Operācijas vairotniks
Operācijas pastiprinātājs vai op amp ir strāvas pastiprinātājs ar ļoti augstu sprieguma guvumu.
Op amp pamatā ir daudzstadiju pastiprinātājs, kurus savieno ļoti sarežģītā veidā. Tā iekšējā shēma sastāv no daudziem tranzistoriem, FET un pretrajčiem. Visi šie elementi aizņem ļoti mazu telpu. Tādēļ to iepakojums ir mazs un tas ir pieejams kā integrētais šķērslaugs (IC). Termiņš Op Amp tiek izmantots, lai apzīmētu pastiprinātāju, kas var tikt konfigurēts, lai veiktu dažādas operācijas, piemēram, pastiprināšanu, atņemšanu, diferenciāciju, summirēšanu, integrāciju utt. Piemērs ir ļoti populārais IC 741.
Tā simbols un tā faktiskais izskats IC formā ir parādīts zemāk. Simbols izskatās kā bulta, kas norāda, ka signāls plūst no izvades uz ievadi.
Operācijas pastiprinātāja ievades un izvades termināli
Op-amp ir divi ievades termināli un viens izvades terminālis. Op-amp ir arī divi sprieguma piegādes termināli, kā redzams augšā. Divi ievades termināli veido diferenciālo ievadi. Termināli, kas atzīmēts ar negatīvo (-) zīmi, sauc par inversējošo termināli, bet termināli, kas atzīmēts ar pozitīvo (+) zīmi, sauc par neinversējošo termināli operācijas pastiprinātāja. Ja ievades signālu pieliekam inversējošajam terminālim (-), tad amplifikētais izvades signāls būs 180o fāzes nobīdei pret ievades signālu. Ja ievades signālu pieliekam neinversējošajam terminālim (+), tad iegūtais izvades signāls būs fāzes sakritībā, t.i., tam nebūs fāzes nobīdes pret ievades signālu.
Operācijas pastiprinātāja piegāde ar spriegumu
Kā redzams no shēmas augšā, tam ir divi ievades sprieguma piegādes termināli +VCC un –VCC. Lai op-amp darbotos, ir nepieciešama divu polāritāšu DC piegāde. Divpolāra piegādē +VCC savienojam ar pozitīvo DC piegādi, bet –VCC termināli ar negatīvo DC piegādi. Tomēr daži op-amps var darboties arī ar vienpolāru piegādi. Jāatzīmē, ka op-ampiem nav kopīga masas termināla, tāpēc masu jāievada ārēji.
Op-amp darbības princips
Operācijas pastiprinātāja atvērtā kontūra darbība
Kā minēts, op-amp ir diferenciālā ievade un viena galda izvade. Ja pieliekam divus signālus, vienu inversējošajam un otru neinversējošajam terminālim, tad ideālais op-amp amplifikēs abu ievades signālu starpību. Šo ievades signālu starpību sauc par diferenciālo ievades spriegumu. Zemāk dota vienādojuma formula operācijas pastiprinātāja izvadei.
Kur VOUT ir spriegums op-ampa izvades terminālā. AOL ir atvērtā kontūras guvums dotajam op-ampam un ir konstants (ideāli). Piemēram, IC 741 AOL ir 2 x 105.
V1 ir spriegums neinversējošajā terminālā.
V2 ir spriegums inversējošajā terminālā.
(V1 – V2) ir diferenciālais ievades spriegums.
No šīs formulas skaidrs, ka izvade būs nulles atšķirīga tikai tad, ja diferenciālais ievades spriegums būs nulles atšķirīgs (V1 un V2 nav vienādi), un būs nulle, ja abi V1 un V2 būs vienādi. Jāatzīmē, ka šī ir ideāla situācija, praktiski op-ampā rodas mazi nelīdzsvarotības. Atvērtā kontūras guvums op-ampā ir ļoti augsts. Tāpēc, atvērts operācijas pastiprinātājs amplifikē mazu pielikto diferenciālo ievades spriegumu līdz lielam vērtībai.
Tāpat, ja pieliekam mazu diferenciālo ievades spriegumu, operācijas pastiprinātājs amplifikē to līdz lielai vērtībai, bet šī lielā vērtība izvadē nevar pārsniegt op-ampa piegādes spriegumu. Tādējādi netiek pārkāpts enerģijas saglabāšanas likums.
Aizvērtā kontūra darbība
Apkopojot iepriekš minēto, op-ampa darbība bija atvērtā kontūrā, bez atgriezeniskās saites. Aizvērtā kontūrā ievadam atgriezenisko saiti. Šī atgriezeniskā saite piedāvā izvades signālu ievadei. Tāpēc ievadē vienlaikus ir divi signāli. Viens no tiem ir oriģinālais pieliktais signāls, bet otrs ir atgriezeniskās saites signāls. Zemāk dota vienādojuma formula aizvērtā kontūras op-ampa izvadei.
Kur VOUT ir spriegums op-ampa izvades terminālā. ACL ir aizvērtā kontūras guvums. Aizvērtā kontūras guvumu ACL nosaka atgriezeniskās saites shēma, kas savienota ar op-ampu. VD = (V1 – V2) ir diferenciālais ievades spriegums. Atgriezenisko saiti sauc par pozitīvu, ja atgriezeniskās saites ceļš piespiež signālu no izvades termināla atpakaļ uz neinversējošo (+) terminālu. Pozitīva atgriezeniskā saite tiek izmantota oscilatoros. Atgriezeniskā saite ir negatīva, ja atgriezeniskās saites ceļš piespiež daļu no signāla no izvades termināla atpakaļ uz inversējošo (-) terminālu. Negatīva atgriezeniskā saite tiek izmantota op-ampiem, kas tiek izmantoti kā pastiprinātāji. Katra atgriezeniskās saites veida, negatīvā vai pozitīvā, ir savas priekšrocības un trūkumi.
Pozitīva atgriezeniskā saite ⇒ Oscilators
Negatīva atgriezeniskā saite ⇒ Pastiprinātājs
Iepriekš minētais ir vispārīgākais operācijas pastiprinātāju darbības princips.
Ideālā op-ampa raksturības
