Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny – wielostopniowy wzmacniacz różnicowy prądu stałego charakteryzujący się bardzo dużym różnicowym wzmocnieniem napięciowym i przeznaczony zwykle do pracy z zewnętrznym obwodem sprzężenia zwrotnego, który decyduje o głównych właściwościach całego układu (zob. też wzmacniacz ze sprzężeniem zwrotnym).

Wzmacniacz operacyjny

Układ scalony μA741, jeden z najbardziej popularnych wzmacniaczy operacyjnych
Typ	Układ scalony
Wynalazca	Karl D. Swartzel Jr.
Symbol {{{opis symbolu}}}

Symbol graficzny:
a) powszechnie stosowany symbol;
b) dodatkowo zaznaczone napięcia zasilające oraz napięcia wejściowe i wyjściowe

Wzmacniacz operacyjny w obudowie metalowej TO-5

Wzmacniacz operacyjny jest najbardziej rozpowszechnionym analogowym układem elektronicznym, realizowanym obecnie w postaci monolitycznych układów scalonych. Wielka uniwersalność przy jednoczesnym wykorzystaniu istotnych właściwości układów scalonych daje możliwość stosowania go w rozmaitych układach, urządzeniach i systemach elektronicznych, zapewniając masową produkcję, niską cenę i bardzo dobre parametry użytkowe.

Wzmacniacz operacyjny posiada dwa wejścia: odwracające (oznaczane symbolem „$-$”, napięcie na tym wejściu $U_{-}$) i nieodwracające (oznaczane symbolem „$+$”, napięcie na tym wejściu $U_{+}$) oraz jedno wyjście (napięcie na wyjściu $U_{O}$); różnica napięć wejściowych nazywa się napięciem różnicowym $(U_{d}=U_{+}-U_{-}).$

Parametry wzmacniacza operacyjnego

Różnicowe wzmocnienie napięciowe

Różnicowe wzmocnienie napięciowe jest to stosunek zmiany napięcia wyjściowego do zmiany różnicowego napięcia wejściowego:

$A_{u}={\frac {\Delta U_{O}}{\Delta (U_{+}-U_{-})}}={\frac {\Delta U_{O}}{\Delta U_{d}}}.$

Wejściowe napięcie niezrównoważenia

W idealnym wzmacniaczu operacyjnym jeżeli na obu wejściach jest napięcie równe 0, to na wyjściu też powinno być napięcie równe 0. Ale w rzeczywistych wzmacniaczach tak nie jest.

Wejściowym napięciem niezrównoważenia określa się napięcie między wejściami wzmacniacza, gdy na wyjściu panuje napięcie równe 0.

Wzmocnienie sygnału współbieżnego

Napięcie wyjściowe wzmacniacza może zależeć też od sumy napięć na wejściach wzmacniacza. Współczynnik wzmocnienia sygnału współbieżnego określa wzór:

$A_{c}={\frac {\Delta U_{O}}{\Delta \left({\frac {U_{+}+U_{-}}{2}}\right)}}.$

W uproszczeniu, gdy napięcia na obu wejściach są równe, wzmocnienie sygnału współbieżnego określa wzór:

$A_{c}={\frac {\Delta U_{O}}{\Delta U_{i}}}.$

Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego

W miejsce wzmocnienia sygnału współbieżnego często podawany jest współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (ang. Common Mode Rejection Ratio, CMRR), który lepiej określa własności wzmacniacza. Określa go wzór:

$CMRR={\frac {A_{u}}{A_{c}}}.$

Współczynnik CMRR wyrażany jest zazwyczaj w decybelach.

Wyjściowe napięcie niezrównoważenia

Napięcie na wyjściu wzmacniacza, gdy na obu wejściach napięcie jest równe zero.

Rezystancja wejściowa

Określa się:

• rezystancję sygnału różnicowego, określoną jako rezystancję między wejściami wzmacniacza przy podawaniu napięcia między wejścia,
• rezystancję sygnału współbieżnego, określoną między jednym z wejść a masą.

Rezystancja wyjściowa

Określa się jako rezystancję wyjścia przy obu sygnałach wejściowych równych zero.

Współczynnik tłumienia wpływu zasilania

Współczynnik tłumienia wpływu zasilania (ang. Power Supply Rejection Ratio, PSRR), określa się jako stosunek zmiany napięcia zasilania do wywoływanej przezeń zmiany napięcia wyjściowego.

$A_{c}={\frac {\Delta U_{p}}{\Delta U_{O}}}.$

Współczynnik PSRR wyrażany jest zazwyczaj w decybelach.

