Tìm hiểu lý thuyết về Op-Amp

Amplifiers and operation amplifier circuit.

1 . Khuếch đại là gì ?

Khuếch đại ở đây có nghĩa là sự phóng đại các tín hiệu đó lên (Maginifes signal). Trái tim của mạch khuếch đại chính là nguồn điều khiển các tín hiệu đầu vào Chúng ta hãy xem 1 ví dụ đơn giản về mạch khuếch đại điện áp :

+ Điện áp vào là V1, thì ta có tín hiệu vòng hở(open) V2 = k.V1 , k được gọi là độ lợi vòng hở(open circuit gain).

+ Trong 1 mạch khuếch đại lý tưởng thì Ri = vô cùng và Ro = 0 (Ohm- đọc là ôm).

ð Mạch khuếch đại vi sai ở đây có nghĩa là khuếch đại những tín hiệu sai lệch có biên độ cực nhỏ .

a.     Xét ví dụ 1 :

Cho nguồn điện áp thực tế Vs với nội trở  là Rs, nối vào đầu input của mạch khuếch đại với trở kháng là Ri .Tìm biểu thức quan hệ giữa V2/Vs ?

Bài giải :

-        Mạch khuếch đại tải nguồn .

-        Độ lợi vòng lặp hở (open loop gain) giảm bởi yếu tố 

b.    Ví dụ 2 :

Cũng như ví dụ 1 nhưng tại điện áp ra V2 nuôi thêm 1 tải Rload (Rl), tìm   ?

Bài giải :

Cmtt như câu a , ta có biểu thức :

+ Độ lợi vòng lặp mở giảm nhanh hơn bởi có thêm yếu tố Rl/(Rl+Ro), điều  này cũng làm điện áp đầu ra phụ thuộc vào tải.

2 . Hồi tiếp trong mạch khuếch đại :

Khái niệm về hồi tiếp là gì? Hồi tiếp hiểu nôm na là sự kiểm tra lại thông số của đầu ra để đưa lại phần điều khiển control nhằm đảm bảo mức ra đạt yêu cầu .

Ví dụ về hồi tiếp :

+ Độ lợi của mạch khuếch đại có thể điều khiển được bởi phần hồi tiếp giữa tín hiệu đầu vào input  và đầu ra output .

+ Mạch hồi tiếp :

Hồi tiếp ở đây lấy tín hiệu thông qua trở R2 , tỷ lệ hồi tiếp (the feedback ratio) theo công thức sau :

chính vì vậy mà ta có thể thay đổi được độ lợi

khuếch đại nhưng cũng chính vì vậy làm cho độ khuếch đại này thấp hơn so với độ lợi vòng lặp hở(open loop gain).Mạch hồi tiếp chính là 1 mạch điều khiển kín nên độ khuếch đại đóng(close loop gain) .

Ví dụ 3 : Xét mạch điện như hình dưới .Hãy tìm biểu thức lien hệ giữa V2/Vs ?

Áp dụng định luật KCL (Kirffchof ‘s current Law).

Áp dụng KCL  :

+ Tại nút A :

Từ 2 phương trình trên, ta có: 

3. Mạch khuếch đại thuật toán(Operational aplifiers) :

a. Sơ đồ cấu tạo mạch opamp bên trong opamp :

Đây chính là sơ đồ cấu tạo của opamp sử dụng các bóng bán dẫn transistor. Sơ đồ nguyên lý của Op-Amp bên trong rất phức tạp. Hình trên chỉ là diễn giải cơ bản chưa hoàn toàn chi tiết. Chúng ta cũng không cần phải bỏ quá nhiều thời gian vào để phân tích nó làm gì, chỉ cần chúng ta hiểu được hoạt động và nguyên lý cơ bản để sử dụng.

b. Mạch opamp tích hợp (IC opamp ) :

+ Mạch khuếch đại thuật toán (OpAmp) là 1 thiết bị có 2 đầu vào input- và input+

Input- : Inverting – đầu vào đảo .

Iput+ : Noninverting – đầu vào không đảo .

+ Cũng như tất cả các linh kiện bán dẫn khác thì để opamp hoạt động được thì cần phải cấp nguồn DC  (+Vcc , -Vcc, và chân ground chung)

 Ký hiệu của opamp là đây!

+ Tín hiệu ra output của opamp phụ thuộc vào Ed = V⁺ - V^-  . Ở đây chúng ta sẽ bỏ qua sự ảnh hưởng của điện dung, mà thực tế thì linh kiện bán dẫn nào cũng bị ảnh hưởng của điện dung cả( ảnh hưởng rất nhỏ nhé.) . Trong phạm vi tuyến tính thì Vo = A*Ed , như vậy với vòng lặp hở thì độ lợi A sẽ lớn vô cùng.

+ Vo sẽ bão hòa tại thời điểm mà Ed vượt quá mức |Ed| > Vcc/A

+ Trong thực tế thì trở kháng đầu vào Ri rất lớn, nhưng trở kháng ngõ ra lại rất nhỏ.Độ lợi A thuộc từ khảng 10⁵  đến vài triệu .

Vd2 :

Cho mạch opamp với các thông số sau : Vcc = 15V, A = 10⁵ , V^-  = 0 .Tính giới hạn trên V⁺ mà mạch thuộc khoảng tuyến tính . ?

Giải :

Như vậy đối với các mạch khuếch đại opamp mà mắc kiểu open loop thì độ khuếch đại là rất lớn , chỉ cần tín hiệu vào 1mV thì ở đầu ra tín hiệu cũng đã bị bão hòa .

Để tránh trường hợp đó thì người ta sử dụng các mạch khuếch đại hồi tiếp âm.

Còn tiếp.