OPAMP

OPAMP (Operational Amplifier) là một bộ khuếch đại vi sai điện áp đầu vào có hệ số khuếch đại rất lớn, thường được thiết kế để sử dụng với các mạch hồi tiếp (feedback) để điều khiển đặc tính của nó. OPAMP là một linh kiện điện tử analog rất linh hoạt và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Đặc điểm cơ bản của OPAMP lý tưởng:

• Hệ số khuếch đại điện áp (A): Vô cùng lớn (A ≈ ∞).

• Điện trở đầu vào (Rin): Vô cùng lớn (Rin ≈ ∞).

• Điện trở đầu ra (Rout): Bằng 0 (Rout ≈ 0).

• Băng thông: Vô hạn.

• Độ lệch đầu vào (Input Offset Voltage): Bằng 0.

• Dòng điện phân cực đầu vào (Input Bias Current): Bằng 0.

• Common-Mode Rejection Ratio (CMRR): Vô cùng lớn.

Cấu tạo cơ bản của OPAMP:

OPAMP thường có 5 chân cơ bản:

1. V+ (Non-inverting Input): Đầu vào không đảo. Tín hiệu vào chân này sẽ được khuếch đại và xuất ra cùng pha.

2. V- (Inverting Input): Đầu vào đảo. Tín hiệu vào chân này sẽ được khuếch đại và xuất ra ngược pha.

3. Vout (Output): Đầu ra của bộ khuếch đại.

4. VCC/V+ (Positive Power Supply): Chân cấp nguồn dương.

5. VEE/V- (Negative Power Supply): Chân cấp nguồn âm (thường là mass/GND trong các mạch single-supply).

Các chế độ hoạt động của OPAMP:

• Mạch hở (Open-Loop): Không có hồi tiếp. Trong chế độ này, OPAMP có hệ số khuếch đại rất lớn nên dễ bị bão hòa (saturate) và thường chỉ được dùng làm bộ so sánh điện áp (comparator).

• Mạch kín (Closed-Loop): Có hồi tiếp. Hồi tiếp được sử dụng để kiểm soát hệ số khuếch đại và các đặc tính khác của OPAMP. Đây là chế độ hoạt động phổ biến nhất.

Các loại mạch hồi tiếp:

• Hồi tiếp âm (Negative Feedback): Phần lớn tín hiệu đầu ra được đưa trở lại đầu vào đảo (V-). Hồi tiếp âm giúp ổn định hệ số khuếch đại, giảm méo tiếng, và cải thiện băng thông.

• Hồi tiếp dương (Positive Feedback): Phần lớn tín hiệu đầu ra được đưa trở lại đầu vào không đảo (V+). Hồi tiếp dương thường được sử dụng trong các mạch dao động và mạch Schmitt Trigger.

Các ứng dụng phổ biến của OPAMP:

• Bộ khuếch đại (Amplifiers):

  • Bộ khuếch đại đảo (Inverting Amplifier): Khuếch đại tín hiệu và đảo pha.

  • Bộ khuếch đại không đảo (Non-inverting Amplifier): Khuếch đại tín hiệu và giữ nguyên pha.

  • Bộ khuếch đại vi sai (Differential Amplifier): Khuếch đại sự khác biệt giữa hai tín hiệu đầu vào.

  • Bộ khuếch đại thuật toán (Instrumentation Amplifier): Khuếch đại vi sai có độ chính xác cao, thường được sử dụng trong các ứng dụng đo lường.

• Bộ so sánh (Comparators): So sánh hai điện áp và tạo ra tín hiệu đầu ra logic dựa trên kết quả so sánh.

• Bộ lọc (Filters):

  • Bộ lọc thông thấp (Low-Pass Filter): Cho phép các tín hiệu tần số thấp đi qua và chặn các tín hiệu tần số cao.

  • Bộ lọc thông cao (High-Pass Filter): Cho phép các tín hiệu tần số cao đi qua và chặn các tín hiệu tần số thấp.

