tiếp vào chân ngõ vào không đảo. Do đó, điện áp tại chân không đảo của Op-Amp sẽ là Vin. Theo nguyên lý đoản mạch ảo, điện áp tại chân ngõ vào đảo cũng sẽ giống với điện áp tại chân không đảo, tức là bằng Vin. Điện áp tại chân đảo thường được xác định bằng nguyên lý chia áp.
Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo:
Điện áp đưa vào mạch Vin nối trực tiếp vào chân không đảo. Chân đảo nhận tín hiệu phản hồi từ ngõ ra thông qua hai điện trở Rf và Ri.
Công thức tính độ lợi (Gain):
Tỷ số giữa điện áp ngõ ra Vout và điện áp đầu vào Vin là độ lợi áp của mạch khuếch đại không đảo. Công thức tính độ lợi áp là:
Av = Vout/Vin = 1 + Rf/Ri
Lưu ý: Độ lợi của mạch khuếch đại không đảo mang dấu dương, điều này cho thấy tín hiệu ngõ ra cùng pha với tín hiệu ngõ vào.
Mạch lặp lại điện áp (Voltage Follower)
Mạch lặp lại điện áp hay mạch theo điện áp hay mạch đệm điện áp là một trường hợp đặc biệt của mạch khuếch đại không đảo. Mạch lặp lại điện áp tạo ra tín hiệu ngõ ra “theo” (bằng) tín hiệu ngõ vào.
Mạch lặp lại điện áp có thể được hình thành từ mạch khuếch đại không đảo bằng cách coi điện trở hồi tiếp Rf bằng không ohm và/hoặc điện trở Ri bằng vô cùng. Trên thực tế, điều này tương đương với việc nối trực tiếp ngõ ra với chân ngõ vào đảo và đưa tín hiệu vào chân không đảo.
Sơ đồ mạch lặp lại điện áp:
Điện áp đưa vào mạch Vin nối trực tiếp vào chân không đảo. Ngõ ra Vout nối trực tiếp về chân đảo.
Trong mạch này, điện áp ngõ vào Vin được đưa trực tiếp vào chân không đảo. Đầu ra Vout được nối trực tiếp tới chân đảo. Theo nguyên lý đoản mạch ảo, điện áp tại chân đảo bằng điện áp tại chân không đảo. Điện áp tại chân đảo = Điện áp tại chân không đảo và vì điện áp tại chân đảo chính là điện áp ngõ ra Vout, và điện áp tại chân không đảo là điện áp đầu vào Vin, ta có: Vout = Vin
Công thức tính độ lợi (Gain):
Độ lợi của mạch lặp lại điện áp bằng 1, vì điện áp ngõ ra Vout và điện áp ngõ vào Vin là như nhau.
Av = Vout/Vin = 1
Mạch theo điện áp thường được sử dụng như một bộ đệm (buffer) để cô lập tải khỏi nguồn tín hiệu, nhờ trở kháng vào rất cao và trở kháng ra rất thấp.
Mạch cộng (Adder)
Mạch cộng là một mạch điện tử tạo ra tín hiệu ngõ ra bằng tổng của các tín hiệu ngõ vào được đưa vào mạch. Mạch cộng dùng Op-Amp tạo ra điện áp ngõ ra bằng tổng các điện áp ngõ vào được đưa vào chân đảo…. Nó còn được gọi là bộ khuếch đại tổng (summing amplifier) vì đầu ra thường là phiên bản được khuếch đại của tổng.
Trong mạch này, chân đầu vào không đảo của Op-Amp được nối đất, tức là có điện áp bằng không volt. Theo nguyên lý đoản mạch ảo, điện áp tại chân đầu vào đảo cũng sẽ bằng không volt.
Sơ đồ mạch cộng dùng Op-Amp:
Các điện áp ngõ vào Vin1, Vin2,… được đưa vào chân đảo thông qua các điện trở R1, R2,… Tín hiệu hồi tiếp từ đầu ra qua điện trở Rf cũng được đưa vào chân đảo. Chân không đảo được nối đất.
