Đặc điểm chung khi sử dụng Opamp
1. Opamp là gì?
2. Các loại Opamp trong thực tế
3. Nguyên lý hoạt động Opamp
4. Đặc tính của Op Amp
5. Ưu điểm của Opamp
6. Cách chọn Bộ khuếch đại thuật toán cho ứng dụng của bạn
7. Ứng dụng của Opamp
1. 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.
Ký hiệu Opamp
2. Các loại Opamp trong thực tế
Loại 8 pins – 2 OpAmp ở trong, 2 pins cho nguồn.
Loại 8 pins – 1 OpAmp ở trong, 2 pins cho nguồn, còn lại là để tinh chỉnh tín hiệu
Loại 14 pins – có 4 OpAmp ở trong , 2 pins cho nguồn.
Loại 8 pins – 2 OpAmp ở trong, 2 pins cho nguồn.
Loại 8 pins – 1 OpAmp ở trong, 2 pins cho nguồn, còn lại là để tinh chỉnh tín hiệu
Loại 14 pins – có 4 OpAmp ở trong , 2 pins cho nguồn.
3. Nguyên lý hoạt động Opamp
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.
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.
Đặc tính của nó thể hiện đặc biệt ở 3 vùng:
• Vùng khuếch đại tuyến tính: Điện áp ngõ ra V0 lúc này tỉ lệ với tín hiệu với ngõ vào theo quan hệ tuyến tính.
• Vùng bão hòa dương: Tín hiệu ngõ ra và ngõ vào luôn ở mức +Vcc.
• Vùng bão hòa âm: Tín hiệu ngõ ra và ngõ vào luôn ở -Vcc
• Vùng khuếch đại tuyến tính: Điện áp ngõ ra V0 lúc này tỉ lệ với tín hiệu với ngõ vào theo quan hệ tuyến tính.
• Vùng bão hòa dương: Tín hiệu ngõ ra và ngõ vào luôn ở mức +Vcc.
• Vùng bão hòa âm: Tín hiệu ngõ ra và ngõ vào luôn ở -Vcc
4. Đặc tính của Opamp
Độ lợi vòng lặp hở cao
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.
Nó có khả năng khuếch đại tín hiệu đầu vào điện áp thấp yếu một cách hiệu quả thành tín hiệu đầu ra điện áp cao.
Trở kháng đầu vào cao
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.
Điều này cho phép Op amp tạo dòng điện thấp trong các chân đầu vào của nó và làm cho nó phù hợp để hoạt động như một bộ khuếch đại.
Trở kháng đầu ra thấp
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.
Điều này cho phép Op amp cung cấp dòng điện tối đa cho nó là chân đầu ra của nó để thúc đẩy tải công suất cao. Đây một lần nữa là một chất lượng cần thiết cho một bộ khuếch đại.
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.
Độ lợi vòng lặp hở cao
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.
Nó có khả năng khuếch đại tín hiệu đầu vào điện áp thấp yếu một cách hiệu quả thành tín hiệu đầu ra điện áp cao.
Trở kháng đầu vào cao
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.
Điều này cho phép Op amp tạo dòng điện thấp trong các chân đầu vào của nó và làm cho nó phù hợp để hoạt động như một bộ khuếch đại.
Trở kháng đầu ra thấp
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.
Điều này cho phép Op amp cung cấp dòng điện tối đa cho nó là chân đầu ra của nó để thúc đẩy tải công suất cao. Đây một lần nữa là một chất lượng cần thiết cho một bộ khuếch đại.
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.
5. Ưu điểm của Opamp
1. Với hai ngõ vào là đảo và không đảo cho phép Opamp khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng. Ví dụ như: Các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, phản ứng hóa điện,…
2. Đầu ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ở ngõ vào. Khi tín hiệu nhiễu đến cùng lúc ở hai ngõ vào sẽ không thể xuất hiện ở ngõ ra. Vì thế cho nên Op- amp có độ miễn nhiễu cực cao.
