Bộ Khuếch Đại Hoạt Động (Opamp) Là Gì? Có Đặc Điểm Nào?

1 – Giới thiệu

Bộ khuếch đại hoạt động (viết tắt là Opamp) là một thiết bị khuếch đại điện áp được thiết kế để sử dụng với các thành phần như tụ điện và điện trở, giữa các đầu vào hay ra của nó, hoặc đơn giản chỉ là một mạch tích hợp tuyến tính (IC) có nhiều đầu cuối. 

Trong điện tử, độ lợi điện áp vòng hở của bộ khuếch đại hoạt động thực tế là rất lớn. Có thể thấy bộ khuếch đại vi sai có độ lợi vòng hở vô hạn, điện trở đầu vào vô hạn và điện trở đầu ra bằng không. Ngoài ra, nó còn có các đầu vào cho phép các mạch sử dụng phản hồi để đạt được nhiều chức năng. Thậm chí, nó có thể được đơn giản hóa hơn nữa thành một mô hình Opamp lý tưởng.

2 – Đặc điểm OPAMP lý tưởng

Khi phân tích các mạch ứng dụng khác nhau, bộ khuếch đại hoạt động tích hợp thường được coi là bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng có nghĩa là lý tưởng hóa các chỉ số kỹ thuật khác nhau của Opamp.

2.1 Điện trở đầu vào vô hạn

Cực đầu vào của Opamp lý tưởng không có bất kỳ dòng điện nào để chạy vào. Trong thiết bị điện tử, Opamp là thiết bị tăng điện áp. Chúng khuếch đại điện áp được đưa vào Opamp và phát ra tín hiệu giống như đầu ra với độ lợi lớn hơn nhiều. Để Opamp nhận tín hiệu điện áp làm đầu vào của nó, tín hiệu điện áp phải được thả qua Opamp. 

Điện trở (hoặc trở kháng) của một thiết bị càng lớn thì điện áp trên thiết bị đó càng càng. Để đảm bảo rằng tín hiệu điện áp giảm hoàn toàn thì nó phải có trở kháng đầu vào rất cao. Ngược lại, nếu trở kháng đầu vào thấp, điện áp có thể không giảm qua Opamp và nó sẽ không nhận được tín hiệu. Do đó, Opamp phải có trở kháng đầu vào cao.

Bên cạnh đó, ta có thể dễ dàng làm cho trở kháng đầu vào thấp hoặc cao bằng cách mắc một điện trở song song hoặc nối tiếp.

OPAMP Lý tưởng và đường cong đặc tính truyền

2.2 Trở kháng đầu ra bằng không

Đầu ra của một Opamp lý tưởng là một nguồn điện áp hoàn hảo. Bất kể dòng điện chạy đến tải bộ khuếch đại thay đổi như thế nào, điện áp đầu ra của Opamp luôn là một giá trị nhất định, điều này đồng nghĩa với việc trở kháng đầu ra bằng không. 

Trong thực tế, trở kháng đầu ra bằng không thực sự là một đặc tính khác biệt với trở kháng đầu vào vô hạn, Tuy nhiên, trong một thời gian rất dài trở kháng đầu vào vô hạn chỉ được tiếp cận về điện áp bù và nhiễu.

2.3 Độ lợi vòng lặp mở vô hạn

Ở trạng thái mạch hở, tín hiệu vi sai đầu vào có độ lợi điện áp vô hạn. Nhờ vào tính năng này, bộ khuếch đại hoạt động rất phù hợp cho các ứng dụng thực tế với cấu hình phản hồi âm trên.

2.4 Tỷ lệ loại bỏ chế độ chung vô hạn

Một bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng chỉ có thể đáp ứng sự khác biệt giữa điện áp ở cả hai đầu V+ và V-. Ngoài ra, phần giống nhau của hai tín hiệu đầu vào (tín hiệu chế độ chung) sẽ hoàn toàn bị loại bỏ. Hơn nữa, cần có CMRR cao khi tín hiệu vi sai phải được khuếch đại khi có đầu vào chế độ chung lớn, chẳng hạn như nhiễu điện từ mạnh (EMI). 

2.5 Băng thông vô hạn

Bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng sẽ khuếch đại tín hiệu đầu vào của bất kỳ tần số nào có cùng độ lợi vi sai. Ngoài ra, điều này cũng sẽ không làm thay đổi của tần số tín hiệu.

3 – Giả định của Opamp lý tưởng

Opamp được coi là một nguồn điện được kiểm soát bằng điện áp, hoặc là một mạch tích hợp có thể khuếch đại các tín hiệu điện yếu. 

Đầu tiên, giả sử rằng dòng điện chạy vào đầu vào của Opamp bằng không. Giả định này gần như hoàn toàn chính xác đối với bộ khuếch đại Opamp FET, vì dòng điện đầu vào cho bộ khuếch đại FET dưới 1 pA. Tuy nhiên, giả định này không phải lúc nào cũng đúng, đặc biệt là đối với bộ khuếch đại Opamp tốc độ cao kép vì dòng điện đầu vào của nó đôi khi có thể lên tới hàng chục microampe.

