Wzmacniacz operacyjny, nazywany również z języka angielskiego opamp (operational amplifier), jest jednym z najważniejszych elementów tworzących większość obecnej użytkowej elektroniki analogowej. Wzmacniacze operacyjne są stosowane w szerokiej gamie obwodów realizujących przetwarzanie sygnałów np. wzmacnianie, kształtowanie impulsów, stabilizacje napięć i prądów, prostowanie przebiegów zmiennych, filtrację, sprzętową emulację indukcyjności i wiele innych funkcji.
Wzmacniacz operacyjny – budowa
Wzmacniacz operacyjny jest zbudowany z trzech podstawowych elementów: tranzystorów bipolarnych lub polowych, rezystorów oraz kondensatorów. Wszystkie te elementy są oczywiście wykonane w ramach jednej monolitycznej struktury krzemowej. Układ wewnątrz jest zwykle zbudowany z kilkustopniowego wzmacniacza, obwodów zasilania oraz układów kompensacji częstotliwościowej i temperaturowej. Dodatkowo zawiera elementy zabezpieczające układ przez przepięciami ESD na wejściach.
Wzmacniacze operacyjne posiadają zazwyczaj wyprowadzone dwa wejścia: odwracające (oznaczone jako „IN-„ lub „-„) oraz nieodwracające (oznaczone jako „IN+” lub „+”). Ogólna zasada działania jest bardzo prosta – układ odczytuje napięcie pomiędzy wejściami IN+ oraz IN-, a następnie silnie wzmacnia tę niewielką różnicę i przesyła na wyjście układu oznaczone jako „OUT”. Najważniejszą cechą wzmacniaczy operacyjnych pozostaje ich bardzo wysokie wzmocnienie. Precyzyjniej określa się je wzmocnieniem w otwartej pętli. Może ono osiągać wartości rzędu tysięcy lub nawet milionów razy (V/V).
Wzmacniacz operacyjny – zastosowanie
Wzmocnienie rzędu milionów razy w większości przypadków nie jest potrzebne. Większość układów wzmacniacza operacyjnego pracuje ze wzmocnieniem rzędu 10x, 100x lub nawet 1000x. Aby osiągnąć pożądane wzmocnienie stosuje się tzw. pętlę sprzężenia zwrotnego, co pozwala skonfigurować układ do danego zadania, przekierowując sygnał z wyjścia na wejście. Znakomita większość parametrów pracy wzmacniacza operacyjnego zależy od elementów użytych do budowy pętli sprzężenia zwrotnego. Przykładowo można użyć dwóch rezystorów (pierwszy pomiędzy wejściem a wejściem odwracającym i drugi pomiędzy wejściem odwracającym i masą układu), aby ustalić wynikowe wzmocnienie całego układu na określoną wartość.
Kolejną ważną cechą wzmacniacza operacyjnego jest wysoki współczynnik tłumienia sygnału wspólnego (CMRR – ang. Common Mode Rejection Ratio). CMRR oznacza zdolność wzmacniacza do tłumienia napięć wspólnych dla obydwu wejść układu (IN+ oraz IN-) wstępujących w jednej fazie. Za pomocą wzmacniaczy operacyjnych można wykonać wiele operacji na sygnałach, np. powtórzenie napięcia, wzmocnienie czy odwrócenie fazy. Wzmacniacze operacyjne są stosowane na szeroką skalę w układach transmisji i przetwarzania sygnałów analogowych. Szybkie wzmacniacze operacyjne znajdują zastosowanie w urządzeniach telekomunikacyjnych i audiowizualnych, przyrządach pomiarowych oraz aparaturze medycznej.
Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych – dalsze informacje
Bardzo istotnym parametrem opisującym wzmacniacze operacyjne stosowane w precyzyjnych układach pomiarowych, aparaturze medycznej oraz w urządzeniach audio, jest poziom szumów. W układach tych niezwykle ważne jest, by zakłócenia wprowadzane przez wzmacniacz do sygnału (czyli właśnie wspomniany poziom szumów) były jak najniższe. W niektórych zastosowaniach (np. w układzie wzmacniającym fotorezystora lub fototranzystora) poziom szumów nie ma znaczenia dla pracy układu, zamiast tego istotna staje się z kolei zdolność do pracy w trybie rail-to-rail. To określenie dotyczy ograniczeń, jakim poddane są sygnały wejściowe i wyjściowe wzmacniacza. Tryb pracy rail-to-rail jest wykorzystywany w układach zasilanych bateryjnie, w których przy projektowaniu układu dostępne jest tylko jedno napięcie unipolarne, np. 5V. Ostatnim ważnym parametrem opisującym wzmacniacz operacyjny jest szybkość narastania sygnału wyjściowego podawana w woltach na mikrosekundę (V/μs) . Parametr ten odzwierciedla maksymalną szybkość zmiany napięcia wyjściowego po pobudzeniu wejścia jednostkowym skokiem napięcia.
Zastanawiasz się, gdzie kupić wzmacniacze operacyjne? Polecamy hurtownię Micros, która oferuje ich wyjątkowo szeroki wybór w korzystnych cenach: https://www.micros.com.pl/uklady-scalone/wzmacniacze-operacyjne/.
