Trong các thiết bị điện tử, việc khuếch đại tín hiệu là một yêu cầu thiết yếu. Có thể sử dụng Transistor hoặc khuếch đại thuật toán để thực hiện chức năng này. Tuy nhiên, khuếch đại thuật toán mang lại độ chính xác cao hơn so với mạch khuếch đại sử dụng Transistor, đồng thời dễ dàng thiết kế các mạch tính toán phức tạp.

I. Lý thuyết trọng tâm

1. Giới thiệu chung về khuếch đại thuật toán

a) Khái niệm

Khuếch đại thuật toán (viết tắt: Op-Amp – Operational Amplifier) là một loại mạch tích hợp (IC) được thiết kế với các đặc điểm:

• Có hai lối vào (đầu vào)
• Có một lối ra (đầu ra)
• Có hệ số khuếch đại rất lớn

Lưu ý: Bên trong một IC khuếch đại thuật toán có thể chứa một hoặc nhiều bộ khuếch đại thuật toán. Ví dụ điển hình:

• IC LM741: Chứa 1 bộ khuếch đại thuật toán
• IC LM324: Chứa 4 bộ khuếch đại thuật toán

b) Ký hiệu khuếch đại thuật toán

Khuếch đại thuật toán được biểu diễn bằng hai dạng ký hiệu:

Ký hiệu đầy đủ (5 chân):

Ký hiệu rút gọn (3 chân):

Trong các sơ đồ mạch nguyên lý, thường sử dụng ký hiệu rút gọn chỉ với 3 chân chính: lối vào đảo (1), lối vào không đảo (2) và lối ra (3). Các chân nguồn được ngầm hiểu là đã được kết nối.

Sơ đồ chân IC thực tế:

c) Nguyên lý làm việc

Khuếch đại thuật toán hoạt động dựa trên nguyên tắc: khuếch đại hiệu số điện áp giữa hai lối vào.

Cách thức hoạt động:

• Lấy điện áp tại lối vào không đảo ($U_2$) trừ đi điện áp tại lối vào đảo ($U_1$)
• Nhân kết quả với hệ số khuếch đại A
• Đưa kết quả ra lối ra ($U_3$)

Công thức nguyên lý:

$$U_3 = A \times (U_2 – U_1)$$

Trong đó:

• $U_1$: Điện áp đặt vào lối vào đảo (V)
• $U_2$: Điện áp đặt vào lối vào không đảo (V)
• $U_3$: Điện áp tại lối ra (V)
• $A$: Hệ số khuếch đại vòng hở của Op-Amp

Đặc điểm quan trọng: Hệ số khuếch đại A của khuếch đại thuật toán có giá trị rất lớn, có thể đạt tới $10^6$ (một triệu lần).

2. Ứng dụng cơ bản của khuếch đại thuật toán

Nhờ khả năng kết hợp linh hoạt với các linh kiện điện tử khác (điện trở, tụ điện…), khuếch đại thuật toán tạo nên nhiều mạch ứng dụng đa dạng. Các mạch dưới đây đều giả thiết hệ số khuếch đại A tiến tới vô cùng lớn.

a) Mạch khuếch đại đảo

Cấu trúc mạch:

• Tín hiệu cần khuếch đại ($U_{vào}$) được đưa vào chân đảo thông qua điện trở $R_1$
• Điện trở hồi tiếp $R_2$ nối từ lối ra về lối vào đảo
• Chân không đảo được nối đất

Đặc tính hoạt động:

• Tín hiệu đầu ra có biên độ lớn hơn tín hiệu đầu vào
• Tín hiệu đầu ra ngược pha 180° so với tín hiệu đầu vào (khi đầu vào dương thì đầu ra âm và ngược lại)

Các công thức tính toán:

$$U_{ra} = -\dfrac{R_2}{R_1} \times U_{vào} \quad (19.1)$$

$$G = \dfrac{R_2}{R_1} \quad (19.2)$$

Giải thích:

• Dấu âm (-) trong công thức (19.1) biểu thị sự đảo pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào
• G là hệ số khuếch đại của mạch, được quyết định bởi tỉ số hai điện trở

b) Mạch khuếch đại không đảo

Cấu trúc mạch:

• Tín hiệu cần khuếch đại ($U_{vào}$) được đưa trực tiếp vào chân không đảo
• Điện trở $R_1$ nối từ chân đảo xuống đất
• Điện trở hồi tiếp $R_2$ nối từ lối ra về chân đảo

Đặc tính hoạt động:

• Khác với mạch khuếch đại đảo, mạch này cho tín hiệu đầu ra cùng pha với tín hiệu đầu vào
• Biên độ đầu ra vẫn lớn hơn biên độ đầu vào

