Giới thiệu bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp)

Khuếch đại thuật toán, hay còn gọi là Op – Amp (viết tắt của Operational Amplifier), là một bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại A_V rất cao và thường được chế tạo dưới dạng tích hợp IC (Integrated Circuit). Op – Amp vốn được dùng để thực hiện các phép toán trong máy tính tương tự như các phép tính cộng, trừ, tích phân, vi phân v.v… cho nên có tên gọi thuật toán.

Hiện nay, các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, sử dụng trong các bộ nguồn ổn áp và bộ lọc tích cực, bộ so sánh, v.v..

Bộ khuếch đại thuật toán có ký hiệu như được thấy ở Hình 1. Nó có hai ngõ vào, ngõ vào đảo (Inverting input) và ngõ vào không đảo (Non-inverting input), và một ngõ ra (Output). Hầu hết các Op-Amp hoạt động với hai nguồn điện cung cấp DC, một nguồn điện dương và một âm còn lại, như thể hiện trong Hình 1(b), mặc dù vậy một số mạch sử dụng một nguồn cung cấp DC.
Thông thường, các chân cấp nguồn cho Op-Amp không được vẽ ra trong sơ đồ mạch để đơn giản và mặc định chúng ta hiểu rằng mạch Op-Amp được cấp nguồn thì mới hoạt động.

Hình 1: Ký hiệu của Op-Amp.

Cấu tạo của Op-Amp

Hình 3: Sơ đồ mạch bên trong của bộ khuếch đại thuật toán 741. 

Ghi chú (hình 3): Các đường nét đứt bao gồm: Gương dòng điện (màu đỏ); bộ khuếch đại vi sai (màu xanh dương); tầng khuếch đại lớp A (màu hồng); bộ dịch mức điện áp (màu xanh lá); tầng ngõ ra (màu xanh lam).

Một Op-Amp thông thường gồm ba khối chức năng chính:

• Tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier): Đây là tầng đầu tiên, có nhiệm vụ khuếch đại sự sai lệch tín hiệu giữa ngõ vào không đảo (+) và ngõ vào đảo (-). Tầng này có ưu điểm như độ miễn nhiễu cao, tổng trở ngõ vào lớn, khả năng khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm.

• Tầng khuếch đại trung gian: Gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau, tạo ra hệ số khuếch đại rất lớn nhằm tăng độ nhạy cho Op-Amp. Tầng này còn có nhiệm vụ dịch mức DC để thiết lập mức phân cực DC tại ngõ ra.

• Tầng khuếch đại đệm: Tầng cuối cùng này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp Op – Amp phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau.

Đặc tuyến của Op-Amp

Hình 2: Ký hiệu và đặc tuyến truyền đạt vòng hở của Op-Amp.

Trạng thái ngõ ra không có mạch hồi tiếp về ngõ vào như ở hình 2 gọi là trạng thái vòng hở (Opened – Loop Gain). Trong trường hợp này hệ số khuếch đại điện áp của Op – Amp, ký hiệu là A_V0, được gọi là hệ số khuếch đại vòng hở.

Ta có đáp ứng tín hiệu điện áp ra V₀ theo các cách đưa tín hiệu điện áp vào như sau:

• Khi đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo thì: V₀ = –A_Vo .V_i-; (V_i+ = 0)                               
• Khi đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo thì: V₀ = A_Vo .V_i+; (V_i- = 0) 
• Khi đưa tín hiệu vào đồng thời cả hai ngõ vào thì: V₀ = A_Vo (V_i+ – V_i-) = A_Vo.V_d

Trong đó: V_d = V_i+ – V_i- : gọi là tín hiệu vào vi sai

Một trong những đặc điểm của mạch khuếch đại nói chung và mạch Op – Amp nói riêng đó là điện áp ngõ ra luôn có giá trị: V_{o ≤ ±}V_CC .

