Phụ lục bài viết
Mạch khuếch đại thuật toán là gì?
Mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier) hay còn gọi là Op-amp, đây là một mạch tích hợp có khả năng khuếch đại các tín hiệu điện giá trị thấp. Op-amp có hai chân đầu vào và một chân đầu ra. Vai trò cơ bản của nó là khuếch đại và xuất ra hiệu điện thế chênh lệch giữa hai chân đầu vào.
Các mạch khuếch đại thuật toán
- Mạch khuếch đại điện áp: lấy điện áp ở đầu vào và tạo ra điện áp ở đầu ra.
- Mạch khuếch đại dòng điện: nhận dòng điện ở đầu vào và tạo ra dòng điện đầu ra.
- Mạch khuếch đại xuyên dẫn: chuyển đổi điện áp đầu vào thành dòng điện đầu ra.
- Mạch khuếch đại điện trở: chuyển đổi dòng điện đầu vào và tạo ra điện áp đầu ra.
Đặc điểm và thông số chính

Hình a: Cấu tạo mạch khuếch đại thuật toán
Sự tăng tích vòng hở (Open-Loop Gain): Sự tăng tích vòng hở (“A” trong Hình a) của một bộ khuếch đại thuật toán (op-amp) là thước đo độ lợi đạt được khi không có hồi tiếp được thực hiện trong mạch. Điều này có nghĩa là đường dẫn hồi tiếp, hoặc vòng lặp, là mở. Độ lợi vòng hở thường có giá trị rất lớn (10.000+) để tự nó hữu ích, ngoại trừ với các bộ so sánh điện áp. Các bộ so sánh điện áp so sánh điện áp đầu vào của các cực. Ngay cả với chênh lệch điện áp nhỏ, bộ so sánh điện áp có thể điều khiển đầu ra đến các điểm dương hoặc âm. Sự tăng tích vòng hở cao rất có lợi trong cấu hình vòng kín, vì chúng cho phép các mạch hoạt động ổn định
Trở kháng đầu vào (Input Impedance): Một đặc tính quan trọng khác của op-amp là chúng thường có trở kháng đầu vào cao (“ZIN” trong Hình a). Trở kháng đầu vào được đo giữa các đầu vào âm và dương, và giá trị lý tưởng của nó là vô cùng, giúp giảm thiểu tải của nguồn. (Trong thực tế, có một dòng rò rỉ nhỏ.) Việc sắp xếp mạch xung quanh một op-amp có thể làm thay đổi đáng kể trở kháng đầu vào hiệu quả cho nguồn, vì vậy các linh kiện bên ngoài và vòng hồi tiếp phải được cấu hình cẩn thận. Điều quan trọng cần lưu ý là trở kháng đầu vào không chỉ được xác định bởi điện trở DC đầu vào. Điện dung đầu vào cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của mạch, vì vậy cũng phải xem xét đến điều đó.
Trở kháng đầu ra (Output Impedance): Một op-amp lý tưởng có trở kháng đầu ra bằng không (“ZOUT” trong Hình 1). Tuy nhiên, trở kháng đầu ra thường có một giá trị nhỏ, xác định lượng dòng điện mà nó có thể điều khiển và mức độ hoạt động của nó như một bộ đệm điện áp.
Đáp ứng tần số và băng thông (BW): Một op-amp lý tưởng sẽ có băng thông (BW) vô hạn và có thể duy trì độ lợi cao bất kể tần số tín hiệu. Tuy nhiên trong thực tế, hầu như mọi op-amp đều có băng thông hữu hạn, thường là “-3dB point”, nơi độ lợi bắt đầu giảm khi tần số tăng. Độ lợi của bộ khuếch đại sau đó giảm với tốc độ -20dB/decade trong khi tần số tăng. Bộ khuếch đại Op-amp có BW cao hơn và có hiệu suất được cải thiện vì chúng duy trì mức tăng cao hơn ở tần số cao hơn; tuy nhiên, mức tăng cao hơn này dẫn đến mức tiêu thụ điện năng lớn hơn khiến tăng chi phí sử dụng
Tích số khuếch đại băng thông (GBP)
Đúng như tên gọi, GBP được tính là tích của độ lợi và băng thông của một bộ khuếch đại. GBP là một giá trị không đổi trên toàn đường cong và có thể được tính bằng phương trình (1):
GBP = Gain x Bandwidth = A x BW
GBP được đo tại điểm tần số mà tại đó độ lợi vòng hở của op-amp đạt đến mức đơn vị. Điều này hữu ích vì nó cho phép người dùng tính toán độ lợi vòng hở của thiết bị ở các tần số khác nhau. GBP của op-amp thường là thước đo tính hữu ích và hiệu suất của nó, vì op-amp có giá trị GBP cao hơn cho phép hoạt động với hiệu suất cao hơn ở tần số cao