Thứ hai, giả sử rằng độ lợi của Opamp là vô hạn, do đó Opamp có thể điều chỉnh điện áp đầu ra đến bất kỳ giá trị nào để đáp ứng các yêu cầu đầu vào.  Có nghĩa là điện áp đầu ra của Opamp có thể đạt đến bất kỳ giá trị nào. 

Tuy nhiên trong thực tế, khi điện áp đầu ra gần với điện áp nguồn, Opamp sẽ bão hòa. Ví dụ: Ở tần số cao hơn, các tụ điện tiếp giáp bên trong của bóng bán dẫn phát huy tác dụng, đầu ra bị giảm và xuất hiện độ lợi của bộ khuếch đại. Do đó, điện kháng của tụ điện giảm khi tăng tần số bỏ qua phần lớn đầu ra dẫn đến việc Opamp ở trạng thái bão hòa.

Độ bão hòa Opamp

Thứ ba, giả sử độ lợi vô hạn. Độ lợi của Opamp sẽ điều khiển điện áp đầu ra cho đến khi điện áp giữa hai cực đầu vào bằng không (điện áp lỗi) . Hiệu điện thế giữa hai đầu ngõ vào bằng không. Điều này có nghĩa là nếu một đầu vào được kết nối với nguồn điện áp cứng như đất, thì đầu vào kia cũng sẽ có cùng điện thế. Ngoài ra, vì dòng điện chạy vào cực đầu vào bằng 0 nên trở kháng đầu vào của amp op là vô hạn.

Cuối cùng, điện trở đầu ra của một Opamp lý tưởng bằng không. Một Opamp lý tưởng có thể thúc đẩy bất kỳ tải nào mà không có bất kỳ sự sụt giảm điện áp nào do trở kháng đầu ra của nó. Ở dòng điện thấp, trở kháng đầu ra của hầu hết các Opamp nằm trong khoảng 10 ohm, vì vậy giả định này đúng trong hầu hết các trường hợp.

4 – Đặc tính làm việc của bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng

Khi Opamp lý tưởng hoạt động trong vùng tuyến tính, đầu ra và điện áp đầu vào thể hiện mối quan hệ tuyến tính. Trong đó: U0 là điện áp đầu ra của Opamp tích hợp, U+ và U- lần lượt là điện áp tại cực đầu vào không đảo và đầu vào đảo ngược. 

Hai đặc điểm quan trọng của Opamp lý tưởng trong vùng tuyến tính là:

Điện áp đầu vào vi sai bằng không

Do độ phóng đại điện áp vi sai vòng hở của một Opamp lý tưởng bằng vô cực và điện áp đầu ra là một giá trị nhất định nên các giá trị điện áp tại đầu vào không đảo ngược và đầu vào đảo ngược xấp xỉ bằng nhau. Tương tự như ngắn mạch giữa đầu vào và đầu ra, nhưng nó là giả vì nó là ngắn mạch tương đương, không phải ngắn mạch thực. Vì vậy, hiện tượng này được gọi là “ngắn mạch ảo“.

Dòng đầu vào bằng không

Điện trở đầu vào vòng hở của một Opamp lý tưởng là vô hạn, không có dòng điện nào chạy vào Opamp ở cả hai đầu vào. Tại thời điểm này, dòng điện tại đầu cuối đầu vào không đảo ngược và đầu vào đầu vào đảo ngược đều bằng không. Giống như việc ngắt kết nối nhưng lại là ngắt kết nối tương đương. Do đó hiện tượng này được gọi là “ngắt ảo“. 

Ngắn mạch ảo và ngắt ảo là hai khái niệm quan trọng để phân tích Opamp lý tưởng hoạt động trong vùng tuyến tính. Trên thực tế, bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng có các đặc điểm của “ảo ngắn” và “ngắt ảo“. Hai đặc điểm này rất hữu ích để phân tích mạch khuếch đại tuyến tính. 

5 – Phân tích đặc điểm của bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng

Opamp bao gồm: phần tử ba đầu cuối (cấu trúc mạch với đầu vào hai đầu, đầu ra một đầu), bóng bán dẫn lý tưởng, bộ khuếch đại DC có độ lợi cao.

• Điện trở đầu vào cao: Trong tình huống này, dòng điện vào cực đầu vào gần bằng 0, hầu như không sử dụng dòng nguồn tín hiệu, gần với đặc tính điều khiển điện áp

• Điện trở đầu ra thấp hơn: Có các đặc tính thích ứng với bất kỳ tải nào và trở kháng của mạch tải tiếp theo sẽ không ảnh hưởng đến điện áp đầu ra.

