Опционален усилвател или операционен усилвател

Операционен усилвател или оп-усилвател е DC свързан усилвател на напрежението с много висок коефициент на усилване.

Оп-усилвателят е основно многостепенен усилвател, в който няколко усилвателни стадия са свързани помежду си по много сложен начин. Неговата вътрешна схема се състои от много транзистори, полеви транзистори и резистори. Всичко това заема много малко пространство.
Затова е упакован в малка опаковка и е наличен във формата на Интегрирана схема (IC). Терминът Op Amp се използва за означаване на усилвател, който може да бъде конфигуриран да извършва различни операции като усилване, изваждане, диференциране, събиране, интегриране и т.н. Пример за това е много популярния IC 741.

Символът и неговият реален вид във формата на IC са показани по-долу. Символът изглежда като стрела, което означава, че сигналът протича от изход към вход.

Входни и изходни терминали на операционния усилвател

Оп-усилвателят има два входни терминала и един изходен терминал. Оп-усилвателят има също два терминала за напрежение, както е показано по-горе. Двата входни терминала формират диференциалния вход. Наричаме терминала, маркиран с отрицателен (-) знак, като инвертиращ терминал, а терминала, маркиран с положителен (+) знак, като неинвертиращ терминал на операционния усилвател. Ако приложим входен сигнал на инвертиращия терминал (-), то усиленият изходен сигнал ще бъде с фазово преместване от 180o спрямо приложения входен сигнал. Ако приложим входен сигнал на неинвертиращия терминал (+), то получените изходни сигнали ще бъдат в фаза, т.е. няма да има фазово преместване спрямо входния сигнал.

Питане на операционния усилвател

Както се вижда от символа на схемата, има два входни терминала за питане +VCC и –VCC. За работата на оп-усилвателя е необходимо двополярно DC питане. В двополярното питане свързваме +VCC към положителното DC питане, а –VCC терминала към отрицателното DC питане. Малко оп-усилватели обаче могат да работят и с еднополярно питане. Забележете, че няма общ терминал за маса в оп-усилвателите, затова масата трябва да бъде установена външно.

Принцип на работа на оп-усилвателя

Отворена петлова операция на операционния усилвател

Както беше казано, оп-усилвателят има диференциален вход и единичен изход. Така, ако приложим два сигнала, един на инвертиращия и друг на неинвертиращия терминал, идеален оп-усилвател ще усилва разликата между двата приложени входни сигнала. Наричаме тази разлика между двата входни сигнала като диференциално входно напрежение. Уравнението по-долу дава изхода на операционния усилвател.Където, VOUT е напрежението на изходния терминал на оп-усилвателя. AOL е отворената петлова усилвателна способност за дадения оп-усилвател и е постоянна (идеално). За IC 741 AOL е 2 x 105.
V1 е напрежението на неинвертиращия терминал.
V2 е напрежението на инвертиращия терминал.
(V1 – V2) е диференциалното входно напрежение.
Е ясно от горното уравнение, че изходът ще бъде различен от нула само ако диференциалното входно напрежение е различно от нула (V1 и V2 не са равни), и ще бъде нула, ако V1 и V2 са равни. Забележете, че това е идеално състояние, практически има малки несъответствия в оп-усилвателя. Отворената петлова усилвателна способност на оп-усилвателя е много висока. Затова отворената петлова операция на операционния усилвател усилва малкото приложено диференциално входно напрежение до огромна стойност.
Също така, е вярно, че ако приложим малко диференциално входно напрежение, операционният усилвател го усилва до значителна стойност, но тази значителна стойност на изхода не може да надхвърли напрежението на питане на оп-усилвателя. Затова не нарушава закона за запазване на енергията.

Затворена петлова операция

Обяснената по-горе операция на оп-усилвателя беше за отворена петля, т.е. без обратна връзка. Включваме обратна връзка в затворената петлова конфигурация. Този път на обратна връзка подава изходния сигнал към входа. Затова на входа съществуват едновременно два сигнала. Единият от тях е изходният сигнал, а другият е сигналът на обратна връзка. Уравнението по-долу показва изхода на затворената петлова оп-усилвател.Където VOUT е напрежението на изходния терминал на оп-усилвателя. ACL е затворената петлова усилвателна способност. Обратната връзка, свързана с оп-усилвателя, определя затворената петлова усилвателна способност ACL. VD = (V1 – V2) е диференциалното входно напрежение. Казваме, че обратната връзка е положителна, ако пътят на обратна връзка подава сигнала от изходния терминал обратно към неинвертиращия (+) терминал. Положителната обратна връзка се използва в осцилатори. Обратната връзка е отрицателна, ако пътят на обратна връзка подава част от сигнала от изходния терминал обратно към инвертиращия (-) терминал. Използваме отрицателна обратна връзка за оп-усилвателите, използвани като усилватели. Всяката обратна връзка, положителна или отрицателна, има своите предимства и недостатъци.

Положителна обратна връзка ⇒ Осцилатор
Отрицателна обратна връзка ⇒ Усилвател
Горното обяснение е най-основният