  • Bộ lọc thông dải (Band-Pass Filter): Cho phép các tín hiệu trong một dải tần số cụ thể đi qua và chặn các tín hiệu bên ngoài dải tần số đó.

  • Bộ lọc chặn dải (Band-Stop Filter): Chặn các tín hiệu trong một dải tần số cụ thể và cho phép các tín hiệu bên ngoài dải tần số đó đi qua.

• Mạch dao động (Oscillators): Tạo ra tín hiệu dao động (ví dụ: sóng sin, sóng vuông, sóng tam giác).

• Mạch tích phân (Integrators): Thực hiện phép tích phân của tín hiệu đầu vào.

• Mạch vi phân (Differentiators): Thực hiện phép vi phân của tín hiệu đầu vào.

• Bộ chỉnh lưu (Rectifiers): Chuyển đổi tín hiệu xoay chiều (AC) thành tín hiệu một chiều (DC).

• Bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp (Current-to-Voltage Converter): Chuyển đổi dòng điện đầu vào thành điện áp đầu ra.

• Bộ chuyển đổi điện áp sang dòng điện (Voltage-to-Current Converter): Chuyển đổi điện áp đầu vào thành dòng điện đầu ra.

• Các ứng dụng khác:

  • Điều khiển động cơ.

  • Bộ điều khiển nhiệt độ.

  • Thiết bị đo lường.

  • Mạch xử lý tín hiệu âm thanh.

Ưu điểm của OPAMP:

• Tính linh hoạt: Có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau bằng cách thay đổi cấu hình mạch hồi tiếp.

• Hiệu suất cao: Có hệ số khuếch đại cao, điện trở đầu vào lớn và điện trở đầu ra nhỏ.

• Giá thành rẻ: OPAMP là một linh kiện phổ biến và có giá thành tương đối rẻ.

• Dễ sử dụng: Có thể dễ dàng tích hợp vào các mạch điện tử khác.

Nhược điểm của OPAMP:

• Không phải là lý tưởng: OPAMP thực tế có các giới hạn về hệ số khuếch đại, băng thông, độ lệch đầu vào, và dòng điện phân cực đầu vào.

• Yêu cầu nguồn điện: OPAMP cần được cấp nguồn điện để hoạt động.

• Có thể bị nhiễu: OPAMP có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ các nguồn khác.

• Giới hạn tần số: Hiệu suất của OPAMP giảm ở tần số cao.

Khi chọn OPAMP, cần xem xét các yếu tố sau:

• Điện áp cung cấp (Supply Voltage): Chọn OPAMP có điện áp cung cấp phù hợp với nguồn điện của mạch.

• Băng thông (Bandwidth): Chọn OPAMP có băng thông đủ rộng cho ứng dụng.

• Tốc độ quay (Slew Rate): Chọn OPAMP có tốc độ quay đủ nhanh cho ứng dụng.

• Độ lệch đầu vào (Input Offset Voltage): Chọn OPAMP có độ lệch đầu vào thấp nếu yêu cầu độ chính xác cao.

• Dòng điện phân cực đầu vào (Input Bias Current): Chọn OPAMP có dòng điện phân cực đầu vào thấp nếu muốn giảm thiểu ảnh hưởng đến nguồn tín hiệu.

• Độ ồn (Noise): Chọn OPAMP có độ ồn thấp nếu yêu cầu tín hiệu đầu ra sạch.

• Loại gói (Package): Chọn OPAMP có loại gói phù hợp với phương pháp lắp ráp của bạn.

LM358 (LM258) và LM393: So sánh và Ứng Dụng

Cả LM358 (LM258) và LM393 đều là những IC rất phổ biến trong điện tử, được sử dụng rộng rãi nhờ giá thành rẻ, dễ tìm và tính linh hoạt. Tuy nhiên, chúng có những đặc điểm và ứng dụng khác nhau.

