Operacionální zesilovač
Operátorový zesilovač nebo op amp je zesilovač napětí s velmi vysokým ziskem napětí připojený přímo na stejnosměrné napětí.
Op amp je základně vícestupňový zesilovač, kde jsou několik stupňů zesilovače vzájemně propojených velmi komplikovaným způsobem. Jeho vnitřní obvod se skládá z mnoha tranzistorů, poleových tranzistorů (FET) a odporů. Všechno toto zabírá velmi malý prostor.
Takže je zapouzdřeno do malého balení a je dostupné ve formě integrovaného obvodu (IC). Termín Op Amp označuje zesilovač, který lze nastavit tak, aby prováděl různé operace, jako je zesílení, odčítání, diferencování, sčítání, integrace atd. Příkladem je velmi oblíbený IC 741.
Symbol a jeho skutečný vzhled v podobě IC jsou zobrazeny níže. Symbol vypadá jako šipka, což naznačuje, že signál proudí od výstupu ke vstupu.
Vstupní a výstupní terminály operátorového zesilovače
Op-amp má dva vstupní terminály a jeden výstupní terminál. Op-amp také má dva terminály pro napájení, jak je vidět nahoře. Dva vstupní terminály tvoří diferenciální vstup. Terminál označený záporným (-) znaménkem nazýváme inverzním terminálem a terminál označený kladným (+) znaménkem nazýváme neinverzním terminálem operátorového zesilovače. Pokud aplikujeme vstupní signál na inverzní terminál (-), pak zesílený výstupní signál bude o 180o mimo fázi vzhledem k aplikovanému vstupnímu signálu. Pokud aplikujeme vstupní signál na neinverzní terminál (+), pak získaný výstupní signál bude v fázi, tj. nebude mít žádný posun fáze vzhledem k vstupnímu signálu.
Napájení operátorového zesilovače
Jak je vidět z obvodového symbolu nahoře, má dva vstupní terminály pro napájení +VCC a –VCC. Pro funkci op-ampu je nezbytné dvojité polaritní stejnosměrné napájení. V dvojité polaritním napájení připojujeme +VCC k kladnému stejnosměrnému napájení a terminál –VCC k zápornému stejnosměrnému napájení. Nicméně některé op-ampy mohou fungovat i s jednopolaritním napájením. Poznámka: v op-ampu není žádný společný zemní terminál, takže zem musí být externě zavedena.
Princip fungování op-ampu
Otevřený obvod operátorového zesilovače
Jak bylo uvedeno výše, op-amp má diferenciální vstup a jednovrstevný výstup. Pokud tedy aplikujeme dva signály, jeden na inverzní a druhý na neinverzní terminál, ideální op-amp zesílí rozdíl mezi dvěma aplikovanými vstupními signály. Tento rozdíl mezi dvěma vstupními signály nazýváme diferenciální vstupní napětí. Následující rovnice dává výstup operátorového zesilovače.
Kde, VOUT je napětí na výstupním terminálu op-ampu. AOL je zisk otevřené smyčky pro daný op-amp a je konstantní (ideálně). Pro IC 741 je AOL 2 x 105.
V1 je napětí na neinverzním terminálu.
V2 je napětí na inverzním terminálu.
(V1 – V2) je diferenciální vstupní napětí.
Z výše uvedené rovnice je zřejmé, že výstup bude nenulový pouze tehdy, pokud je diferenciální vstupní napětí nenulové (V1 a V2 nejsou rovny), a bude nulový, pokud jsou V1 a V2 rovny. Poznámka: toto je ideální stav, prakticky existují malé nerovnosti v op-ampu. Zisk otevřené smyčky op-ampu je velmi vysoký. Proto op-amp s otevřenou smyčkou zesiluje malé aplikované diferenciální vstupní napětí na velkou hodnotu.
Také je pravda, že pokud aplikujeme malé diferenciální vstupní napětí, op-amp ho zesílí na značnou hodnotu, ale tato značná hodnota na výstupu nemůže přesáhnout napájecí napětí op-ampu. Proto nezpůsobuje porušení zákona zachování energie.
Zavřený obvod
Výše popsané fungování op-ampu bylo pro otevřenou smyčku, tj. bez zpětné vazby. V zavřeném obvodu zavádíme zpětnou vazbu. Tato cesta zpětné vazby přivádí výstupní signál zpět na vstup. Proto na vstupech současně přítomny jsou dva signály. Jeden z nich je původně aplikovaný signál a druhý je signál zpětné vazby. Následující rovnice ukazuje výstup zavřeného obvodu op-ampu.
Kde VOUT je napětí na výstupním terminálu op-ampu. ACL je zisk zavřené smyčky. Zpětná vazba spojená s op-ampem určuje zisk zavřené smyčky ACL. VD = (V1 – V2) je diferenciální vstupní napětí. Říkáme, že zpětná vazba je pozitivní, pokud cesta zpětné vazby přivádí signál z výstupního terminálu zpět na neinverzní (+) terminál. Pozitivní zpětná vazba se používá v oscilátorech. Zpětná vazba je záporná, pokud cesta zpětné vazby přivádí část signálu z výstupního terminálu zpět na inverzní (-) terminál. Zápornou zpětnou vazbu používáme pro op-ampy používané jako zesilovače. Každý typ zpětné vazby, záporné nebo pozitivní, má své výhody a nevýhody.
Pozitivní zpětná vazba ⇒ Oscilátor
Záporná zpětná vazba ⇒ Zesilovač
Výše uvedené vysvětlení je nejzákladnější princip fungování operátorových zesilovačů.
