Op-amp có thể coi như "bóng đèn" trong thế giới ampli thể rắn (solid-state). Với mức giá dao động từ 100.000 đồng đến 2 triệu đồng, những "con chip" nhỏ này có thể giúp bạn tận dụng tối đa tiềm năng của chiếc ampli yêu thích. Là bộ phận chịu trách nhiệm khuếch đại tín hiệu trong âm-li, op-amp ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng âm thanh. Chính vì vậy, các mẫu op-amp trên thị trường rất đa dạng với nhiều mức giá khác nhau. Các mẫu giá thấp có thể kể đến như NJM2068, hoặc những op-amp thường thấy trong các ampli Trung Quốc, với mã bắt đầu bằng "CHN". Ở phía đối diện, những mẫu op-amp cao cấp lại có giá lên tới mức cao hơn cả một số ampli của Fiio hay iBasso, chẳng hạn như Burson V5 SS (70 USD, khoảng 1,6 triệu đồng) hay Sparko (80 USD, xấp xỉ 1,8 triệu đồng).

Định nghĩa

Op-amp (viết tắt của operational amplifier, hay khuếch đại thuật toán) là một mạch khuếch đại có đặc điểm “DC-coupled” (bao gồm cả tín hiệu BIAS ở đầu vào), với hệ số khuếch đại rất cao, đầu vào vi sai và đầu ra đơn. Trong các ứng dụng phổ biến, đầu ra của op-amp được điều khiển qua một mạch hồi tiếp âm, từ đó có thể kiểm soát độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra.

Về cơ bản, op-amp là một thiết bị khuếch đại điện áp, được thiết kế để hoạt động với các linh kiện phản hồi bên ngoài như điện trở và tụ điện, được kết nối giữa các đầu vào và đầu ra của nó. Các linh kiện phản hồi này quyết định chức năng của bộ khuếch đại, hay còn gọi là “thuật toán”, và nhờ vào các cấu hình phản hồi khác nhau (bao gồm điện trở, tụ điện hoặc cả hai), op-amp có thể thực hiện nhiều chức năng khác nhau, tạo nên tên gọi khuếch đại thuật toán.

Op-amp có nhiều ưu điểm, bao gồm:

• Hai ngõ vào đảo và không đảo giúp op-amp khuếch đại tín hiệu một cách hiệu quả.
• Ngõ ra của op-amp có nhiệm vụ khuếch đại sự sai biệt giữa hai tín hiệu đầu vào, do đó op-amp có khả năng khuếch đại tín hiệu ở tần số thấp.
• Hệ số khuếch đại lớn giúp op-amp có thể khuếch đại tín hiệu với biên độ rất nhỏ, chỉ vài chục microVolt.
• Op-amp có thể làm việc hiệu quả với nhiều loại tín hiệu đầu vào khác nhau.

Cấu tạo

Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), có nhiệm vụ khuếch đại sự sai lệch tín hiệu giữa hai đầu vào v+ và v–. Tầng này có nhiều ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như độ miễn nhiễu cao, khả năng khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm và tổng trở ngõ vào lớn.

Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai nối tiếp nhau, tạo thành một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn. Mục tiêu của tầng này là tăng độ nhạy cho Op-Amps. Bên cạnh đó, tầng này còn có chức năng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC cho ngõ ra.

Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, nhằm tăng cường dòng điện cung cấp ra tải và giảm tổng trở ngõ ra, giúp Op-Amps có thể phối hợp tốt với nhiều dạng tải khác nhau.

Mặc dù Op-Amps thực tế có một số khác biệt so với Op-Amps lý tưởng, nhưng trong tính toán và lý thuyết, người ta thường làm việc với Op-Amps lý tưởng. Sau đó, các biện pháp bổ sung (bù) được áp dụng để làm cho Op-Amps thực tế gần giống với lý tưởng. Vì vậy, trong phần trình bày này, có thể hiểu Op-Amps nói chung là Op-Amps lý tưởng, và các điều chỉnh sẽ được thực hiện sau.

Một Op-Amp thông thường sẽ bao gồm:

• 2 chân nguồn (thường được ghi là V+ và V- hoặc VCC và VEE trong datasheet).
• 2 chân đầu vào, bao gồm một đầu vào dương (Vin+) và một đầu vào âm (Vin-), được ghi là Vin+ và Vin- trong datasheet.
• 1 chân đầu ra để đưa tín hiệu đã khuếch đại ra ngoài, thường được ký hiệu là Vout hoặc Vo.

Chú ý: Trong các sách và hướng dẫn, nguồn Vin+ và Vin- thường được lược bỏ. Tuy nhiên, khi thiết kế mạch thực tế, bạn cần tham khảo datasheet và kết nối đầy đủ nguồn để Op-Amp hoạt động chính xác. Ngoài ra, khi vẽ sơ đồ nguyên lý, các ký hiệu Vout, Vin+ và Vin- cũng có thể bị lược bỏ, chỉ giữ lại ký hiệu +/- cho tín hiệu vào.

Sơ đồ khối

• 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 Opamp 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, tín hiệu đầu ra VoutV_{out}Vout​ có thể được xác định theo các cách đưa tín hiệu đầu vào như sau:

• Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass:

Vout = Av0.V+

Trong trường hợp này, tín hiệu vào được đưa vào ngõ vào đảo, và ngõ vào không đảo nối với mass.

• Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo, ngõ vào đảo nối mass:

Vout = Av0.V–

Khi tín hiệu vào được đưa vào ngõ vào không đảo, và ngõ vào đảo nối với mass.

• Đưa tín hiệu vào đồng thời trên cả hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với mass):

Vout = Av0.(V+-V–) = Av0.(ΔVin)

Để dễ dàng khảo sát và tổng hợp, ta sẽ xét trường hợp tín hiệu vào vi sai so với mass, tức là chỉ cần nối một trong hai ngõ vào với mass. Khi đó, hai trường hợp còn lại sẽ được hình thành dựa trên cách thức kết nối của ngõ vào. Op-Amps sẽ có đặc tính truyền đạt như mô tả trong các công thức trên.

Đặc tính của Op-Amps thể hiện rõ 3 vùng hoạt động chính:

• Vùng khuếch đại tuyến tính: Trong vùng này, điện áp ngõ ra VoV_oVo​ tỉ lệ với tín hiệu ngõ vào theo một quan hệ tuyến tính. Tuy nhiên, trong mạch khuếch đại điện áp vòng hở (Open Loop), vùng này chỉ chiếm một khoảng rất nhỏ. Vì vậy, Op-Amps chỉ khuếch đại tín hiệu một cách chính xác trong một phạm vi tín hiệu rất hẹp, thường chỉ từ vài chục đến vài trăm microVolt.
• Vùng bão hòa dương: Ở vùng này, bất kể tín hiệu ngõ vào là gì, ngõ ra của Op-Amp luôn duy trì ở mức dương cực đại +Vcc+V_{cc}+Vcc​.
• Vùng bão hòa âm: Tương tự, trong vùng này, ngõ ra của Op-Amp luôn duy trì ở mức âm cực đại −Vcc-V_{cc}−Vcc​, bất kể tín hiệu ngõ vào.

Trong thực tế, mạch Op-Amp hiếm khi hoạt động ở chế độ vòng hở, dù hệ số khuếch đại Av0A_{v0}Av0​ rất lớn. Tuy nhiên, tầm điện áp ngõ vào mà Op-Amp có thể khuếch đại tuyến tính là rất nhỏ, chỉ trong khoảng vài chục đến vài trăm microVolt. Vì vậy, bất kỳ tín hiệu nhiễu nhỏ hay sự thay đổi nhiệt độ cũng có thể khiến điện áp ngõ ra đạt mức cực đại ±Vcc\pm V_{cc}±Vcc​, gây ra hiện tượng bão hòa.

Do đó, mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng tạo xung hoặc dao động. Để đảm bảo Op-Amp làm việc trong chế độ khuếch đại tuyến tính, người ta sẽ thực hiện phản hồi âm, giúp giảm hệ số khuếch đại vòng hở Av0A_{v0}Av0​ xuống mức phù hợp. Khi đó, vùng làm việc tuyến tính của Op-Amp sẽ mở rộng hơn, và Op-Amp sẽ hoạt động trong chế độ vòng kín (Closed Loop).

Đặc tính

Độ lợi vòng lặp hở: Độ lợi vòng lặp hở của op-amp là hệ số khuếch đại khi không có phản hồi dương hoặc âm. Trong trường hợp op-amp lý tưởng, độ lợi vòng lặp hở sẽ là vô hạn. Tuy nhiên, đối với các op-amp thực tế, độ lợi này thường nằm trong khoảng từ 20.000 đến 200.000.

Trở kháng đầu vào: Trở kháng đầu vào của op-amp là tỷ số giữa điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào. Giá trị lý tưởng của trở kháng đầu vào là vô hạn, điều này có nghĩa là không có dòng điện nào rò rỉ từ nguồn cấp vào các đầu vào. Tuy nhiên, trong thực tế, hầu hết op-amp sẽ có một chút dòng điện rò rỉ, thường chỉ khoảng vài picoampe.

Trở kháng đầu ra: Op-amp lý tưởng có trở kháng đầu ra bằng không, điều này giúp nó có thể cung cấp dòng điện đầy đủ cho tải mà không gặp phải trở ngại từ nội trở. Tuy nhiên, trong thực tế, op-amp sẽ có một trở kháng đầu ra nhất định, mặc dù giá trị này thường rất nhỏ.

Chiều rộng băng tần: Op-amp lý tưởng có đáp ứng tần số vô hạn, cho phép khuếch đại tín hiệu ở bất kỳ tần số nào, từ tín hiệu DC đến các tín hiệu AC có tần số cao nhất. Tuy nhiên, hầu hết các op-amp thực tế có băng thông bị hạn chế, tức là chúng chỉ có thể khuếch đại tín hiệu trong một phạm vi tần số nhất định.

Giá trị bù: Khi chênh lệch điện áp giữa hai đầu vào của op-amp bằng không, đầu ra lý tưởng của op-amp phải bằng không. Tuy nhiên, trong thực tế, nhiều op-amp sẽ có một ít điện áp ở đầu ra ngay cả khi không có sự khác biệt giữa các điện áp đầu vào. Đây được gọi là giá trị bù, và nó có thể là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong ứng dụng op-amp thực tế.

‍