3. Hệ số Khuếch đại của op- amp cao nên cho phép nó có thể khuếch đại được cả những tín hiệu chỉ với biên độ vài chục micro Volt.
4. Các mạch khuếch địa vi sai trong opamp có độ ổn định nhiệt tốt hơn hẳn.
5. Điện áp phân cực ở ngõ vào và ngõ ra khi không có tín hiệu là bằng 0. Vì thế tạo điều kiện dễ dàng trong việc chuẩn hóa khi lắp ghép giữa các khối.
6. Tổng trở ngõ của op- amp lớn cho phép mạch khuếch đại được cả những nguồn tín hiệu có công suất bé.
7. Tổng trở ngõ ra thấp nên cung cấp dòng tốt hơn cho phụ tải.
8. Băng thông rộng hỗ trợ opamp làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau hơn.
1. Với hai ngõ vào là đảo và không đảo cho phép Opamp khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng. Ví dụ như: Các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, phản ứng hóa điện,…
2. Đầu ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ở ngõ vào. Khi tín hiệu nhiễu đến cùng lúc ở hai ngõ vào sẽ không thể xuất hiện ở ngõ ra. Vì thế cho nên Op- amp có độ miễn nhiễu cực cao.
3. Hệ số Khuếch đại của op- amp cao nên cho phép nó có thể khuếch đại được cả những tín hiệu chỉ với biên độ vài chục micro Volt.
4. Các mạch khuếch địa vi sai trong opamp có độ ổn định nhiệt tốt hơn hẳn.
5. Điện áp phân cực ở ngõ vào và ngõ ra khi không có tín hiệu là bằng 0. Vì thế tạo điều kiện dễ dàng trong việc chuẩn hóa khi lắp ghép giữa các khối.
6. Tổng trở ngõ của op- amp lớn cho phép mạch khuếch đại được cả những nguồn tín hiệu có công suất bé.
7. Tổng trở ngõ ra thấp nên cung cấp dòng tốt hơn cho phụ tải.
8. Băng thông rộng hỗ trợ opamp làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau hơn.
6. Cách chọn Bộ khuếch đại thuật toán cho ứng dụng của bạn
Phần bên dưới thảo luận về những cân nhắc nhất định khi chọn bộ khuếch đại hoạt động thích hợp cho ứng dụng của bạn.
Đầu tiên, chọn một op-amp có thể hỗ trợ dải điện áp hoạt động dự kiến của bạn. Thông tin này có thể thu được bằng cách xem điện áp nguồn của bộ khuếch đại. Điện áp cung cấp có thể sẽ là VDD (+) và nối đất (nguồn cung cấp đơn) hoặc bộ khuếch đại có thể hỗ trợ cả nguồn cung cấp dương và âm. Nguồn cung cấp âm rất hữu ích nếu đầu ra cần hỗ trợ điện áp âm.
Thứ hai, hãy xem xét GBP của bộ khuếch đại. Nếu ứng dụng của bạn cần hỗ trợ tần số cao hơn hoặc yêu cầu hiệu suất cao hơn và giảm độ méo, hãy xem xét các bộ khuếch đại thuật toán có GBP cao hơn.
Bạn cũng nên xem xét mức tiêu thụ điện năng, vì một số ứng dụng nhất định có thể yêu cầu hoạt động ở mức năng lượng thấp. Các yêu cầu về nguồn điện được khuyến nghị thường có thể được tìm thấy trong biểu dữ liệu của bộ phận và thường được liệt kê dưới dạng dòng điện cung cấp và mức tiêu thụ điện năng. Mức tiêu thụ điện năng cũng có thể được ước tính từ tích của dòng điện nguồn và điện áp nguồn. Nói chung, op ampe với dòng điện cung cấp thấp hơn có GBP thấp hơn và tương ứng với hiệu suất mạch thấp hơn.
