Operacijski pojačavač ili op amp

Operacijski pojačavač ili op-amp je DC spojeni pojačavač napona s vrlo visokim pojačanjem napona.

Op-amp je u suštini višestupanjski pojačavač u kojem su brojni stupnjevi pojačavača međusobno povezani na vrlo složen način. Njegov unutarnji krug sastoji se od mnogo tranzistora, poluprovodničkih staklenika i otpornika. Sve to zauzima vrlo malo prostora.
Stoga se pakira u mali paket i dostupan je u obliku integriranog čipa (IC). Termin Op Amp koristi se za označavanje pojačavača koji se može konfigurirati da izvrši različite operacije poput pojačanja, oduzimanja, diferencijacije, zbrajanja, integracije itd. Primjer je vrlo popularni IC 741.

Simbol i njegova stvarna izgleda u obliku IC prikazani su ispod. Simbol izgleda kao vrsnjak što označava da signal teče od izlaza prema ulazu.

Ulazni i izlazni terminali operacijskog pojačavača

Op-amp ima dva ulazna terminala i jedan izlazni terminal. Op-amp također ima dva terminala za napajanje kao što je vidljivo gore. Dva ulazna terminala formiraju diferencijalni ulaz. Zovemo terminal označen negativnim (-) znakom inverzni terminal, a terminal označen pozitivnim (+) znakom neinverzni terminal operacijskog pojačavača. Ako primijenimo ulazni signal na inverzni terminal (-), tada će pojačani izlazni signal biti fazi pomaknut za 180o u odnosu na primijenjeni ulazni signal. Ako primijenimo ulazni signal na neinverzni terminal (+), tada će dobiveni izlazni signal biti u fazi, tj. neće imati fazni pomak u odnosu na ulazni signal.

Napajanje operacijskog pojačavača

Kao što je vidljivo iz simbola šema, ima dva ulazna napajanja +VCC i –VCC. Za rad op-ampa potreban je dualni polarni DC izvor. U dualnom polarnom izvoru, +VCC povezujemo s pozitivnim DC izvorom, a –VCC terminal s negativnim DC izvorom. Međutim, neki op-ampovi mogu raditi i na jednopolarnom izvoru. Napomena, nema zajedničkog zemljišta u op-ampovima, stoga se zemljište mora postaviti vanjski.

Načelo rada op-ampa

Otvoren oklopni rad operacijskog pojačavača

Kao što je rečeno, op-amp ima diferencijalni ulaz i jednostrani izlaz. Dakle, ako primijenimo dva signala, jedan na inverzni, a drugi na neinverzni terminal, idealni op-amp pojačava razliku između dva primijenjena ulazna signala. Ovu razliku između dva ulazna signala zovemo diferencijalni ulazni napon. Jednadžba ispod daje izlaz operacijskog pojačavača.Gdje, VOUT predstavlja napon na izlaznom terminalu op-ampa. AOL je otvoreno oklopno pojačanje za dati op-amp i je konstantno (idejalno). Za IC 741, AOL je 2 x 105.
V1 je napon na neinverznom terminalu.
V2 je napon na inverznom terminalu.
(V1 – V2) je diferencijalni ulazni napon.
Iz gornje jednadžbe jasno je da će izlaz biti različit od nule samo ako je diferencijalni ulazni napon različit od nule (V1 i V2 nisu jednaki), a bit će nula ako su V1 i V2 jednaki. Napomena, ovo je idealni uvjet, praktički postoje male neravnoteže u op-ampu. Otvoreno oklopno pojačanje op-ampa je vrlo visoko. Stoga, otvoreni oklopni operacijski pojačavač pojačava mali primijenjeni diferencijalni ulazni napon do velike vrijednosti.
Također, točno je da, ako primijenimo mali diferencijalni ulazni napon, operacijski pojačavač ga pojačava do značajne vrijednosti, ali ta značajna vrijednost na izlazu ne može preći granicu napajanja op-ampa. Stoga, ne krši se zakon o očuvanju energije.

Zatvoren oklopni rad

Gornje objašnjenje rada op-ampa bilo je za otvoreni oklop, tj. bez povratne veze. Povratnu vezu uvodimo u zatvoreno oklopno konfiguraciju. Ova povratna putanja prenosi izlazni signal na ulaz. Stoga, na ulazima istovremeno prisutni su dva signala. Jedan od njih je originalni primijenjeni signal, a drugi je povratni signal. Jednadžba ispod pokazuje izlaz zatvorenog oklopna op-ampa.Gdje VOUT predstavlja napon na izlaznom terminalu op-ampa. ACL je zatvoreno oklopno pojačanje. Povratna veza koja je povezana s op-ampom određuje zatvoreno oklopno pojačanje ACL. VD = (V1 – V2) je diferencijalni ulazni napon. Kažemo da je povratna veza pozitivna ako povratna putanja prenosi signal sa izlaznog terminala natrag na neinverzni (+) terminal. Pozitivna povratna veza koristi se u oscilatorima. Povratna veza je negativna ako povratna putanja prenosi dio signala sa izlaznog terminala natrag na inverzni (-) terminal. Negativnu povratnu vezu koristimo za op-ampove koji se koriste kao pojačavači. Svaki tip povratne veze, negativna ili pozitivna, ima svoje prednosti i nedostatke.

Pozitivna povratna veza ⇒ Oscilator
Negativna povratna veza ⇒ Pojačavač
Gornje objašnjenje je najosnovniji način rada operacijskih pojačavača.

Ideale karakteristike op-ampa