Công thức tính điện áp ngõ ra Vout:
Dựa trên phân tích nút tại chân ngõ vào đảo (điện áp bằng 0V), ta có thể viết phương trình dòng điện nút tại chân đảo và suy ra công thức tính điện áp ngõ ra như sau:
Vout = − (Rf/R1.Vin1 + Rf/R2.Vin2 + … + Rf/Rn*Vinn)
Nếu tất cả các điện trở trong mạch có giá trị bằng nhau, tức là Rf = R1 = R2 = …. = Rn, thì điện áp ngõ ra Vout của mạch sẽ là:
Vout = − (Vin1 + Vin2 + … + Vinn)
Lưu ý: Điện áp ngõ ra Vout của mạch cộng có dấu âm, cho thấy có sự khác biệt pha 180 độ giữa tổng các tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra.
Mạch trừ (Subtractor)
Mạch trừ là một mạch điện tử tạo ra tín hiệu ngõ ra bằng hiệu của các tín hiệu ngõ vào được đưa vào mạch. Mạch trừ dùng Op-Amp tạo ra tín hiệu ngõ ra bằng hiệu của các điện áp ngõ vào được đưa vào chân đảo và chân không đảo. Nó còn được gọi là bộ khuếch đại vi sai (difference amplifier) vì ngõ ra là phiên bản được khuếch đại của hiệu.
Sơ đồ mạch trừ dùng Op-Amp:
Điện áp V1 được đưa vào chân không đảo qua R1, và có điện trở R3 từ chân không đảo xuống đất. Điện áp V2 được đưa vào chân đảo qua R2, hồi tiếp qua R4.
Để xác định được biểu thức tính điện áp ngõ ra Vo của mạch này, chúng ta có thể sử dụng nguyên lý chồng chập/chồng chất (superposition theorem) hay nguyên lý xếp chồng.
Bước 1: Tính điện áp đầu ra V01 khi chỉ xem xét V1 (V2 bị nối tắt xuống đất). Khi V2 bị nối tắt, mạch trở thành cấu hình giống mạch khuếch đại đảo với điện áp vào V1. Điện áp tại chân không đảo (Vp) được tính bằng nguyên lý chia áp. Mạch lúc này giống mạch khuếch đại không đảo với đầu vào Vp. Công thức cho V01 được suy ra dựa trên V1 và các điện trở. V01 = ((1 + R4/R2).(R3/(R1+R3)).V1
Bước 2: Tính điện áp đầu ra V02 khi chỉ xem xét V2 (V1 bị nối tắt xuống đất). Khi V1 bị nối tắt, điện áp tại chân không đảo bằng không volt. Mạch lúc này trở thành mạch khuếch đại đảo với điện áp ngõ vào V2. V02 = (−R4/ R2).V2
Bước 3: Điện áp đầu ra V0 của mạch trừ bằng tổng các điện áp đầu ra thu được ở Bước 1 và Bước 2. V0 = V01 + V02 Thay thế V01 và V02 vào phương trình trên, ta thu được biểu thức cho V0: V0 = ((1 + R4/R2).(R3/(R1+R3)).V1 − (R4/R2).V2
Nếu tất cả các điện trở trong mạch có giá trị bằng nhau, tức là R1 = R2 = R3 = R4, thì điện áp đầu ra V0 sẽ là: V0 = V1 − V2 Như vậy, mạch trừ dựa trên Op-Amp sẽ tạo ra đầu ra là hiệu của hai điện áp đầu vào V1 và V2 khi tất cả các điện trở có cùng giá trị.
Kết luận
Op-Amp là một linh kiện vô cùng linh hoạt, và các mạch khuếch đại đảo, khuếch đại không đảo, theo áp, cộng và trừ chỉ là những ví dụ cơ bản nhất về khả năng ứng dụng của nó. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động của các mạch này, đặc biệt là dựa trên khái niệm đoản mạch ảo, là nền tảng quan trọng để bạn có thể thiết kế và phân tích các hệ thống điện tử phức tạp hơn sử dụng Op-Amp. Hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn những kiến thức chi tiết và sâu sắc về các mạch ứng dụng Op-Amp phổ biến này.