Các công thức tính toán:

$$U_{ra} = \left(1 + \dfrac{R_2}{R_1}\right) \times U_{vào} \quad (19.3)$$

$$G = 1 + \dfrac{R_2}{R_1} \quad (19.4)$$

Nhận xét: Hệ số khuếch đại của mạch không đảo luôn lớn hơn 1 và lớn hơn hệ số khuếch đại của mạch đảo (với cùng giá trị $R_1$, $R_2$) một đơn vị.

c) Mạch cộng đảo

Cấu trúc mạch:

• Hai tín hiệu đầu vào $U_{vào1}$ và $U_{vào2}$ được đưa vào chân đảo thông qua hai điện trở riêng biệt $R_1$ và $R_2$
• Điện trở hồi tiếp $R_f$ nối từ lối ra về chân đảo

Đặc tính hoạt động:

• Mạch thực hiện phép cộng có trọng số của hai tín hiệu đầu vào
• Mỗi tín hiệu được nhân với một hệ số (trọng số) riêng trước khi cộng lại
• Trọng số của mỗi tín hiệu bằng tỉ số $R_f$ chia cho điện trở tương ứng

Công thức tính toán:

$$U_{ra} = -\left(\dfrac{R_f}{R_1} \times U_{vào1} + \dfrac{R_f}{R_2} \times U_{vào2}\right) \quad (19.5)$$

Ứng dụng: Mạch cộng đảo được sử dụng trong các bộ trộn tín hiệu âm thanh (audio mixer), cho phép kết hợp nhiều nguồn âm thanh với mức độ khác nhau.

d) Mạch cộng không đảo

Cấu trúc mạch:

• Hai tín hiệu đầu vào $U_{vào1}$ và $U_{vào2}$ được đưa vào chân không đảo thông qua mạng điện trở
• Có thêm điện trở hồi tiếp $R_f$ và $R_g$

Đặc tính hoạt động:

• Tương tự mạch cộng đảo nhưng tín hiệu ra cùng pha với tổ hợp tín hiệu vào
• Trọng số của mỗi tín hiệu được xác định bởi cấu hình các điện trở trong mạch

Công thức tính toán:

$$U_{ra} = \left(1 + \dfrac{R_f}{R_g}\right) \times \left(\dfrac{R_2}{R_1 + R_2} \times U_{vào1} + \dfrac{R_1}{R_1 + R_2} \times U_{vào2}\right) \quad (19.6)$$

e) Mạch trừ

Cấu trúc mạch:

• Tín hiệu $U_{vào1}$ đưa vào chân đảo thông qua điện trở $R_1$
• Tín hiệu $U_{vào2}$ đưa vào chân không đảo thông qua điện trở $R_3$
• Có các điện trở hồi tiếp $R_2$ và $R_4$

Đặc tính hoạt động:

• Mạch thực hiện phép trừ: lấy tín hiệu tại chân không đảo trừ đi tín hiệu tại chân đảo
• Kết quả được nhân với các hệ số phụ thuộc vào giá trị điện trở

Công thức tính toán:

$$U_{ra} = \left(\dfrac{R_4}{R_3 + R_4}\right) \times \left(1 + \dfrac{R_2}{R_1}\right) \times U_{vào2} – \dfrac{R_2}{R_1} \times U_{vào1} \quad (19.7)$$

Ứng dụng: Mạch trừ được sử dụng trong các bộ so sánh tín hiệu, mạch đo lường vi sai, khử nhiễu…

f) Mạch so sánh

Chức năng:

• So sánh hai mức điện áp đầu vào
• Đầu ra chỉ có hai trạng thái: xấp xỉ nguồn dương ($+U_{CC}$) hoặc xấp xỉ nguồn âm ($-U_{CC}$)

Mạch so sánh đảo:

• Tín hiệu cần so sánh $U_{vào}$ đưa vào chân đảo
• Điện áp ngưỡng $U_{ngưỡng}$ đưa vào chân không đảo

Mạch so sánh không đảo:

• Tín hiệu cần so sánh $U_{vào}$ đưa vào chân không đảo
• Điện áp ngưỡng $U_{ngưỡng}$ đưa vào chân đảo

Ứng dụng: Mạch so sánh được dùng trong các bộ phát hiện mức, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số, mạch điều khiển tự động…

II. Bảng tổng hợp công thức các mạch ứng dụng

III. Các dạng bài tập thường gặp

Dạng 1: Nhận biết ký hiệu và các chân của khuếch đại thuật toán

Phương pháp giải:

Quan sát sơ đồ và xác định:

• Chân có dấu (-): Lối vào đảo
• Chân có dấu (+): Lối vào không đảo
• Chân còn lại (đỉnh tam giác): Lối ra

Ví dụ: Quan sát Hình 19.2 SGK, cho biết chức năng của từng chân trong ký hiệu khuếch đại thuật toán.

