Có thể ví rằng op-amp là những bóng đèn của thế giới amp thể rắn (solid-state). Với khoản tiền từ 100.000 đồng đến 2 triệu đồng, những "con chip" cỡ nhỏ này sẽ giúp bạn phát huy đầy đủ tiềm năng của chiếc amp. Do đóng vai trò là bộ phận khuếch đại tín hiệu trên ampli nên op-amp cũng có ảnh hưởng rất nhiều tới chất âm. Các mẫu op-amp có mặt trên thị trường vì vậy cũng vô cùng phong phú với các mức giá khác nhau. Rẻ tiền nhất có thể kể tới các mẫu op-amp chưa đến 1 USD như NJM2068 hoặc các loại op-amp được gắn trên amp Trung Quốc, thường có mã hiệu bắt đầu bằng cụm chữ "CHN". Ở thái cực còn lại là các mẫu op-amp có giá đắt hơn cả các mẫu amp của Fiio hoặc iBasso, ví dụ như chiếc Burson V5 SS (70 USD, tức khoảng 1,6 triệu đồng) hoặc Sparko (80 USD, tức khoảng 1,8 triệu đồng).

Định nghĩnghĩa

Op-amp là viết tắt của operational amplifier hay khuếch đại thuật toán. Đây là một mạch khuếch đại “DC-coupled” (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn. Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra.

Op-amp 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.

Ở Op-Amp thường có những ưu điểm như:

• Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép Op-Amp khuếch đại tốt nguồn tín hiệu.
• Ngõ ra chịu trách nhiệm khuếch đại sự sai lệch ở 2 tín hiệu ngõ vào, vì thế, Op-Amps thường có khả năng khuếch đại tín hiệu ở tần số thấp.
• Op-Amp có hệ số khuếch đại lớn nêncho phép khuếch đại ở những tín hiệu ở biên độ vài chục microVolt.
• Op-Amp có thể hoạt động tốt với rất nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau.

Cấu tạo

– Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào v+ và v–. Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn …

– Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhay cho Op-Amps. Trong tẩng này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra.

– Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, tần này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp Op-Amps phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau.

Op-Amps thực tế vẫn có một số khác biệt so với Op-Amps lý tưởng. Nhưng để dễ dàng trong việc tính toán trên Op-Amps người ta thường tính trên Op-Amps lý tưởng, sau đó dùng các biện pháp bổ chính (bù) giúp Op-Amps thực tế tiệm cận với Op-Amps lý tưởng. Do đó để thuận tiện cho việc trình bày nội dung trong chương này có thể hiểu Op-Amps nói chung là Op-Amps lý tưởng sau đó sẽ thực hiện việc bổ chính sau.

Op-Amp thường bao gồm:

– 2 pin nối với nguồn ( nếu nhìn vào datasheet sẽ được ghi là V+ và V- hoặc là VCC và VEE)

– 2 pin cho Input (bao gồm một đầu âm và một đầu dương và thường được ghi trong datasheet với chữ Vin+ và Vin- )

– Cuối cùng là Output pin để đưa tín hiệu đã xử lý ra. (thường được kí hiệu là Vout hoặc là Vo)

Chú ý:

Trong các sách và ở trong hướng dẫn này cũng vậy, nguồn Vin + và Vin- dung cho Op-Amp sẽ được lược bỏ nhưng khi dùng trong thực tế bạn phải tra datasheet và làm mắc đầy đủ nguồn thì Op-Amp mới hoạt động. Thêm vào đó , khi vẽ mạch nguyên lý thì chữ Vout và In+ và In- ở tín hiệu vào cũng sẽ bị lược bỏ.(chỉ để lại kí hiệu +/-)

Sơ đồ khối của Op-amp

‍

• Tầng nhập: khuếch đại vi sai
• Tầng trung gian: đệm / khuếch đại vi sai
• Tầng định mức DC: đặt mức DC ngõ ra
• Tầng đệm ra: khuếch đại dòng, trở kháng ra thấp, tín hiệu ra bất đối xứng.

Các loại Op-amp 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.

Nguyên lý hoạt động

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.

Trên đặc tính thể hiện rõ 3 vùng:

– Vùng khuếch đại tuyến tính: trong vùng này điện áp ngõ ra Vo tỉ lệ với tín hiệu ngõ vào theo quan hệ tuyến tính. Nếu sử dụng mạch khuếch đại điện áp vòng hở (Open Loop) thì vùng này chỉ nằm trong một khoảng rất bé.

– Vùng bão hoà dương: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở +Vcc.

– Vùng bão hoà âm: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở -Vcc.

Trong thực tế, người ta rất ít khi sử dụng Op-Amps làm việc ở trạng thái vòng hở vì tuy hệ số khuếch đại áp Av0 rất lớn nhưng tầm điện áp ngõ vào mà Op-Amps khuếch đại tuyến tính là quá bé (khoảng vài chục đến vài trăm micro Volt). Chỉ cần một tín hiệu nhiễu nhỏ hay bị trôi theo nhiệt độ cũng đủ làm điện áp ngõ ra ở ±Vcc. Do đó mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ dùng trong các mạch tạo xung, dao động. Muốn làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính người ta phải thực hiện việc phản hồi âm nhằm giảm hệ số khuếch đại vòng hở Av0 xuống một mức thích hợp. Lúc này vùng làm việc tuyến tính của Op-Amps sẽ rộng ra, Op-Amps làm việc trong chế độ này gọi là trạng thái vòng kín (Close Loop).

Đặc tính

Độ lợi vòng lặp hở: Độ lợi vòng lặp hở là độ lợi của op-amp 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.

Trở kháng đầu vào: 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 op-amp.

Trở kháng đầu ra: Op-amp 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.

Chiều rộng băng tần: Op-amp 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 op-amp, đầu ra sẽ không bằng 0 khi tắt và sẽ có một ít điện áp.

‍