Trên hình 2 minh họa đặc tuyến truyền đạt điện áp vòng hở của Op – Amp. Theo đặc tuyến này, có 3 vùng làm việc:

• Vùng khuếch đại: V₀ = A_Vo .V_d; V_d nằm trong khoảng ±V_S
• Vùng bão hòa dương: V₀ = +V_CC; V_d > +V_S
• Vùng bão hòa âm: V₀ = -V_CC; V_d  < -V_S

±V_S là các mức ngưỡng của điện áp vào, giới hạn phạm vi mà quan hệ V₀ với V_d còn là tuyến tính. Các mạch khuếch đại thuật toán thường có V_S khoảng từ vài chục V đến vài trăm V. Thực ra thì điện áp ở ngõ ra khi ở trạng thái bão hòa dương hoặc âm thường nhỏ hơn V_CC. Nhưng về lý thuyết  (Op – Amp lý tưởng) thường coi chúng bằng V_CC .

Trong các mạch khuếch đại, người ta rất ít sử dụng Op – Amp ở trạng thái vòng hở vì do A_Vo rất lớn nên phạm vi điện áp vào bị giới hạn quá bé (trong khoảng ±V_S). Chỉ cần có sự thay đổi nhỏ như trôi nhiệt độ, hoặc nguồn không ổn định, hoặc do nhiễu biên độ rất nhỏ cũng đủ tạo được V_d vượt ra ngoài tầm ±V_S làm cho ngõ ra bị bão hòa dương hoặc âm. Thật vậy, theo công thức: V₀ = A_Vo(V_i+– V_i-) = A_Vo. V_d vì A_Vo , nên với V_o hữu hạn thì V_d = 0. Do đó chỉ cần đưa vào một điện áp vi sai có trị số rất nhỏ mạch đã chuyển sang trạng thái bão hòa. Mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ được sử dụng trong chế độ xung.

Trong chế độ khuếch đại tuyến tính, người ta phải dùng hồi tiếp âm để tạo sự làm việc ổn định cho bộ khuếch đại, khi đó vùng làm việc của tín hiệu vào tương ứng sẽ được mở rộng hơn. Mạch hồi tiếp âm sẽ làm giảm điện áp ra sao cho điện áp vi sai ngõ vào V_d . Trạng thái Op – Amp có thêm mạch hồi tiếp âm như vậy được gọi là trạng thái vòng kín (Closed – Loop Gain).

Hồi tiếp (feed back) có nghĩa là đưa một phần của tín hiệu ngõ ra quay trở về ngõ vào thông qua một mạch điện gọi là mạch hồi tiếp. Khi tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu  vào và làm suy yếu tín hiệu vào thì gọi là hồi tiếp âm. 

Các thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại thuật toán

Các thông số kỹ thuật cơ bản của một bộ khuếch đại thuật toán bao gồm:

• Độ lợi vòng hở (Open-loop gain): Là hệ số khuếch đại khi không có phản hồi âm hoặc dương. Giá trị này thường rất lớn, dao động từ khoảng 20.000 đến 200.000.

• Trở kháng ngõ vào (Input impedance): Là tỷ số giữa điện áp ngõ vào và dòng điện ngõ vào. Op-amp lý tưởng có trở kháng ngõ vào vô hạn, nhưng thực tế có thể có dòng rò rất nhỏ (vài pA).

• Trở kháng ngõ ra (Output impedance): Op – Amp lý tưởng có trở kháng ngõ ra bằng không, giúp cung cấp đầy đủ dòng điện cho tải.

• Điện áp bù ngõ vào (Input offset voltage): Là điện áp chênh lệch nhỏ xuất hiện giữa hai ngõ vào khi ngõ ra bằng 0. Giá trị này thường nằm trong khoảng vài mV.

• Băng thông (Bandwidth): Là dải tần số mà Op – Amp có thể khuếch đại tín hiệu hiệu quả. Op – Amp lý tưởng có băng thông vô hạn, nhưng thực tế bị giới hạn ở một mức nhất định tùy loại Op – Amp.

• Tốc độ thay đổi điện áp ngõ ra (Slew rate): Là tốc độ tối đa mà điện áp ngõ ra của Op – Amp có thể thay đổi, thường được đo bằng volt trên micro giây (V/µs).

• Dòng điện ngõ ra tối đa (Maximum output current): Là dòng điện tối đa mà Op – Amp có thể cung cấp hoặc nhận từ tải, thường khoảng vài mA đến hàng chục mA tùy loại.

• Điện áp nguồn cấp: Thường sử dụng nguồn kép như ±15V hoặc nguồn đơn từ 3V đến 30V tùy loại Op – Amp cụ thể.