• Khuếch đại điện áp vô hạn

• Trong một điều kiện điện áp cung cấp nhất định, bộ khuếch đại chỉ có thể làm việc ở chế độ vòng kín (phản hồi âm) và độ khuếch đại thực tế bị hạn chế do bản thân Opamp không có kết nối nhưng thiết kế của chúng giả định rằng các tín hiệu điển hình sẽ hướng về trung tâm của nguồn cung cấp tích cực và tiêu cực hơn. Do đó, nếu điện áp đầu vào của bạn ở ngay một cực hoặc buộc đầu ra hướng về một nguồn cung cấp, rất có thể nó sẽ không hoạt động bình thường. 
• Ở trạng thái vòng kín (khuếch đại giới hạn), bộ khuếch đại được so sánh ngẫu nhiên điện thế của hai cực đầu vào. Giai đoạn đầu ra thực hiện điều chỉnh ngay lập tức khi chúng không bằng nhau. Vì vậy mục đích cuối cùng của khuếch đại là làm cho điện thế của hai cực đầu vào bằng nhau.

6 – Một số Mạch Opamp Thông dụng

6.1 Mạch khuếch đại không đảo ngược

Bộ khuếch đại không đảo là cấu hình mạch Opamp tạo ra tín hiệu đầu ra được khuếch đại. Nó cung cấp một trở kháng đầu vào cao cùng với tất cả những lợi thế có được khi sử dụng một bộ khuếch đại hoạt động.

Mạch khuếch đại không đảo

6.2 Mạch khuếch đại đảo ngược

Bộ khuếch đại đảo là một loại mạch khuếch đại hoạt động tạo ra đầu ra lệch pha so với đầu vào của nó lệch pha 180o so với đến tín hiệu đầu vào. Hình dưới thể hiện hai điện trở ngoài để tạo mạch hồi tiếp và tạo thành mạch vòng kín qua mạch khuếch đại.

Mạch khuếch đại Đảo ngược

6.3 Mạch bổ sung

Một mạch bổ sung có thể được thực hiện bằng cách kết nối nhiều đầu vào hơn với Opamp đảo ngược. Hình dưới là sơ đồ mạch của một bộ khuếch đại tổng hợp như trong hình sau.

Mạch bổ sung

6.4 Bộ khuếch đại vi sai 

Bộ khuếch đại vi sai là một mạch tương tự với hai đầu vào và một đầu ra, trong đó đầu ra tỷ lệ lý tưởng với sự khác biệt giữa hai điện áp. Đây là một mạch Opamp rất hữu ích và bằng cách thêm nhiều điện trở song song với các điện trở đầu vào.

Bộ khuếch đại vi sai

6.5 Bộ khuếch đại hỗn hợp 

Bộ khuếch đại hỗn hợp được gọi là sự kết hợp của nhiều bộ khuếch đại hoạt động được xếp tầng cùng với một vòng phản hồi âm xung quanh toàn bộ mạng.

Bộ khuếch đại tổng hợp

Điện trở trong mạch thường được chọn ở mức K ohm, tỷ lệ của điện trở ảnh hưởng đến độ lợi và độ lệch. Ngoài ra, với dòng điện cung cấp sẽ đáp ứng tần số và khả năng điều khiển tải điện dung của Opamp xác định các giá trị cụ thể của chúng trong mạch. Nếu nó được sử dụng trong mạch cao tần, ta phải giảm điện trở để được tần số cao tốt hơn. Nhưng bù lại, nó sẽ làm tăng dòng phân cực đầu vào, từ đó làm tăng dòng điện của bộ nguồn.

7 – Sự khác biệt giữa Opamp lý tưởng và Opamp thực tế

Bộ khuếch đại Opamp lý tưởng không sử dụng điện năng. Chúng có trở kháng đầu vào vô hạn, băng thông khuếch đại và tốc độ quay không giới hạn, không có dòng phân cực đầu vào và không có độ lệch đầu vào. Đồng thời tồn tại điện áp không giới hạn.

Đối với các bộ khuếch đại Opamp thực tế, chúng tiêu thụ một số điện năng, có trở kháng đầu vào rất cao, băng thông khuếch đại và tốc độ quay hạn chế, ngoài ra còn có một số dòng phân cực đầu vào và điện áp bù đầu vào. Việc tuân thủ điện áp bị giới hạn bởi đường ray cung cấp điện, hoặc thường xuyên thậm chí ít hơn.

Bộ khuếch đại Opamp thực tế vẫn rất hữu ích vì chúng có ít hạn chế hơn so với những gì mạch của bạn cần. Tuy nhiên, trên thực tế, một chiếc Opamp trong cuộc sống thực không thể hoạt động với dòng điện bằng không.

B2bmart.vn vừa giới thiệu đến bạn đọc một số thông tin hữu ích về mạch Opamp lý tưởng. Hi vọng qua bài đọc sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn và có thể áp dụng kiến thức trên vào công việc của mình.