Op-amp khuếch đại thuật toán là gì?

Op-amp là gì?

Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng anh: operational amplifier), thường được gọi tắt là 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, 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.

Đây là một vi mạch tương tự rất thông dụng do trong Op-Amps được tích hợp một số ưu điểm sau:

– Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép Op-Amps khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng, phản ứng hoá-điện, dòng điện sinh học … thường là nguồn có tính đối xứng)

– Ngõ ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào nên Op-Amps có độ miễn nhiễu rất cao vì khi tín hiệu nhiễu đến hai ngõ vào cùng lúc sẽ không thể xuất hiện ở ngõ ra. Cũng vì lý do này Op-Amps có khả năng khuếch đại tín hiệu có tần số rất thấp, xem như tín hiệu một chiều.

– Hệ số khuếch đại của Op-Amps rất lớn do đó cho phép Op-Amps khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ chỉ vài chục mico Volt.

– Do các mạch khuếch đại vi sai trong Op-Amps được chế tạo trên cùng một phiến do đó độ ổn định nhiệt rất cao.

– Điện áp phân cực ngõ vào và ngõ ra bằng không khi không có tín hiệu, do đó dễ dàng trong việc chuẩn hoá khi lắp ghép giữa các khối (module hoá).

– Tổng trở ngõ vào của Op-Amps rất lớn, cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé.

– Tổng trở ngõ ra thấp, cho phép Op-Amps cung cấp dòng tốt cho phụ tải.

– Băng thông rất rộng, cho phép Op-Amps làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau

Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Op- amp

1. 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-Amps. Trong tẩng 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.

Op-Amps thực tế vẫn có một số khác biệt so với Op-Amps lý tưởng. Nhưng để dễ dàng trong việc tính toán trên Op-Amps người ta thường tính trên Op-Amps lý tưởng, sau đó dùng các biện pháp bổ chính (bù) giúp Op-Amps thực tế tiệm cận với Op-Amps lý tưởng. Do đó để thuận tiện cho việc trình bày nội dung trong chương này có thể hiểu Op-Amps nói chung là Op-Amps lý tưởng sau đó sẽ thực hiện việc bổ chính sau.

2. Nguyên lý hoạt động

Dựa vào ký hiệu của Op-Amps ta có đáp ứng tín hiệu ngõ ra Vo theo các cách đưa tín hiệu ngõ vào như sau:

– Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass: Vout = Av0.V+

– Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo, ngõ vào đảo nối mass: Vout = Av0.V–

– Đưa tín hiệu vào đổng thời trên hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với mass): Vout = Av0.(V+-V–) = Av0.(ΔVin)

Để việc khảo sát mang tính tổng quan, xét trường hợp tín hiệu vào vi sai so với mass (lúc này chỉ cần cho một trong hai ngõ vào nối mass ta sẽ có hai trường hợp kia). Op-Amps có đặc tính truyền đạt như hình sau.

Trên đặc tính thể hiện rõ 3 vùng:

– Vùng khuếch đại tuyến tính: trong vùng này điện áp ngõ ra Vo tỉ lệ với tín hiệu ngõ vào theo quan hệ tuyến tính. Nếu sử dụng mạch khuếch đại điện áp vòng hở (Open Loop) thì vùng này chỉ nằm trong một khoảng rất bé.

– Vùng bão hoà dương: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở +Vcc.

– Vùng bão hoà âm: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở -Vcc.

Trong thực tế, người ta rất ít khi sử dụng Op-Amps làm việc ở trạng thái vòng hở vì tuy hệ số khuếch đại áp Av0 rất lớn nhưng tầm điện áp ngõ vào mà Op-Amps khuếch đại tuyến tính là quá bé (khoảng vài chục đến vài trăm micro Volt). Chỉ cần một tín hiệu nhiễu nhỏ hay bị trôi theo nhiệt độ cũng đủ làm điện áp ngõ ra ở ±Vcc. Do đó mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ dùng trong các mạch tạo xung, dao động. Muốn làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính người ta phải thực hiện việc phản hồi âm nhằm giảm hệ số khuếch đại vòng hở Av0 xuống một mức thích hợp. Lúc này vùng làm việc tuyến tính của Op-Amps sẽ rộng ra, Op-Amps làm việc trong chế độ này gọi là trạng thái vòng kín (Close Loop).

3. Nguồn cung cấp

Op-Amps không phải lúc nào cũng đòi hỏi phải cung cấp một nguồn ổn áp đối xứng ±15VDC, nó có thể làm việc với một nguồn không đối xứng có giá trị thấp hơn (ví dụ như +12VDC và -3VDC) hay thậm chí với một nguồn đơn +12VDC. Tuy nhiên việc thay đổi về cấu trúc nguồn cung cấp cũng làm thay đổi một số tính chất ảnh hưởng đến tính đối xứng của nguồn như Op-amps sẽ không lấy điện áp tham chiếu (reference) là mass mà chọn như hình sau:

Mặc dù nguồn đơn có ưu điểm là đơn giản trong việc cung cấp nguồn cho op-amps nhưng trên thực tế rất nhiều mạch op-amps được sử dụng nguồn đôi đối xứng.