Đối với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao hơn, người thiết kế nên đặc biệt chú ý đến điện áp bù đầu vào của bộ khuếch đại, vì điện áp này dẫn đến độ lệch trong điện áp đầu ra của bộ khuếch đại.
Phần bên dưới thảo luận về những cân nhắc nhất định khi chọn bộ khuếch đại hoạt động thích hợp cho ứng dụng của bạn.
Đầu tiên, chọn một op-amp có thể hỗ trợ dải điện áp hoạt động dự kiến của bạn. Thông tin này có thể thu được bằng cách xem điện áp nguồn của bộ khuếch đại. Điện áp cung cấp có thể sẽ là VDD (+) và nối đất (nguồn cung cấp đơn) hoặc bộ khuếch đại có thể hỗ trợ cả nguồn cung cấp dương và âm. Nguồn cung cấp âm rất hữu ích nếu đầu ra cần hỗ trợ điện áp âm.
Thứ hai, hãy xem xét GBP của bộ khuếch đại. Nếu ứng dụng của bạn cần hỗ trợ tần số cao hơn hoặc yêu cầu hiệu suất cao hơn và giảm độ méo, hãy xem xét các bộ khuếch đại thuật toán có GBP cao hơn.
Bạn cũng nên xem xét mức tiêu thụ điện năng, vì một số ứng dụng nhất định có thể yêu cầu hoạt động ở mức năng lượng thấp. Các yêu cầu về nguồn điện được khuyến nghị thường có thể được tìm thấy trong biểu dữ liệu của bộ phận và thường được liệt kê dưới dạng dòng điện cung cấp và mức tiêu thụ điện năng. Mức tiêu thụ điện năng cũng có thể được ước tính từ tích của dòng điện nguồn và điện áp nguồn. Nói chung, op ampe với dòng điện cung cấp thấp hơn có GBP thấp hơn và tương ứng với hiệu suất mạch thấp hơn.
Đối với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao hơn, người thiết kế nên đặc biệt chú ý đến điện áp bù đầu vào của bộ khuếch đại, vì điện áp này dẫn đến độ lệch trong điện áp đầu ra của bộ khuếch đại.
7. Ứng dụng của Opamp
Người ta dùng Op Amp như một khối mạch điện để dễ dàng hơn trong việc tính toán các thông số của các phần tử có trong mạch. Các Op Amp đầu tiên có thể dùng như một khối mạch điện nếu như nó là một khối khuếch đại vi sai và có đủ độ lớn. Ở các mạch sau, giới hạn của tầng khuếch đại sẽ lớn hơn, nó bị áp đặt vào những dải thông số ở mỗi mạch.
Việc thiết kế Op Amp sẽ giống như mọi mạch. Các đặc tính trong mạch sẽ được vẽ ra trước những gì mà mạch buộc phải thực hiện. Ví dụ, độ lợi cần là 100 lần, sai số thấp hơn 5% thì nó sẽ thay đổi ít hơn 1% khi nhiệt độ thay đổi, tổng trở đầu vào cần lúc này không nhỏ hơn 1 MΩ.
Người ta dùng Op Amp như một khối mạch điện để dễ dàng hơn trong việc tính toán các thông số của các phần tử có trong mạch. Các Op Amp đầu tiên có thể dùng như một khối mạch điện nếu như nó là một khối khuếch đại vi sai và có đủ độ lớn. Ở các mạch sau, giới hạn của tầng khuếch đại sẽ lớn hơn, nó bị áp đặt vào những dải thông số ở mỗi mạch.
Việc thiết kế Op Amp sẽ giống như mọi mạch. Các đặc tính trong mạch sẽ được vẽ ra trước những gì mà mạch buộc phải thực hiện. Ví dụ, độ lợi cần là 100 lần, sai số thấp hơn 5% thì nó sẽ thay đổi ít hơn 1% khi nhiệt độ thay đổi, tổng trở đầu vào cần lúc này không nhỏ hơn 1 MΩ.