• Tỷ số loại bỏ tín hiệu chung (Common-mode rejection ratio – CMRR): Khả năng loại bỏ tín hiệu nhiễu chung ở cả hai ngõ vào. Op – Amp lý tưởng có CMRR vô hạn.

• Tỷ số loại bỏ nhiễu nguồn cấp (Power supply rejection ratio – PSRR): Khả năng loại bỏ nhiễu từ nguồn cấp. Op – Amp lý tưởng có PSRR vô hạn.

Các đặc tính lý tưởng và thực tế của Op-Amp

Để hiểu rõ hơn về hoạt động của khuếch đại thuật toán, chúng ta cần xem xét cả các đặc tính lý tưởng và thực tế của nó.

Đặc tính lý tưởng

Một Op – Amp lý tưởng chỉ tồn tại trong lý thuyết và không tồn tại trong thực tế. Mạch tương đương của một Op-Amp lý tưởng được hiển thị trong hình dưới đây.

Hình 3: Mô hình toán của Op – Amp lý tưởng.

Một Op – Amp lý tưởng có các đặc tính sau:

• Độ lợi điện áp vòng hở (Open-Loop Gain – AVo) vô hạn

• Trở kháng ngõ vào (Input Impedance – Zin) vô hạn

• Trở kháng ngõ ra (Output Impedance – Zout) bằng 0

Trở kháng ngõ ra của bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng được giả định là bằng 0, hoạt động như một nguồn điện áp hoàn hảo không có điện trở nội, để có thể cung cấp dòng điện có giá trị bất kỳ cho tải mà không làm thay đổi điện áp ngõ ra.

• Băng thông (Bandwidth) vô hạn

Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng có đáp ứng tần số vô hạn và có thể khuếch đại bất kỳ tín hiệu tần số nào từ DC đến các tần số AC cao nhất, do đó được giả định là có băng thông vô hạn. 

• Đặc tính truyền hoàn hảo: Điện áp ngõ ra thay đổi tuyến tính theo điện áp ngõ vào.

• Không có điện áp offset ngõ vào (Input Offset Voltage)

Ngõ ra của bộ khuếch đại sẽ bằng 0 khi sự chênh lệch điện áp giữa ngõ vào đảo (inverting) và ngõ vào không đảo (non-inverting) bằng không, giống nhau hoặc khi cả hai ngõ vào được nối đất. Trong thực tế, các bộ khuếch đại thuật toán có một mức điện áp lệch ở ngõ ra nhất định.

• Tỷ lệ loại bỏ nhiễu chung (CMRR) vô hạn

Op-Amp lý tưởng chỉ khuếch đại sự khác biệt giữa hai ngõ vào và loại bỏ hoàn toàn các tín hiệu chung ở cả hai ngõ vào.

• Tỷ lệ thay đổi (Slew Rate) vô hạn

Điện áp ngõ ra có thể thay đổi ngay lập tức theo sự thay đổi của điện áp ngõ vào.

Đặc tính thực tế

Mạch tương đương của Op-Amp thực tế được hiển thị trong hình sau:

Hình 4: Mô hình toán của Op – Amp thực tế.

Trong thực tế, các Op-Amp không đạt được các đặc tính lý tưởng trên do một số điểm không hoàn hảo trong quá trình sản xuất. Các đặc tính thực tế cần lưu ý bao gồm:

• Độ lợi điện áp hở mạch hữu hạn

Mặc dù rất lớn (thường từ 20.000 đến 200.000), độ lợi này vẫn có giới hạn và thay đổi theo tần số.

• Trở kháng ngõ vào hữu hạn

Trở kháng ngõ vào của Op-Amp thực tế rất cao (vài MΩ đến TΩ đối với Op-Amp FET), nhưng không phải vô hạn.

• Trở kháng ngõ ra khác 0

Trở kháng ngõ ra của Op-Amp thực tế nhỏ (khoảng từ 100 đến 20kΩ), nhưng không phải bằng không. Điện trở nội này thực tế nằm nối tiếp với tải, do đó làm giảm điện áp ngõ ra cung cấp cho tải. 

