Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng anh: operational amplifier), thường được gọi tắt là op- amp 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 thơng 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.
Các mạch khuếch đại thuật tốn có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều các thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa học. Các mạch khuếch đại thuật tốn thơng dụng hiện nay có giá bán rất rẻ. Các thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà khơng làm hư hỏng.
Mạch khuếch đại thuật tốn tích hợp (loại đơn và đơi) được đóng gói trong vỏ chất dẻo 2 hàng chân (dual in-line package) ("DIPs") có 8 chân ra.
Những lưu ý về mặt công suất
-Giới hạn dòng điện đầu ra — Dòng điện đầu ra phải được giới hạn. Thực ra đa số các mạch
số xác định, khoảng 25 mA đối với mạch khuếch đại thuật tốn 741 do đó có thể tự bảo vệ mạch và các mạch bên ngồi khơng bị hư hỏng.
-Giới hạn công suất tiêu tán — Một mạch khuếch đại thuật tốn là một mạch khuếch đại tuyến
tính. Do đó nó sẽ bị tiêu tán một năng lượng dưới dạng nhiệt năng, tỷ lệ với dòng điện đầu ra và hiệu số điện áp giữa điện áp nguồn và điện áp đầu ra. Nếu mạch khuếch đại tiêu tán quá nhiều năng lượng, nhiệt độ của nó có thể tăng lên trên ngưỡng an tồn. Mạch có thể bị dẫn đến sụp đổ do nhiệt ho
Bão hòa — điện áp đầu ra sẽ bị giới hạn ở trị số thấp nhất và cao nhất gần với điện áp nguồn
ni.Hiện tượng bão hịa xảy ra khi điện áp đầu ra của mạch khuếch đại đạt đến các giá trị, và thường tùy thuộc vào:
• Trong trường hợp mạch khuếch đại thuật toán sử dụng nguồn lưỡng cực, độ lợi điện áp làm cho điện áp đầu ra dương hơn trị số cao nhất hoặc âm hơn trị số thấp nhất.
• Trong trường hợp mạch khuếch đại thuật tốn sử dụng nguồn đơn cực, nếu độ lợi điện áp gây ra điện áp đầu ra dương hơn trị số cao nhất, hoặc khi điện áp ra quá thấp, gần điện thế đất hơn trị số giới hạn thấp nhất.
• Độ dốc điện áp — Đầu ra của các mạch khuếch đại có thể đạt đến mức thay đổi điện áp
cao nhất của nó. Đại lượng tốc độ thay đổi điện áp tối đa đo được thường được hiển thị theo đơn vị vôn trên mili giây. Khi đang ở trong thời điểm thay đổi này, mọi thay đổi ở đầu vào đều không ảnh hưởng đến đầu ra. Độ dốc của đầu ra mạch khuếch đại thường do các điện dung ký sinh bên trong mạch khuếch đại, đặc biệt là những mạch có hỗ trợ mạch bù tần số bên trong.
• Hàm truyền phi tuyến — Điện áp ra có thể sẽ khơng tỷ lệ chính xác vối điện áp vi sai
đầu vào. Điều này sinh ra méo dạng nếu đầu vào là một tín hiệu có dạng sóng. Ảnh hưởng của nó sẽ rất bé trong các mạch có sử dụng hồi tiếp âm.
*Ký hiệu
Ký hiệu trên mạch điện của một mạch khuếch đại thuật toán như sau: Ký hiệu của mạch khuếch đại thuật toán trên sơ đồ điện
Trong đó:
• V+: Đầu vào khơng đảo
• V−: Đầu vào đảo
• Vout: Đầu ra
• VS+: Nguồn cung cấp điện dương
• VS−: Nguồn cung cấp điện âm
Các chân cấp nguồn (VS+ and VS−) có thể được ký hiệu bằng nhiều cách khác nhau. Cho dù vậy, chúng ln có chức năng như cũ. Thông thường những chân này thường được vẽ dồn về góc trái của sơ đồ cùng với hệ thống cấp nguồn cho bản vẽ được rõ ràng. Một số sơ đồ người ta có thể giản lược lại, và khơng vẽ phần cấp nguồn này. Vị trí của đầu vào đảo và đầu vào khơng đảo có thể hốn chuyển cho nhau khi cần thiết. Nhưng chân cấp nguồn thường không được đảo ngược lại.
- 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 cịn 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 tốn 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.
*Nguồn cung cấp
Op-Amps khơng phải lúc nào cũng địi hỏi phải cung cấp một nguồn ổn áp đối xứng ±15VDC, nó có thể làm việc với một nguồn khơng đối xứng có giá trị thấp hơn (ví dụ như +12VDC và -3VDC) hay thậm chí với một nguồn đơn +12VDC. Tuy nhiên việc thay đổi về cấu trúc nguồn cung cấp cũng làm thay đổi một số tính chất ảnh hưởng đến tính đối xứng của nguồn như Op- amps sẽ khơng lấy điện áp tham chiếu (reference) là mass mà chọn như hình sau:
.
Mặc dù nguồn đơn có ưu điểm là đơn giản trong việc cung cấp nguồn cho op-amps nhưng trên thực tế rất nhiều mạch op-amps được sử dụng nguồn đôi đối xứng
*Giả sử ta khuếch đại từ 0,86V lên 5V
Với mạch điện tử thơng thường thì khoảng chuẩn hóa là từ 3V-5V. Cịn LM35 thì chuẩn hóa là 5V nên :
Hệ số khuếch đại sẽ là K= (5/ 0,86)= 5,831. Dựa vào hệ số khuếch đại ta nên chọn TD A2030. Dải nhiệt độ bài cho là ( 00C- 860C) nên :
Nhiệt độ trung bình ttb = ( tmax – tmin )/2 = ( 860 – 00 )/2= 430C