1. LM358 (LM258): Bộ Khuếch Đại Thuật Toán Kép (Dual Operational Amplifier)

• Chức năng chính: Là một IC chứa hai bộ khuếch đại thuật toán (OPAMP) độc lập bên trong.

• Điện áp cung cấp: Hoạt động trong dải điện áp rộng, thường từ 3V đến 32V (single supply) hoặc ±1.5V đến ±16V (dual supply).

• Đặc điểm nổi bật:

  • Hoạt động single-supply: Có thể hoạt động với một nguồn điện duy nhất (single supply), tức là không cần nguồn âm. Điều này rất hữu ích trong các ứng dụng di động hoặc pin.

  • Điện áp Common-mode đầu vào rộng: Điện áp common-mode đầu vào (dải điện áp mà cả hai đầu vào có thể hoạt động chính xác) có thể xuống đến 0V, cho phép khuếch đại các tín hiệu gần đất.

  • Ứng dụng:

    • Bộ khuếch đại: Khuếch đại tín hiệu âm thanh, tín hiệu cảm biến, v.v. Có thể cấu hình thành bộ khuếch đại đảo, không đảo, vi sai.

    • Bộ lọc: Tạo các bộ lọc thông thấp, thông cao, thông dải.

    • Mạch tạo sóng: Dao động tử (oscillators) sử dụng hồi tiếp dương và mạch RC.

    • Mạch chỉnh lưu chính xác: Sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao hơn so với diode thông thường.

2. LM393: Bộ So Sánh Điện Áp Kép (Dual Voltage Comparator)

• Chức năng chính: Là một IC chứa hai bộ so sánh điện áp (comparator) độc lập bên trong.

• Điện áp cung cấp: Tương tự LM358, hoạt động trong dải điện áp rộng, thường từ 2V đến 36V (single supply) hoặc ±1V đến ±18V (dual supply).

• Đặc điểm nổi bật:

  • Chuyên dụng cho so sánh: Được thiết kế đặc biệt để so sánh hai điện áp đầu vào.

  • Thời gian đáp ứng nhanh: Chuyển đổi trạng thái đầu ra nhanh chóng khi điện áp đầu vào vượt qua ngưỡng.

  • Đầu ra dạng open-collector: Đầu ra là open-collector (hoặc open-drain), có nghĩa là bạn cần một điện trở kéo lên (pull-up resistor) để xác định mức logic cao khi đầu ra không được kích hoạt. Điều này cho phép kết nối với các mạch logic khác nhau.

  • Ứng dụng:

    • Bộ so sánh điện áp: So sánh điện áp từ cảm biến, mạch điều khiển, v.v.

    • Bộ phát hiện mức điện áp: Phát hiện khi điện áp vượt quá hoặc xuống dưới một ngưỡng nhất định.

    • Mạch bảo vệ quá áp/dưới áp: Ngắt mạch khi điện áp vượt quá giới hạn an toàn.

    • Mạch chuyển đổi analog-to-digital (ADC) đơn giản: Sử dụng nhiều bộ so sánh để chia điện áp thành các mức khác nhau.

    • Mạch phát hiện ánh sáng: Sử dụng quang trở (LDR) và so sánh điện áp để phát hiện mức độ ánh sáng.

So sánh trực tiếp:

Khi nào nên sử dụng LM358?

• Bạn cần khuếch đại tín hiệu (điện áp hoặc dòng điện).

• Bạn cần tạo một bộ lọc.

• Bạn cần tạo một mạch tạo sóng.

• Bạn cần hoạt động với một nguồn điện duy nhất.

Khi nào nên sử dụng LM393?

• Bạn cần so sánh hai điện áp.

• Bạn cần phát hiện khi một điện áp vượt quá một ngưỡng nhất định.

• Bạn cần một đầu ra digital (logic) nhanh chóng.

• Bạn cần giao tiếp với các mạch logic khác nhau với các mức điện áp khác nhau.