Giải:

• Chân 1: Lối vào đảo – tín hiệu vào đây sẽ bị đảo pha ở lối ra
• Chân 2: Lối vào không đảo – tín hiệu vào đây giữ nguyên pha ở lối ra
• Chân 3: Lối ra
• Chân 4: Nguồn dương (+Vcc)
• Chân 5: Nguồn âm (-Vcc)

Dạng 2: Tính hệ số khuếch đại và điện áp ra của mạch khuếch đại đảo

Phương pháp giải:

Bước 1: Xác định giá trị $R_1$ và $R_2$

Bước 2: Tính hệ số khuếch đại: $G = \dfrac{R_2}{R_1}$

Bước 3: Tính điện áp ra: $U_{ra} = -\dfrac{R_2}{R_1} \times U_{vào}$

Lưu ý: Dấu âm cho biết tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào

Ví dụ: Mạch khuếch đại đảo có $R_1 = 10k\Omega$, $R_2 = 50k\Omega$, điện áp vào $U_{vào} = 0,2V$. Tính hệ số khuếch đại và điện áp ra.

Giải:

Hệ số khuếch đại: $$G = \dfrac{R_2}{R_1} = \dfrac{50}{10} = 5$$

Điện áp ra: $$U_{ra} = -\dfrac{R_2}{R_1} \times U_{vào} = -5 \times 0,2 = -1V$$

Vậy hệ số khuếch đại G = 5, điện áp ra $U_{ra} = -1V$ (ngược pha với tín hiệu vào).

Dạng 3: Tính hệ số khuếch đại và điện áp ra của mạch khuếch đại không đảo

Phương pháp giải:

Bước 1: Xác định giá trị $R_1$ và $R_2$

Bước 2: Tính hệ số khuếch đại: $G = 1 + \dfrac{R_2}{R_1}$

Bước 3: Tính điện áp ra: $U_{ra} = \left(1 + \dfrac{R_2}{R_1}\right) \times U_{vào}$

Ví dụ: Mạch khuếch đại không đảo có $R_1 = 10k\Omega$, $R_2 = 50k\Omega$, điện áp vào $U_{vào} = 0,2V$. Tính hệ số khuếch đại và điện áp ra.

Giải:

Hệ số khuếch đại: $$G = 1 + \dfrac{R_2}{R_1} = 1 + \dfrac{50}{10} = 1 + 5 = 6$$

Điện áp ra: $$U_{ra} = 6 \times 0,2 = 1,2V$$

Vậy hệ số khuếch đại G = 6, điện áp ra $U_{ra} = 1,2V$ (cùng pha với tín hiệu vào).

Nhận xét: So với mạch đảo (cùng giá trị điện trở), hệ số khuếch đại của mạch không đảo lớn hơn 1 đơn vị.

Dạng 4: Tính điện áp ra của mạch cộng đảo

Phương pháp giải:

Áp dụng công thức: $$U_{ra} = -\left(\dfrac{R_f}{R_1} \times U_{vào1} + \dfrac{R_f}{R_2} \times U_{vào2}\right)$$

Ví dụ: Mạch cộng đảo có $R_f = 20k\Omega$, $R_1 = 10k\Omega$, $R_2 = 20k\Omega$, $U_{vào1} = 1V$, $U_{vào2} = 2V$. Tính điện áp ra.

Giải:

$$U_{ra} = -\left(\dfrac{20}{10} \times 1 + \dfrac{20}{20} \times 2\right)$$

$$U_{ra} = -(2 \times 1 + 1 \times 2) = -(2 + 2) = -4V$$

Vậy điện áp ra $U_{ra} = -4V$.

Dạng 5: Xác định điện áp ra của mạch so sánh

Phương pháp giải:

Bước 1: Xác định loại mạch so sánh (đảo hay không đảo)

Bước 2: So sánh $U_{vào}$ với $U_{ngưỡng}$

Bước 3: Áp dụng quy tắc:

Ví dụ: Mạch so sánh không đảo có $U_{CC} = 12V$, $U_{ngưỡng} = 5V$. Xác định điện áp ra khi $U_{vào} = 7V$.

Giải:

Đây là mạch so sánh không đảo.

So sánh: $U_{vào} = 7V > U_{ngưỡng} = 5V$

Theo quy tắc: $U_{ra} \approx +U_{CC} = +12V$

Vậy điện áp ra $U_{ra} \approx 12V$.

ThS. Hồ Thị Thư

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Công Nghệ THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Công nghệ, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Hoàng Hoa Thám