Opamp là gì
Opamp là viết tắt của operational amplifier hay khuếch đại thuật toán là thiết bị tuyến tính có tất cả các đặc tính cần thiết để khuếch đại DC gần như lý tưởng, do đó nó được sử dụng rộng rãi trong điều hòa tín hiệu, lọc hoặc để thực hiện các phép toán như cộng, trừ, nhân, chia.
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.
Cấu tạo opamp
Opamp về cơ bản là một thiết bị ba cực bao gồm hai đầu vào trở kháng cao. Một trong số đó được gọi là đầu vào đảo ngược, được đánh dấu bằng dấu âm hay dấu trừ (-). Đầu vào kia được gọi là đầu vào không đảo ngược, được đánh dấu bằng dấu dương hay dấu cộng (+).
Cực thứ ba đại diện cho cổng đầu ra của opamp có thể vừa là cực góp vừa là cực nguồn cho điện áp hoặc dòng điện.
Đặc tính của opamp
- 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.
Nguyên lý hoạt động của opamp
Hoạt động vòng lặp mở của opamp
Opamp có một đầu vào vi sai và một đầu ra đầu mút đơn. Vì vậy, nếu chúng ta đặt hai tín hiệu một ở đầu cuối đảo ngược và một tín hiệu khác ở đầu cuối không đảo, opamp lý tưởng sẽ khuếch đại sự khác biệt giữa hai tín hiệu đầu vào. Chúng ta gọi sự khác biệt này giữa hai tín hiệu đầu vào là điện áp đầu vào vi sai. Phương trình dưới đây cho biết đầu ra của một opamp
VOUT = AOL(V1 – V2)
Trong đó, VOUT là điện áp tại cực đầu ra của opamp. AOL là độ lợi vòng mở cho opamp đã cho và không đổi (lý tưởng). Đối với IC 741 AOL là 2 x 105.
V1 là điện áp tại cực không đảo.
V2 là điện áp tại cực đảo ngược.
(V1 – V2) là điện áp đầu vào vi sai.
Rõ ràng từ phương trình trên đầu ra sẽ khác 0 khi và chỉ khi điện áp đầu vào vi sai khác 0 (V1 và V2 không bằng nhau), và sẽ bằng 0 nếu cả V1 và V2 bằng nhau. Lưu ý rằng đây là một điều kiện lý tưởng, thực tế có những sự mất cân bằng nhỏ trong opamp. Độ lợi vòng hở của một opamp là rất cao. Do đó, opamp vòng hở khuếch đại điện áp đầu vào vi sai nhỏ lên một giá trị lớn.
Ngoài ra, đúng là nếu chúng ta áp dụng điện áp đầu vào vi sai nhỏ, opamp sẽ khuếch đại nó lên một giá trị đáng kể nhưng giá trị đáng kể này ở đầu ra không thể vượt quá điện áp cung cấp của opamp. Do đó nó không vi phạm định luật bảo toàn năng lượng.
Hoạt động vòng lặp đóng
Hoạt động được giải thích ở trên của opamp dành cho vòng lặp mở, tức là không có phản hồi. Chúng ta sẽ tìm hiểu phản hồi trong cấu hình vòng kín. Đường phản hồi này cung cấp tín hiệu đầu ra cho đầu vào. Do đó, tại các đầu vào, hai tín hiệu có mặt đồng thời. Một trong số đó là tín hiệu được áp dụng ban đầu và tín hiệu còn lại là tín hiệu phản hồi. Phương trình dưới đây cho biết đầu ra của một opamp vòng kín.
VOUT = ACLx(V1 – V2) = ACLxVD
Trong đó VOUT là điện áp ở đầu ra của op-amp. ACL là độ lợi vòng kín. Mạch phản hồi kết nối với opamp xác định độ lợi vòng kín ACL. VD = (V1 – V2) là điện áp đầu vào vi sai. Chúng ta nói rằng phản hồi là tích cực nếu đường phản hồi cung cấp tín hiệu từ cực đầu ra trở lại cực không đảo ngược (+). Phản hồi tích cực được sử dụng trong bộ dao động. Phản hồi là tiêu cực nếu đường phản hồi cấp một phần tín hiệu từ cực đầu ra trở lại cực đảo ngược (-). Chúng ta sử dụng phản hồi tiêu cực cho opamp được sử dụng làm bộ khuếch đại. Mỗi loại phản hồi, tiêu cực hay tích cực đều có ưu điểm và nhược điểm của nó.
Phản hồi tích cực ⇒ Bộ tạo dao động
Phản hồi tiêu cực ⇒ Bộ khuếch đại
Giải thích trên là nguyên lý làm việc cơ bản nhất của opamp.