Trên đây là những thông số chính cần xem xét khi bạn muốn chọn mua mạch khuếch đại thuật toán. Bên cạnh thông số này, bạn cũng nên cân nhắc đến thiết kế mạch, ứng dụng và nhu cầu hiệu suất để có thể áp dụng cho ứng dụng của mình
Phân loại mạch khuếch đại
1. Dựa trên quy trình sản xuất:
- CMOS: là loại mạch điều khiển bằng điện áp, dòng phân cực đầu vào thấp, tiêu thụ điện năng thấp. Thường dùng cho ứng dụng điện áp 5V hoặc thấp hơn.
- Bipolar: có khả năng chịu được điện áp cao hơn CMOS, dùng cho điện áp cung cấp 12V (đơn) và ±18V (kép). Ít nhiễu 1/f hơn CMOS, nhưng CMOS đang cải tiến để giảm nhiễu. CMOS hiện được sử dụng rộng rãi hơn.
2. Dựa trên loại nguồn cung cấp:
- Nguồn đơn: VCC dương so với GND.
- Nguồn kép: VCC dương và VEE âm so với GND. Op-amp nguồn đơn vẫn dùng được với nguồn kép nếu điện áp nằm trong phạm vi cho phép.
3. Dựa trên mạch đầu vào:
- Op-amp thông thường: Đầu vào vi sai gồm cặp MOSFET kênh P hoặc kênh N.
- Op-amp Rail-to-Rail: Đầu vào vi sai gồm cả cặp MOSFET kênh P và N. Hoạt động tốt trên toàn dải điện áp từ VDD đến GND.
4. Dựa trên đặc tính điện:
- Op-amp còn được phân loại theo các đặc tính điện khác như băng thông, độ lợi, tốc độ xoay,… Bạn cần cân nhắc nhiều yếu tố để lựa chọn op-amp phù hợp với yêu cầu ứng dụng cụ thể của mình[
Lưu ý:
- MOSFET kênh P hoạt động không tốt khi điện áp đầu vào gần VDD.
- MOSFET kênh N hoạt động không tốt khi điện áp đầu vào gần GND.
Ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán
Mạch Op-amp không thể sử dụng đơn lẻ mà được thiết kế để kết nối với các mạch khác nhằm thực hiện nhiều chức năng đa dạng. Dưới đây là một số ví dụ điển hình về việc sử dụng các mạch tích hợp op-amp.
Khuếch đại mạnh mẽ tín hiệu đầu vào:
Khi kết hợp với một mạch khuếch đại, op-amp có khả năng khuếch đại các tín hiệu yếu thành tín hiệu mạnh. Op-amp hoạt động như một chiếc loa phóng thanh, nơi tín hiệu đầu vào là giọng nói của con người và mạch op-amp là chiếc loa. Ví dụ, mạch như vậy có thể được sử dụng để khuếch đại các tín hiệu cảm biến cực nhỏ. Việc xử lý tín hiệu cảm biến có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách đưa tín hiệu đã khuếch đại vào một bộ vi điều khiển (MCU).
Loại bỏ nhiễu của tín hiệu đầu vào:
Bằng cách hoạt động như một bộ lọc tín hiệu đầu vào, mạch op-amp có thể trích xuất tín hiệu có tần số mục tiêu. Ví dụ, khi mạch op-amp được sử dụng để nhận dạng giọng nói hoặc trong máy ghi âm, nó có thể trích xuất các tần số gần với âm thanh mục tiêu đồng thời loại bỏ tất cả các tần số khác dưới dạng nhiễu.
Một mạch op-amp có thể được điều chỉnh để thực hiện nhiều chức năng khác nhau như các phép tính số học hoặc tổng hợp tín hiệu. Nói chung sẽ có rất nhiều ứng dụng mà bạn có thể thực hiện nhưng 02 ứng dụng bên trên sẽ được sử dụng phổ biến nhất
Cấu tạo của mạch khuếch đại thuật toán
Mạch theo điện áp (Voltage follower circuit)
Mạch op-amp cơ bản nhất là bộ/mạch theo điện áp (xem Hình b). Mạch này thường không yêu cầu các thành phần bên ngoài và cung cấp trở kháng đầu vào cao và trở kháng đầu ra thấp, giúp nó trở thành một bộ đệm hữu ích trong nhiều tình huống. Do điện áp đầu vào và đầu ra bằng nhau, nên những thay đổi ở đầu vào sẽ tạo ra những thay đổi tương đương với điện áp đầu ra.
VOUT = VIN

