Bài 19. Khuếch đại thuật toán

Khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier — op-amp) là mạch tích hợp khuếch đại DC có hệ số khuếch đại rất lớn, dùng để thực hiện các phép toán trên tín hiệu điện áp.

Ký hiệu:

• Đầu vào không đảo (non-inverting): ký hiệu (+) — điện áp $V_+$
• Đầu vào đảo (inverting): ký hiệu (-) — điện áp $V_-$
• Đầu ra: $V_{out}$
• Nguồn cấp: $V_{CC}+$ và $V_{EE}-$

Nguyên lý cơ bản:

$$V_{out} = A_{OL} \cdot (V_+ - V_-)$$

Trong đó $A_{OL}$ là hệ số khuếch đại hở mạch (rất lớn, $>10^5$).

Cấu tạo bên trong op-amp:

• Tầng vi sai đầu vào: Khuếch đại hiệu điện áp hai đầu vào
• Tầng khuếch đại trung gian: Tăng hệ số khuếch đại
• Tầng đệm đầu ra: Tạo trở kháng đầu ra thấp

Các đặc điểm lý tưởng của op-amp:

• Hệ số khuếch đại vòng hở $A_{OL} \to \infty$
• Trở kháng đầu vào $Z_{in} \to \infty$
• Trở kháng đầu ra $Z_{out} \to 0$
• Băng thông vô hạn
• Điện áp offset bằng 0

Op-amp thực tế: IC LM741, TL081, NE5532 là các op-amp thông dụng.

Sơ đồ mạch khuếch đại đảo:

• Tín hiệu vào đưa vào đầu (-) qua điện trở $R_{in}$
• Đầu (+) nối mass
• Điện trở hồi tiếp $R_f$ nối từ đầu ra về đầu (-)

Công thức:

$$V_{out} = -\frac{R_f}{R_{in}} \cdot V_{in}$$

Hệ số khuếch đại: $A_V = -R_f/R_{in}$ (dấu âm thể hiện đảo pha).

Đặc điểm:

• Tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào (đảo 180°)
• Hệ số khuếch đại chỉ phụ thuộc vào $R_f$ và $R_{in}$

Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo:

• Tín hiệu vào đưa vào đầu (+) qua tụ liên lạc (nếu cần)
• Điện trở hồi tiếp $R_f$ từ đầu ra về đầu (-)
• Điện trở $R_g$ từ đầu (-) xuống mass

Công thức:

$$V_{out} = \left(1 + \frac{R_f}{R_g}\right) \cdot V_{in}$$

Hệ số khuếch đại: $A_V = 1 + R_f/R_g$.

Đặc điểm:

• Tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào
• Trở kháng đầu vào rất lớn
• Hệ số khuếch đại tối thiểu bằng 1

Mạch so sánh dùng op-amp ở chế độ vòng hở hoặc có hồi tiếp dương.

Nguyên lý:

• So sánh điện áp đầu vào $V_{in}$ với điện áp tham chiếu $V_{ref}$
• Nếu $V_+ > V_-$: $V_{out} \approx +V_{CC}$ (bão hòa dương)
• Nếu $V_+ < V_-$: $V_{out} \approx -V_{EE}$ (bão hòa âm)

Mạch so sánh không đảo:

• $V_{in}$ đưa vào (+), $V_{ref}$ đưa vào (-)
• Ngõ ra lên mức cao khi $V_{in} > V_{ref}$

Mạch so sánh đảo:

• $V_{in}$ đưa vào (-), $V_{ref}$ đưa vào (+)
• Ngõ ra xuống mức thấp khi $V_{in} > V_{ref}$

Ứng dụng: Chuyển đổi ADC đơn giản, mạch báo mức nhiệt độ, ngưỡng ánh sáng.

Các ứng dụng phổ biến:

• Khuếch đại âm thanh: Preamp micro, equalizer, amplifier công suất nhỏ
• Mạch lọc tích cực: Lọc thông thấp, thông cao, thông dải chất lượng cao
• Mạch tích phân và vi phân: Dùng trong điều khiển PID, xử lý tín hiệu
• Mạch so sánh: Báo động, điều khiển ON/OFF, chuyển đổi tương tự-số
• Mạch cộng/trừ: Mixer âm thanh, xử lý tín hiệu analog

IC op-amp phổ biến: LM741, LM358 (kép), LM324 (bốn), TL081, NE5532 (âm thanh).