Category Archives: Wzmacniacze operacyjne

Zastosowanie

Wzmacniacze operacyjny znajdują szerokie zastosowanie w świecie elektroniki i elektryki. Jednym z nich jest wzmacniacz odwracający. Wzmocnienie tego układu zależy od stosunku rezystancji występujących w obwodzie sprzężenia zwrotnego. Znak minus w takim układzie oznacza nie mniej, nie więcej, że napięcie wyjściowe ma fazę przeciwną do napięcia wejściowego. Punkt A jest masą pozorną. Wpływ na pracę takiego wzmacniacza mają wejściowe napięcie niezrównoważone, które już omawialiśmy oraz wejściowy prąd niezrównoważony, a także ich dryfy. Innym zastosowaniem wzmacniacza operacyjnego są układy wzmacniaczy nieodwracających. W takim wypadku sygnał wejściowy jak nie trudno się domyśleć, doprowadza się do wejścia odwracającego, czyli inwersyjnego. Rezystancja wejściowa w takim układzie jest bardzo duża. Innym zastosowaniem jest sumator, który składa się z takiego właśnie wzmacniacza operacyjnego oraz kilku rezystorów w układzie i kilku badanych. Ponadto za pomocą wzmacniaczy operacyjnych możemy stworzyć wtórnik, przetworniki prądu na napięcie oraz napięcia na prąd. Te zagadnienia będą jednak omówione w następnej części tego serwisu.

Podstawowe układy

Znamy już nazwy wszystkich układów wchodzących w skład wzmacniacza operacyjnego oraz dokładnie przyjrzeliśmy się układom opcjonalnym. Czas teraz poznać zadania oraz budowę naszych podstawowych jednostek. Podstawą wzmacniacza operacyjnego jest wzmacniacz różnicowy. Może zostać tam zastosowany tak zwany układ Darlingtona, który umożliwia uzyskanie niewielkich prądów wejściowych. Wadą takich rozwiązań są duże wartości napięć niezrównoważonych oraz duży dryf temperatury. W układzie tym możemy odnaleźć zazwyczaj tranzystory. Drugim ważnym elementem naszych układów jest stopień separujący, nazywany inaczej niesymetrycznym. Jeden z tranzystorów w takich układach może pracować jako obciążenie aktywne. Powoduje to uzyskanie dużego wzmocnienia napięciowego. Stopień ten możemy podzielić na separujący, wzmacniający oraz przesuwający poziom. Ostatni układ, który musi koniecznie wchodzić w skład wzmacniacza operacyjnego to stopień wyjściowy. Jest tu najczęściej zastosowana para tranzystorów PNP oraz NPN, które przewodzą na zmianę. Tak więc znamy już budowę naszych wzmacniaczy operacyjnych.

Parametry idealne

Jak już wspomnieliśmy wzmacniacze operacyjne mają określone parametry idealne, do których dążą wszyscy ich producenci, a co daje spore pole do popisu. Ciągle są one unowocześniane i poprawiane, aby parametry rzeczywiste oraz idealne były identyczne. Ważnym parametrem idealnym jest nieskończenie wielkie wzmocnienie napięciowe w układzie z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego. Innym parametrami są między innymi nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia. Również nieskończenie duża musi być impedancja wyjściowa oraz wejściowa sumująca. Jeśli chodzi natomiast o impedancję wyjściową musi ona równać się zero. Podobnie sprawa wygląda z prądami, które również muszą równać się zero. Nieskończenie wielki natomiast musi być współczynnik tłumienia sygnału sumującego. Takie właśnie parametry i ich wartości powinien mieć idealny wzmacniacz operacyjny. Wiemy jednak, że w elektronice trudno jest znaleźć idealne rozwiązania, dlatego wartości te nie są zawsze takie, jakimi byśmy chcieli je widzieć.

