Op-Amp là gì?
Op-Amp (Operational Amplifier) là IC khuếch đại tín hiệu vi sai (differential amplifier) với 2 ngõ vào (V+ và V−) và 1 ngõ ra. Ngõ ra = A × (V+ − V−) trong đó A là gain hở mạch (open loop gain) thường 100dB = 100.000 lần. Trên thực tế, gain cực lớn này không dùng trực tiếp — luôn dùng hồi tiếp âm để tạo gain chính xác theo thiết kế.
Các thông số quan trọng của Op-Amp
- Open-loop gain (A_OL): Thường 100-140dB (100.000 đến 10 triệu lần). Không dùng trực tiếp.
- Gain-Bandwidth Product (GBW): Gain × Bandwidth = hằng số. LM741: GBW = 1MHz → ở gain 100 chỉ hoạt động đến 10kHz. TL072: GBW = 3MHz. NE5532: 10MHz. Chọn op-amp có GBW cao cho tần số cao.
- Slew Rate (SR): Tốc độ thay đổi điện áp ngõ ra tối đa (V/µs). LM741: 0.5V/µs. TL072: 13V/µs. LM318: 70V/µs. SR thấp → tín hiệu vuông bị méo thành hình thang ở tần số cao. Tần số tối đa không méo: f_max = SR / (2π × V_peak).
- Input offset voltage (V_os): Điện áp sai lệch giữa 2 ngõ vào khi ngõ ra = 0. LM741: ±2mV. Gây DC offset ở ngõ ra. Quan trọng trong mạch khuếch đại DC độ chính xác cao.
- Input bias current: Dòng tiêu thụ vào chân V+, V−. JFET op-amp (TL072): pA. Bipolar (LM741): 80nA. Dòng này gây lỗi điện áp khi đi qua điện trở ngõ vào lớn.
- Common-Mode Rejection Ratio (CMRR): Khả năng loại bỏ tín hiệu nhiễu chung ở cả 2 ngõ vào. Thường 70-120dB. CMRR cao → khuếch đại tín hiệu nhỏ trên nền nhiễu lớn tốt hơn.
Mạch khuếch đại đảo (Inverting Amplifier)
Sơ đồ: Tín hiệu vào → R_in → V− (chân inverting). Hồi tiếp: V_out → R_f → V−. V+ nối GND.
Gain: A_v = −R_f / R_in (âm = đảo pha 180°)
Ví dụ: R_in = 10kΩ, R_f = 100kΩ → A_v = −10 (khuếch đại 10 lần, đảo pha)
Trở kháng vào: R_in (vì V− ≈ virtual ground). Không thể đặt R_in quá nhỏ vì tải nguồn tín hiệu.
Mạch khuếch đại không đảo (Non-inverting Amplifier)
Sơ đồ: Tín hiệu vào → V+ (chân non-inverting). Hồi tiếp: V_out → R_f → V− → R_g → GND.
Gain: A_v = 1 + R_f / R_g (dương = cùng pha)
Ví dụ: R_f = 90kΩ, R_g = 10kΩ → A_v = 1 + 9 = 10 lần
Trở kháng vào: Rất cao (trở kháng vào của op-amp) — không tải nguồn tín hiệu. Tốt hơn inverting khi nguồn tín hiệu trở kháng cao.
Voltage Follower (Buffer)
Non-inverting với R_f = 0, R_g = ∞ → A_v = 1, không khuếch đại. Dùng để cách ly trở kháng: ngõ ra có trở kháng thấp (mA), ngõ vào trở kháng cao (MΩ). Ứng dụng: đệm tín hiệu cảm biến trở kháng cao trước khi đưa vào mạch tiếp theo.
Comparator (Mạch so sánh điện áp)
Op-Amp không hồi tiếp âm hoạt động như comparator: V_out = V_sat_high khi V+ > V−, V_out = V_sat_low khi V+ < V−. Chú ý: op-Amp thông thường chậm hơn IC comparator chuyên dụng (LM393, LM339) vì op-amp tối ưu cho hoạt động tuyến tính. Dùng LM393/LM339 cho mạch comparator thực tế — output cực thoát (open collector) cần điện trở kéo lên (pull-up).
IC Op-Amp phổ biến tại Việt Nam
| IC | GBW | Slew Rate | Số kênh | Ứng dụng |
|---|---|---|---|---|
| LM741 | 1MHz | 0.5V/µs | 1 | Cũ, học tập, tần số thấp |
| LM358 | 1MHz | 0.6V/µs | 2 | Phổ biến, nguồn đơn, rẻ |
| TL072 | 3MHz | 13V/µs | 2 | Audio, JFET input |
| NE5532 | 10MHz | 9V/µs | 2 | Audio cao cấp, noise thấp |
| LM324 | 1MHz | 0.5V/µs | 4 | 4 op-amp trong 1 IC, tiết kiệm chân |