Mạch op-amp — Kiến thức cơ bản

Mạch op-amp sử dụng một bộ khuếch đại thuật toán cùng với các phần tử hồi tiếp để điều khiển cách đầu ra đáp ứng với đầu vào. Ý tưởng chính khá đơn giản: bản thân bộ khuếch đại có độ lợi rất lớn, nên chính mạch bên ngoài, đặc biệt là mạng hồi tiếp, mới làm cho hành vi của nó trở nên có thể dự đoán được.

Hầu hết các công thức trong lớp học đều xuất phát từ mô hình op-amp lý tưởng. Những công thức đó chỉ đáng tin cậy khi mạch có hồi tiếp âm và đầu ra vẫn nằm giữa các mức nguồn, để op-amp còn ở trong vùng tuyến tính.

Khi Nào Áp Dụng Các Quy Tắc Op-Amp Lý Tưởng

Với một op-amp lý tưởng đang hoạt động tuyến tính và có hồi tiếp âm, có hai cách rút gọn được dùng lặp đi lặp lại:

1. Dòng điện vào hai đầu vào bằng không.
2. Điện áp ở hai đầu vào gần như bằng nhau, nên $V_+ \approx V_-$.

Quy tắc thứ hai thường được gọi là ngắn mạch ảo. Điều đó không có nghĩa là hai đầu vào được nối vật lý với nhau. Nó có nghĩa là hồi tiếp làm đầu ra tự điều chỉnh cho đến khi hiệu điện áp giữa hai đầu vào trở nên rất nhỏ.

Nếu op-amp bị bão hòa hoặc mạch không dùng hồi tiếp âm, bạn không nên giả sử $V_+ \approx V_-$.

Công Thức Mạch Khuếch Đại Đảo

Trong mạch khuếch đại đảo tiêu chuẩn, tín hiệu vào đi qua điện trở $R_{in}$ tới đầu vào đảo, đầu vào không đảo được nối với một mức tham chiếu như mass, và một điện trở hồi tiếp $R_f$ nối từ đầu ra quay về đầu vào đảo.

Theo các giả thiết lý tưởng,

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

Dấu trừ cho biết đầu ra bị đảo pha so với đầu vào.

Công Thức Mạch Khuếch Đại Không Đảo

Trong mạch khuếch đại không đảo tiêu chuẩn, tín hiệu vào được đưa vào đầu vào không đảo, còn đầu vào đảo nằm trong một mạng điện trở hồi tiếp.

Với cùng các giả thiết lý tưởng,

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

Phiên bản này giữ cho đầu ra cùng pha với đầu vào và cho trở kháng đầu vào lý tưởng là rất lớn.

Vì Sao Hồi Tiếp Âm Thay Đổi Mọi Thứ

Một op-amp có độ lợi vòng hở cực lớn. Chỉ một chênh lệch rất nhỏ giữa $V_+$ và $V_-$ cũng có xu hướng đẩy đầu ra mạnh về một mức nguồn hoặc mức nguồn còn lại.

Hồi tiếp âm kiểm soát hành vi đó. Nó đưa một phần đầu ra quay trở lại mạng đầu vào, để mạch ổn định tại một giá trị đầu ra sao cho điều kiện đầu vào cần thiết được thỏa mãn. Trong các mạch cơ bản này, đó là lý do vì sao tỉ số điện trở thường quyết định độ lợi vòng kín thay vì độ lợi nội tại thô của con chip.

Ví Dụ Có Lời Giải: Giải Một Mạch Đảo

Giả sử một mạch khuếch đại đảo lý tưởng có $R_{in} = 2 \, \mathrm{k\Omega}$ và $R_f = 10 \, \mathrm{k\Omega}$. Điện áp đầu vào là $V_{in} = 0.30 \, \mathrm{V}$.

Dùng công thức mạch khuếch đại đảo:

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

Thay các giá trị điện trở vào:

$$V_{out} = -\frac{10 \, \mathrm{k\Omega}}{2 \, \mathrm{k\Omega}}(0.30 \, \mathrm{V})$$ $$V_{out} = -(5)(0.30 \, \mathrm{V}) = -1.5 \, \mathrm{V}$$

Vậy đầu ra dự đoán là $-1.5 \, \mathrm{V}$. Đây chỉ là đáp án đúng nếu nguồn cấp cho phép đầu ra dao động tới giá trị đó.

Nếu các mức nguồn hiện có không hỗ trợ $-1.5 \, \mathrm{V}$, op-amp sẽ bão hòa và công thức độ lợi đơn giản sẽ không còn dự đoán đúng đầu ra thực tế.

Những Lỗi Thường Gặp Với Op-Amp

• Dùng $V_+ \approx V_-$ cho mọi mạch op-amp, kể cả khi không có hồi tiếp âm.
• Quên rằng đầu ra không thể vượt quá các mức nguồn.
• Nhầm lẫn giữa công thức độ lợi của mạch đảo và mạch không đảo.
• Bỏ qua dấu của đầu ra trong mạch khuếch đại đảo.
• Coi các quy tắc lý tưởng là mô tả chính xác cho mọi op-amp thực ở mọi tần số và mọi mức đầu ra.

Mạch Op-Amp Xuất Hiện Ở Đâu

Các mạch op-amp cơ bản xuất hiện trong điều hòa tín hiệu cảm biến, tiền khuếch đại âm thanh, bộ lọc tích cực, mạch theo điện áp và các hệ thống đo lường. Chúng được dùng rất rộng rãi vì chỉ với một bộ khuếch đại và vài linh kiện thụ động, ta có thể tạo ra khuếch đại, đệm hoặc lọc theo cách khá dễ dự đoán.

Mô hình lý tưởng thường là bước đầu tiên. Phân tích chi tiết hơn trở nên quan trọng khi băng thông, tốc độ chuyển, dòng phân cực đầu vào, điện áp lệch, nhiễu hoặc giới hạn biên độ đầu ra bắt đầu đáng kể.

Thử Một Bài Tương Tự

Giữ nguyên mạch khuếch đại đảo đó, nhưng đổi điện trở hồi tiếp thành $20 \, \mathrm{k\Omega}$. Độ lớn của độ lợi vòng kín tăng gấp đôi, nên đầu ra dự đoán sẽ là $-3.0 \, \mathrm{V}$ nếu op-amp vẫn có thể ở trong vùng tuyến tính. Nếu bạn muốn tự giải một mạch tương tự từ đầu, hãy thử phiên bản của riêng mình với một tỉ số điện trở khác và kiểm tra trước xem giới hạn mức nguồn còn cho phép kết quả đó hay không.