4. Phân cực cho op-amp làm việc với tín hiệu ac

Cũng như mạch khuếch đại nối tầng RC, các op-amps dùng trong khuếch đại tín hiệu ac cần có tụ liên lạc để tránh ảnh hưởng của thành phần dc giữa các tầng khuếch đại. Dưới đây là sơ đồ một mạch khuếch đại âm tần có độ lợi 40dB Sử dụng nguồn đơn.

5. Mạch so sánh và Schmitt Trigger

Hai dạng mạch này có một điểm chung là được phân cực để làm việc ở vùng bão hoà. Tuy nhiên giữa chúng vẫn có những điểm khác biệt.

a. Mạch so sánh

Mạch so sánh tận dụng tối đa hệ số khuếch đại vòng hở trong op-amps (tối thiểu khoảng 100 000 lần) và được chế tạo thành những vi mạch chuyên dụng (comparators) như LM339, LM306, LM311, LM393, NE527, TLC372 … Các VI MẠCH NÀY ĐƯỢC THIẾT KẾ ĐỂ ĐÁP ỨNG RẤT NHANH THEO SỰ THAY ĐỔI CỦA TÍN HIỆU VÀO (Slew rate khoảng vài ngàn volt/microsecond). Tuy nhiên với đáp ứng cực nhanh như vậy đôi lúc dẫn đến những phiền toái, ví dụ trong mạch điện sau

Rõ ràng tín hiệu ngõ ra bị dao động mỗi khi chuyển trạng thái, điều này rất nguy hiểm cho các mạch phía sau. Để khắc phụ nhược điểm trên người ta sử dụng mạch Schmitt Trigger.

b. Mạch Schmitt Trigger

Mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh có phản hồi như hình sau

Lúc này do vin so sánh với tín hiệu ngõ vào v+ là điện thế trên mạch phân áp R4-R2, nên theo sự biến thiên giữa hai mức điện áp của vout, mạch Schmitt Trigger cũng có hai ngưỡng so sánh là VH và VL.

Qua hình trên ta nhận thấy, mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh vin theo hai ngưỡng VH và VL. Khi điện áp vin vượt qua VH thì giá trị của vout là 0V và khi vin thấp hơn VL thì vout sẽ ở +Vcc (nghĩa là có sự đảo pha). Để minh hoạ trực quan cho dạng mạch này người ta thường sử dụng ký hiệu

Mạch Schmitt Trigger còn có một dạng ký hiệu khác ngược chiều với ký hiệu trên khi ta thay đổi cực tính ngõ vào vin, lúc này vin và vout sẽ đồng pha.

Ứng dụng của IC khuếch đại thuật toán trong thiết kế điện tử

Sử dụng mạch khuếch đại thuật toán như một khối mạch điện sẽ dễ dàng và sáng sủa hơn nhiều so với việc tính toán xác định tất cả các thông số của các phần tử trong mạch (transitor, điện trở, vv…), cho dù mạch khuếch đại là mạch tích hợp hay linh kiện rời. Những mạch khuếch đại thuật toán đầu tiên có thể được sử dụng như thế nếu nó là một khối khuếch đại vi sai thực sự có độ lợi đủ lớn. Trong các mạch sau này, những giới hạn của các tầng khuếch đại sẽ áp đặt vào những dải thông số của mỗi mạch.

Việc thiết kế mạch được tiến hành theo một số trình tự giống nhau cho mọi mạch. Những đặc tính sẽ được vẽ ra trước định ra những gì mà mạch phải thực hiện, với những giới hạn cho phép. Thí dụ, độ lợi có thể cần là 100 lần, với sai số thấp hơn 5%, nhưng thay đổi ít hơn 1% khi nhiệt độ thay đổi trong một phạm vi định trước; tổng trở đầu vào không nhỏ hơn 1 MΩ vv…

Một mạch điện được thiết kế thường với sự trợ giúp của các công cụ mô phỏng trên máy tính. Những mạch khuếch đại thuật toán thông dụng và các linh kiện khác sẽ được chọn lựa sao cho phù hợp với những yêu cầu của mạch và nằm trong sai số cho phép với giá cả hợp lý. Nếu không đạt tất cả các yêu cầu của mạch, các giá trị có thể được thay đổi.

Sản phẩm mẫu sau đó sẽ được thực hiện và thử nghiệm. Các thay đổi sẽ được thực hiện để đạt hay tăng cường các đặc tính, thay đổi chức năng hoặc giảm giá thành.