Trong hầu hết các thiết kế mạch, bộ khuếch đại thuật toán (OP-amp) là một trong những linh kiện được sử dụng phổ biến nhất. OP-amp, hay bộ khuếch đại thuật toán, là các thiết bị tuyến tính có đặc tính quan trọng là khuếch đại tín hiệu DC. Chúng được sử dụng rộng rãi trong việc điều chỉnh tín hiệu, lọc tín hiệu và các phép toán học như cộng, trừ, tích phân và đạo hàm. Các mạch phổ biến sử dụng bộ khuếch đại thuật toán bao gồm mạch đệm, mạch khuếch đại, mạch tiền khuếch đại và mạch cân bằng.

Khi thiết kế mạch sử dụng bộ khuếch đại thuật toán (OP-amp), việc làm quen với các đặc tính của chúng là rất cần thiết. Hiểu rõ các đặc tính này giúp bạn nắm bắt và lựa chọn đúng các linh kiện. Để hỗ trợ các nhà thiết kế mạch và những người đam mê điện tử, các quy tắc thiết kế mạch OP-amp dựa trên đặc tính của chúng đã được phát triển. Những quy tắc này thường được gọi là "quy tắc vàng".

Đây là những nguyên tắc vàng của mạch khuếch đại thuật toán:

1) Độ lợi vòng hở vô hạn.

Hệ số khuếch đại vòng hở là hệ số khuếch đại của op-amp khi không có tín hiệu phản hồi dương hoặc âm. Thông thường, hệ số khuếch đại vòng hở của op-amp là vô hạn, nhưng giá trị thực tế thường nằm trong khoảng từ 20.000 đến 200.000.

Trong hầu hết các trường hợp, đặc tính khuếch đại vòng hở của op-amp không được xem xét trong thiết kế mạch. Tuy nhiên, khi làm việc với các mạch có độ chính xác cao, khía cạnh này cần được chú ý hơn. Khuếch đại vòng hở ảnh hưởng đến độ chính xác DC và dung sai khuếch đại trong mạch của bạn. Khuếch đại vòng hở cũng ảnh hưởng đến băng thông đầu ra của tín hiệu khuếch đại.

Nguyên tắc chung là: hệ số khuếch đại vòng hở càng cao thì hiệu suất của mạch càng tốt.

2) Không có dòng điện chạy qua bất kỳ đầu vào nào.

Trở kháng đầu vào của op-amp là tỷ lệ giữa điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào, và được giả định là vô hạn. Do trở kháng đầu vào rất cao này, bất kỳ dòng điện nào từ nguồn cung cấp đều bị ngăn không cho đi vào mạch đầu vào của bộ khuếch đại. Mặc dù lý tưởng là trở kháng đầu vào của op-amp được giả định là vô hạn và không có dòng điện nào chảy bên trong, nhưng các op-amp thực tế có dòng rò rỉ từ vài picoampere đến vài miliampe.

Như bạn có thể nhận thấy trong bài học về op-amp, tính năng này được sử dụng để tìm công thức tính độ khuếch đại cho các cấu hình op-amp khác nhau.

3) Hiệu điện thế giữa hai chân đầu vào bằng không.

Phản hồi âm là quá trình kết nối tín hiệu đầu ra trở lại theo cách triệt tiêu một phần tín hiệu đầu vào. Ngược lại, các bộ khuếch đại của chúng tôi cũng cải thiện các đặc tính như tính tuyến tính, độ mượt mà của đáp ứng và khả năng dự đoán.

Khi thêm phản hồi âm vào op-amp, các đầu vào trở nên giống hệt nhau. Điều này có nghĩa là bất kỳ điện áp nào có mặt trên đầu vào không đảo pha cũng sẽ có mặt trên đầu vào đảo pha.

Trong ví dụ về cấu hình op-amp đảo ngược bên dưới, ta thấy rằng đầu vào không đảo ngược được nối đất. Đầu vào không đảo ngược được đặt ở mức 0V, điều này có nghĩa là đầu vào đảo ngược cũng ở mức 0V.

Một ví dụ khác là cấu hình một op-amp không đảo với điện áp phân cực được đặt vào đầu vào không đảo. Mạch không đảo được phân cực bởi một mạch chia điện áp, với đầu vào không đảo được phân cực ở mức một nửa VCC. Điều này có nghĩa là điện áp tại đầu vào đảo cũng bằng một nửa VCC.

Đặc tính này của op-amp có thể được ứng dụng thực tế để kiểm tra xem op-amp có hoạt động chính xác hay bị lỗi. Bạn có thể xây dựng một mạch đệm nguồn đơn sử dụng op-amp cần kiểm tra. Vì đây là mạch nguồn đơn, nên cần tạo ra một điểm nối đất ảo, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng bộ chia điện áp tại đầu vào không đảo của op-amp (xem sơ đồ bên dưới). Sau khi xây dựng mạch, hãy đo mức điện áp tại cả hai đầu vào của op-amp. Chúng phải có giá trị bằng nhau hoặc rất gần nhau. Trong trường hợp này, mức điện áp đầu vào phải gần 4,5V. Nếu điện áp đầu vào không gần nhau, op-amp có thể bị lỗi hoặc hư hỏng, hoặc mạch có thể được thiết kế không chính xác, vì vậy bạn có thể cần kiểm tra lại.

Tóm lại, đây là "quy tắc vàng" của op-amp:

1. Về lý thuyết, op-amp có độ khuếch đại vòng hở vô hạn, nghĩa là bất kỳ hiệu điện thế nào giữa hai đầu vào đều sẽ tạo ra điện áp đầu ra vô hạn. Tuy nhiên, trong các op-amp thực tế, điện áp đầu ra bị giới hạn bởi điện áp nguồn. Vì điện áp đầu ra không thể vô hạn, nên độ khuếch đại cũng không thể vô hạn.
2. Không có dòng điện nào chạy qua cả hai đầu vào của op-amp, điều này có nghĩa là op-amp không tải nguồn điện và do đó không ảnh hưởng đến điện áp đầu vào.
3. Trong các mạch có phản hồi âm, hiệu điện thế giữa đầu vào đảo và đầu vào không đảo bằng không. Việc thêm phản hồi âm vào mạch khuếch đại thuật toán giúp duy trì các đặc tính của op-amp. Hơn nữa, khi sử dụng phản hồi âm, độ khuếch đại của op-amp được điều khiển và tính toán.

Giờ đây, khi đã nắm vững những kiến ​​thức này, bạn sẽ có thể trở thành một nhà thiết kế mạch giỏi hơn khi sử dụng op-amp và giải quyết các vấn đề về mạch liên quan đến op-amp hiệu quả hơn.