• Băng thông hữu hạn

Độ lợi của Op-Amp giảm khi tần số tăng. Băng thông thường được xác định bởi tần số mà tại đó độ lợi giảm 3dB so với độ lợi DC. Đối với các bộ khuếch đại thuật toán thực tế, băng thông bị giới hạn bởi tích giữa độ lợi với băng thông, giá trị này bằng tần số mà tại đó độ lợi của bộ khuếch đại bằng 1.

• Độ méo (Distortion): Điện áp ngõ ra có thể không hoàn toàn tuyến tính với điện áp ngõ vào, đặc biệt ở biên độ lớn.

• Điện áp offset ngõ vào: Do sự không đối xứng trong cấu trúc bên trong, có một điện áp nhỏ cần được đặt vào ngõ vào để điện áp ngõ ra bằng không.

• CMRR hữu hạn: Khả năng loại bỏ nhiễu chung của Op-Amp thực tế có giới hạn.

• Tỷ lệ thay đổi hữu hạn: Tốc độ thay đổi tối đa của điện áp ngõ ra bị giới hạn.

• Dòng điện bias ngõ vào (Input Bias Current) và dòng điện offset ngõ vào (Input Offset Current): Có một lượng nhỏ dòng điện chảy vào các ngõ vào của Op-Amp.

• Nguồn cung cấp: Op-Amp cần được cấp nguồn điện để hoạt động. Điện áp nguồn cung cấp có giới hạn và ảnh hưởng đến dải điện áp ngõ ra.

Ưu điểm nổi bật của Op-Amp

Op-Amp sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội như:

• Hệ số khuếch đại rất lớn, có thể lên tới hàng triệu lần, giúp khuếch đại cả những tín hiệu nhỏ chỉ vài chục micro Volt.

• Độ ổn định nhiệt cao nhờ các linh kiện bên trong được chế tạo trên cùng một phiến bán dẫn.

• Tổng trở ngõ vào rất lớn giúp dễ dàng xử lý các nguồn tín hiệu công suất nhỏ mà không làm suy giảm tín hiệu gốc.

• Tổng trở ngõ ra thấp giúp dễ dàng cung cấp dòng cho tải.

• Khả năng miễn nhiễu cao do chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào; các nhiễu chung sẽ bị triệt tiêu hoàn toàn ở ngõ ra.

• Điện áp phân cực tại ngõ vào và ngõ ra bằng 0 khi không có tín hiệu, thuận tiện cho việc chuẩn hóa khi lắp ghép giữa các khối mạch.

Ứng dụng của Op-Amp

Khuếch đại thuật toán là một linh kiện điện tử quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau nhờ vào khả năng khuếch đại tín hiệu với độ lợi cao, tổng trở ngõ vào lớn, tổng trở ngõ ra nhỏ và khả năng miễn nhiễu tốt. Dưới đây là các ứng dụng phổ biến và quan trọng của Op-Amp trong thực tế:

Ứng dụng cơ bản

• Khuếch đại âm thanh: Op-Amp được dùng rộng rãi trong các mạch tiền khuếch đại âm thanh, mạch điều chỉnh âm sắc, và các bộ khuếch đại siêu trầm. Chúng giúp tăng cường tín hiệu âm thanh từ micro, guitar hoặc các nguồn âm thanh khác để phát ra loa với âm lượng lớn.
• Bộ lọc tín hiệu: Nhờ khả năng xử lý tín hiệu hiệu quả, Op-Amp được sử dụng để chế tạo các bộ lọc như bộ lọc thông cao, thông thấp, thông dải nhằm loại bỏ tạp âm và nhiễu, giúp tín hiệu ngõ ra trở nên rõ ràng hơn.
• Mạch dao động và tạo sóng: Op-Amp đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các tín hiệu dao động như sóng sin, sóng vuông, sóng tam giác. Các tín hiệu này được sử dụng rộng rãi trong việc tạo xung đồng hồ (clock), kiểm tra thiết bị điện tử và tổng hợp âm thanh.
• So sánh điện áp (Comparator): Op-Amp được dùng để so sánh hai mức điện áp khác nhau, đưa ra tín hiệu báo hiệu khi có sự chênh lệch. Ứng dụng phổ biến trong các mạch điều khiển tự động, bảo vệ thiết bị điện tử khỏi quá áp hoặc quá dòng.
• Mạch tích phân và vi phân: Op-Amp có thể thực hiện các phép toán tích phân và vi phân trên tín hiệu ngõ vào. Các mạch tích phân và vi phân này được ứng dụng trong xử lý tín hiệu analog và điều khiển tự động.