Budowa

Wzmacniacz operacyjny, na przykład 741 składa się z kilku ważnych stopni, które współpracują ze sobą w określony sposób. Podstawowymi stopniami są stopień nienasycony, stopień wyjściowy oraz wzmacniacz różnicowy. Opcjonalnie w naszych układach może znaleźć się ponadto układ polaryzacji (współpracujący ze wzmacniaczem różnicowym oraz stopniem nienasyconym) oraz układ zabezpieczający, który znajduje się za stopniem wyjściowym. Sygnały wejściowe podane są na wzmacniacz różnicowy. Każdy z tych stopnie zostanie omówiony w kolejnej części tego serwisu, ważne jest jednak to, że współpracują one wspólnie. Przedstawimy tutaj tylko charakterystykę opcjonalnych elementów naszego wzmacniacza. Jest to układ zabezpieczający, który jak sama nazwa mówi zabezpiecza nasz układ przed przeciążeniami. Realizują to zazwyczaj tranzystory, które zabezpieczają od przeciążeń przez ograniczenie prądu wyjściowego. Drugi, opcjonalny układ to układ polaryzacji. Posiada on trzy źródła prądu. Zapewnia on stabilność układu poprzez zastosowanie najczęściej wewnętrznego kondensatora, który charakteryzuje się niewielką pojemnością.

Wzmacniacze operacyjne

Wzmacniacz operacyjny to obecnie najbardziej popularny analogowy układ elektroniczny. Jest on realizowany na podstawie układów scalonych. Realizuje on bardzo uniwersalne zadania. Wzmacniacze operacyjne mają parametry idealne, a każdy producent dąży do ich uzyskania w miarę możliwości technicznych i postępu technologicznego. Posiadają one wejście ujemne, które jest wejściem odwracającym, inaczej mówiąc inwersyjnym. Jeśli doprowadzimy do niego sygnał, zostanie on odwrócony o sto osiemdziesiąt stopni. Drugie wejście – plusowe – jest wejściem nieodwracającym lub jak mówią inni nie inwersyjne. Sygnał więc nie zmienia przebiegu po doprowadzeniu do takiego wejścia. Jeśli do obu wejść doprowadzimy identyczne napięcie, to sygnał teoretycznie powinien być równy zeru. Popularnym wzmacniaczem operacyjnym jest na przykład mA741, czy TL-082. Początkowa nazwa wzmacniacz operacyjny określała układ wzmacniający w układach analogowych, obecnie przeważnie określa układ o sprzężeniu bezpośrednim oraz bardzo dużym wzmocnieniu. Na schematach elektronicznych wzmacniacze operacyjne oznacza się trójkątem, który wskazuje niczym strzałka prawą stronę. Często można go zaobserwować w rozmaitych schematach.

Wtórnik i przetworniki

Kolejnymi układami, w których zastosowanie znajdują wzmacniacze operacyjne są to układy wtórnika oraz dwóch przetworników. Pierwszy z nich to przetwornik prądu na napięcie, a drugi jak nie trudno się domyślić napięcia na prąd. W skład wtórnika wchodzi wzmacniacz nieodwracalny fazy o wzmocnieniu równym jeden. Zastosowanie on znajduje głównie jako separator. Jest to układ rozdzielenia galwanicznego, co oznacza, że nie umożliwia on przepływ prądu. Oddziela on więc od siebie obiekty elektroniczne oraz jest stosowane jako zabezpieczenie dla wieku bardzo czułych układów na uszkodzenia. Jego działanie możemy porównać do działania bezpiecznika. W takim układzie pracę stabilizuje rezystor. Teoretycznie jednak nie powinno go być. Jeśli chodzi o zagadnienie przetwornika prądu na napięcie to współpracuje o ze źródłem prądu o dużej rezystancji. Przetwornik ma więc małą rezystancję wejściową i wyjściową. Z kolei przetwornik napięcia na prąd powoduje przepływ przez rezystor prądu proporcjonalnego do napięcia wyjściowego. Układ taki charakteryzuje się dużą rezystancją wejściową i wyjściową. Ponadto również w komparatorach zastosowany jest wzmacniacz operacyjny. Układ taki stosuje się do porównywania dwóch napięć lub określa on zakres.