Hình B: Voltage follower
Đây là Op-amp phổ biến nhất được sử dụng trong các thiết bị điện tử là bộ khuếch đại điện áp, giúp tăng cường độ điện áp đầu ra. Cấu hình đảo và không đảo là hai dạng cấu hình phổ biến nhất. Cả hai cấu trúc liên kết này đều là vòng kín (có nghĩa là có hồi tiếp từ đầu ra trở lại các đầu vào), và do đó độ lợi điện áp được thiết lập bởi tỷ lệ của hai điện trở.
Mạch khuếch đại thuật toán đảo (Inverting amplifier circuit)
Trong các mạch khuếch đại thuật toán đảo, op-amp buộc cực âm bằng với cực dương, thường được nối đất. Do đó, dòng điện đầu vào được xác định bởi tỷ lệ VIN/R1

Hình C: Mạch khuếch đại thuật toán đảo
Trong cấu hình này, cùng một dòng điện chạy qua R2 đến đầu ra. Lý tưởng nhất, dòng điện không chạy vào cực âm của op-amp do Z(IN) cao của nó. Dòng điện chạy từ cực âm qua R2 tạo ra một điện áp phân cực ngược so với V(IN). Đây là lý do tại sao các op-amp này gọi là thuật toán đảo. Lưu ý rằng đầu ra của op-amp chỉ có thể xoay giữa các nguồn cung cấp điện tích dương và âm của nó, vì vậy việc tạo ra điện áp đầu ra âm yêu cầu một op-amp có khả năng cung cấp âm. V(OUT) có thể được tính bằng Phương trình (3):
VOUT = -(R2 / R1) x VIN
Mạch khuếch đại thuật toán không đảo (Non-inverting amplifier circuit)
Trong mạch khuếch đại không đảo, tín hiệu đầu vào từ nguồn được kết nối với cực không đảo (+) (xem Hình D).

Hình D: Mạch khuếch đại thuật toán không đảo
Op-amp sẽ điều chỉnh buộc điện áp đầu cực đảo (-) bằng với điện áp đầu vào, tạo ra dòng điện chạy qua các điện trở phản hồi. Điện áp đầu ra luôn cùng pha với điện áp đầu vào, đó là lý do tại sao cấu trúc liên kết này được gọi là không đảo. Lưu ý rằng với bộ khuếch đại không đảo, độ lợi điện áp luôn lớn hơn 1, điều này không phải lúc nào cũng đúng với cấu hình đảo. VOUT có thể được tính bằng Phương trình (4):
VOUT = (1 + R2 / R1) x VIN
Mạch so sánh điện áp (Voltage comparator)

Hình E: Mạch so sánh điện áp
Bộ so sánh điện áp op-amp so sánh các đầu vào điện áp và điều khiển đầu ra đến đường ray cung cấp của bất kỳ đầu vào nào cao hơn. Cấu hình này được coi là hoạt động vòng hở vì không có phản hồi. Bộ so sánh điện áp có lợi thế là hoạt động nhanh hơn nhiều so với các cấu trúc liên kết vòng kín được thảo luận ở trên (xem Hình E).
Mạch khuếch đại vi sai (Differential amplifier circuit)
Đây là mạch để khuếch đại và xuất ra hiệu số giữa hai tín hiệu đầu vào.
VOUT = R2/R1 × (VIN2 – VIN1)
Trên đây là bài viết cơ bản về mạch khuếch đại thuật toán Mạch khuếch đại thuật toán On-Amp. Hy vọng qua bài viết bạn có được những kiến thức cơ bản về loại mạch này.