Ứng dụng nâng cao

• Thiết bị y tế: Trong y tế, Op-Amp được dùng trong máy đo điện tim (ECG) để thu nhận và khuếch đại các tín hiệu điện tim yếu ớt từ cơ thể người bệnh. Chúng cũng được ứng dụng trong máy trợ thính để khuếch đại âm thanh phù hợp với mức độ thính lực của người khiếm thính.
• Bộ chuyển đổi tín hiệu (ADC/DAC): Op-Amp có thể được sử dụng trong các mạch chuyển đổi tín hiệu analog sang số (ADC) hoặc số sang analog (DAC), rất hữu ích trong các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển tự động.
• Hệ thống xử lý ảnh: Trong lĩnh vực xử lý ảnh, Op-Amp được dùng để tăng cường độ sáng, độ tương phản cũng như xử lý chi tiết hình ảnh trong camera hoặc thiết bị chụp ảnh chuyên dụng.
• Quản lý nguồn điện và chuyển đổi năng lượng: Op-Amp đóng vai trò quan trọng trong các mạch ổn áp, bộ nguồn xung (switching power supply), và bộ sạc pin. Chúng giúp duy trì điện áp ngõ ra ổn định bất chấp sự thay đổi của tải hoặc nguồn vào.
• Điều khiển hệ thống tự động: Trong các hệ thống điều khiển phản hồi (feedback control systems), Op-Amp được sử dụng rộng rãi để so sánh giá trị mong muốn với giá trị thực tế và tạo ra tín hiệu sai lệch nhằm điều chỉnh hệ thống về trạng thái mong muốn.
• Điện tử dân dụng và công nghiệp: Trong bếp từ, Op-Amp như LM339 hay LM358 thường được dùng để đồng bộ xung điều khiển, khuếch đại tín hiệu dòng điện và nhiệt độ từ cảm biến. Ngoài ra, chúng còn xuất hiện phổ biến trong các bo mạch nguồn nhằm bảo vệ quá dòng, quá áp.

Một số loại IC Op-Amp phổ biến

Một số IC Op-Amp thông dụng bao gồm:

• IC 741: IC 741 là một trong những IC khuếch đại thuật toán thông dụng nhất. IC 741 có những ưu điểm như ổn định tần số, bảo vệ chống ngắn mạch, không gặp vấn đề latch-up và dễ sử dụng hơn so với các mẫu trước đó. IC này được sử dụng rộng rãi trong các mạch khuếch đại, so sánh tín hiệu, tạo bộ lọc, …

• IC TL081/TL082/TL084: Các IC này có tốc độ cao hơn so với IC 741, trở kháng vào cao, độ nhiễu thấp. TL081 có 1 Op-Amp, TL082 có 2, TL084 có 4 Op-Amp trên một IC.

• IC LM324: Chứa 4 Op-Amp trong một IC, hoạt động tốt ở nguồn đơn. Được dùng phổ biến trong các ứng dụng khuếch đại tín hiệu mức thấp.

• IC LM358: IC LM358 là một loại IC khuếch đại thuật toán kép công suất thấp, rất phổ biến trong các ứng dụng sử dụng nguồn đơn.

• IC OP07: Là IC Op-Amp có độ lệch điện áp ngõ vào rất thấp, phù hợp với các ứng dụng đo lường chính xác.

Kết luận

Bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) là một trong những linh kiện điện tử quan trọng nhất, đóng vai trò nền tảng trong nhiều mạch điện tử tương tự. Với khả năng khuếch đại, xử lý tín hiệu và thực hiện các phép toán, Op-Amp là công cụ không thể thiếu cho các kỹ sư điện tử và những người đam mê điện tử. Việc hiểu rõ về cấu trúc, đặc tính và các ứng dụng cơ bản của Op-Amp là chìa khóa để khai thác tối đa tiềm năng của linh kiện đa năng này trong thiết kế và xây dựng các hệ thống điện tử hiện đại.