Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny lub op amp to wzmacniacz napięcia z połączeniem DC o bardzo wysokim wzmocnieniu napięciowym.

Op amp jest podstawowo wielostopniowym wzmacniaczem, w którym wiele etapów wzmacniacza jest ze sobą połączonych w bardzo skomplikowany sposób. Jego wewnętrzny układ składa się z wielu tranzystorów, pola FET i rezystorów. Wszystko to zajmuje bardzo mało miejsca.
Stąd jest zapakowany w małą obudowę i dostępny w formie Układu Scalonego (IC). Termin Op Amp używany jest do oznaczenia wzmacniacza, który można skonfigurować do wykonywania różnych operacji, takich jak wzmacnianie, odejmowanie, różniczkowanie, dodawanie, całkowanie itp. Przykładem jest bardzo popularny IC 741.

Symbol i jego rzeczywisty wygląd w formie UKŁADU SCALONEGO przedstawiono poniżej. Symbol wygląda jak strzałka, co oznacza, że sygnał płynie od wyjścia do wejścia.

Wejścia i wyjścia wzmacniacza operacyjnego

Wzmacniacz operacyjny ma dwa wejścia i jedno wyjście. Wzmacniacz operacyjny ma również dwa terminale zasilania, jak widać powyżej. Dwa wejścia tworzą różnicowe wejście. Terminal oznaczony znakiem minus (-) nazywamy inwertującym, a terminal oznaczony znakiem plus (+) nazywamy nieinwertującym terminalami wzmacniacza operacyjnego. Jeśli na inwertujący terminal (-) zastosujemy sygnał wejściowy, to wzmocniony sygnał wyjściowy będzie przesunięty fazowo o 180o w stosunku do zastosowanego sygnału wejściowego. Jeśli na nieinwertujący terminal (+) zastosujemy sygnał wejściowy, to uzyskany sygnał wyjściowy będzie w fazie, czyli nie będzie miał przesunięcia fazowego w stosunku do sygnału wejściowego.

Zasilanie wzmacniacza operacyjnego

Jak widać na symbolu obwodu, ma dwa terminale zasilania +VCC i –VCC. Dla działania wzmacniacza operacyjnego niezbędne jest zasilanie o podwójnej polarności DC. W zasilaniu o podwójnej polarności łączymy +VCC z dodatnim zasilaniem DC, a terminal –VCC z ujemnym zasilaniem DC. Jednak niektóre wzmacniacze operacyjne mogą działać również na pojedynczym zasilaniu o jednej polarności. Należy zauważyć, że w wzmacniaczach operacyjnych nie ma wspólnego terminalu masy, więc masa musi być zewnętrznie ustanowiona.

Princip działania op amp

Działanie otwartego obwodu wzmacniacza operacyjnego

Jak powiedziano wcześniej, wzmacniacz operacyjny ma różnicowe wejście i jednostronne wyjście. Jeśli zastosujemy dwa sygnały, jeden na wejściu inwertującym, a drugi na wejściu nieinwertującym, idealny wzmacniacz operacyjny wzmocni różnicę między zastosowanymi sygnałami wejściowymi. Nazywamy tę różnicę między dwoma sygnałami wejściowymi jako różnicowe napięcie wejściowe. Poniższe równanie określa wyjście wzmacniacza operacyjnego.Gdzie, VOUT to napięcie na wyjściowym terminale wzmacniacza operacyjnego. AOL to wzmocnienie w otwartym obwodzie dla danego wzmacniacza operacyjnego i jest stałe (ideowo). Dla IC 741 AOL wynosi 2 x 105.
V1 to napięcie na nieinwertującym terminalu.
V2 to napięcie na inwertującym terminalu.
(V1 – V2) to różnicowe napięcie wejściowe.
Jest jasne z powyższego równania, że wyjście będzie niezerowe tylko wtedy, gdy różnicowe napięcie wejściowe jest niezerowe (V1 i V2 nie są równe), i będzie zerowe, jeśli zarówno V1 i V2 są równe. Należy zauważyć, że to jest warunek idealny, praktycznie istnieją małe nieregularności w wzmacniaczu operacyjnym. Wzmocnienie w otwartym obwodzie wzmacniacza operacyjnego jest bardzo wysokie. Stąd wzmacniacz operacyjny w otwartym obwodzie wzmocnia małą zastosowaną różnicową wartość napięcia wejściowego do ogromnej wartości.
Ponadto prawdą jest, że jeśli zastosujemy małe różnicowe napięcie wejściowe, wzmacniacz operacyjny wzmocni je do znacznej wartości, ale ta znaczna wartość na wyjściu nie może przekroczyć napięcia zasilającego wzmacniacza operacyjnego. Stąd nie narusza on prawa zachowania energii.

Działanie zamkniętego obwodu

Wyjaśnione powyżej działanie wzmacniacza operacyjnego dotyczyło otwartego obwodu, tzn. bez sprzężenia zwrotnego. W konfiguracji zamkniętego obwodu wprowadzamy sprzężenie zwrotne. Ta ścieżka sprzężenia zwrotnego podaje sygnał wyjściowy do wejścia. Stąd, na wejściach jednocześnie obecne są dwa sygnały. Jeden z nich to oryginalny zastosowany sygnał, a drugi to sygnał sprzężenia zwrotnego. Poniższe równanie pokazuje wyjście zamkniętego obwodu wzmacniacza operacyjnego.Gdzie VOUT to napięcie na wyjściowym terminale wzmacniacza operacyjnego. ACL to wzmocnienie w zamkniętym obwodzie. Wzmocnienie w zamkniętym obwodzie ACL określa obwód sprzężenia zwrotnego podłączony do wzmacniacza operacyjnego. VD = (V1 – V2) to różnicowe napięcie wejściowe. Mówimy, że sprzężenie zwrotne jest dodatnie, jeśli ścieżka sprzężenia zwrotnego podaje sygnał z wyjściowego terminalu z powrotem do nieinwertującego (+) terminalu. Dodatnie sprzężenie zwrotne jest używane w oscylatorach. Sprzężenie zwrotne jest ujemne, jeśli ścieżka sprzężenia zwrotnego podaje część sygnału z wyjściowego terminalu z powrotem do inwertującego (-) terminalu. Używamy ujemnego sprzężenia zwrotnego do wzmacniaczy operacyjnych używanych jako wzmacniacze. Każdy typ sprzężenia zwrotnego, ujemny lub dodatni, ma swoje zalety i wady.

Dodatnie sprzężenie zwrotne ⇒ Oscylator
Ujemne sprzężenie zwrotne ⇒ Wzmacniacz
Powyższe wyjaśnienie to najbardziej podstawowy princip działania wzmacniaczy operacyjnych.

Cechy idealnego wzmacniacza operacyjnego