Zakres zmian napięcia wejściowego

Zakres zmian napięcia na każdym z wejść względem masy, przy których wzmacniacz pracuje poprawnie.

Maksymalne napięcie wyjściowe

Jest to maksymalne napięcie jakie można uzyskać na wyjściu bez nasycenia wzmacniacza.

Maksymalny prąd wyjściowy

Jest to maksymalny prąd jaki może przepływać przez wyjście wzmacniacza przy jego prawidłowej pracy.

Wejściowy prąd polaryzujący

Wymagane jest pewne minimalne natężenie prądu na wejściach wzmacniacza, aby prawidłowo pracował. Jest ono rzędu nA lub uA.

Szybkość zmian napięcia wyjściowego

Jest to maksymalna szybkość zmiany napięcia na wyjściu wzmacniacza po pobudzeniu wejścia jednostkowym skokiem napięcia. Zazwyczaj podawana jest to wartość w woltach na mikrosekundę.

Pasmo pętli otwartej

Pasmo przenoszenia wzmacniacza przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego jest to częstotliwość, przy której amplituda sygnału wyjściowego jest o 3 dB (ok. 1,4 raza) mniejsza niż na płaskim odcinku charakterystyki wzmacniacza (czyli przy częstotliwościach znacznie mniejszych niż pasmo otwartej pętli). Pasmo otwartej pętli wynika z ograniczania wprowadzanego przez najwolniejszy filtr RC we wzmacniaczu (najczęściej C_cb pierwszego wzmacniacza OE i opór wyjściowy poprzedzającego go stopnia).

Iloczyn wzmocnienia i częstotliwości granicznej

Iloczyn wzmocnienia i częstotliwości granicznej (zwykle oznaczany GBW od angielskiego Gain Bandwidth Product). Od tego parametru zależy górna częstotliwość graniczna praktycznego wzmacniacza przy określonym wzmocnieniu.

Czas narastania odpowiedzi na skok jednostkowy

Parametr jest zdefiniowany jako maksymalny czas zmiany na wyjściu wzmacniacza w układzie o wzmocnieniu równym 1 i dużym sygnale wejściowym.

Pomiaru parametru dokonuje się w układzie wtórnika napięcia lub układzie odwracającym. Do wejścia wzmacniacza doprowadza się impulsy prostokątne o odpowiednio dużej amplitudzie i małym czasie narastania. Czas narastania, równy czasowi wzrostu napięcia w zakresie liniowym, określa się z oscylogramu przebiegu czasowego napięcia wyjściowego.

Współczynnik cieplny wejściowego napięcia niezrównoważenia

Jest to stosunek zmiany wejściowego napięcia niezrównoważenia do powodującej ją zmiany temperatury. Parametr ten wyrażany jest w [μV/°C].

Wzmacniacz idealny

Idealny wzmacniacz charakteryzuje się:

• nieskończenie dużym różnicowym wzmocnieniem napięciowym: $A_{u}={\frac {U_{O}}{U_{+}-U_{-}}}={\frac {U_{O}}{U_{d}}}\to \infty ,$
• zerowym wejściowym napięciem niezrównoważenia
• nieskończenie dużą impedancją wejściową,
• zerową impedancją wyjściową,
• nieskończenie szerokim pasmem przenoszonych częstotliwości,
• nieskończenie dużym zakresem dynamicznym sygnału.

Wzmacniacz rzeczywisty

Parametry rzeczywistego wzmacniacza odbiegają od tych założeń, i tak:

• wzmocnienie napięciowe sygnału różnicowego nie jest nieskończenie wielkie, choć bardzo duże i wynosi

$A_{u}\approx 10^{5}\div 10^{7}\mathrm {\frac {V}{V}} \approx 100\div 140\operatorname {dB}$ [μA741 – 2×10⁵ V/V];

• tłumienie wejściowego napięcia niezrównoważenia nie jest nieskończone; podaje się współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego CMRR (Common Mode Rejection Ratio), który w decybelach określa o ile mniejsze jest wzmocnienie sygnału wspólnego od wzmocnienia różnicowego (rzędu 80–140 dB [μA741 – 90 dB]);
• impedancja wejściowa nie jest nieskończenie wielka, choć bardzo duża – rzędu megaomów [μA741 – 2 MΩ]; wzmacniacz stanowi niewielkie obciążenie dla źródła sygnału (prądy wejściowe są rzędu nanonamperów lub nawet pikoamperów [μA741 – 20 nA])
• impedancja wyjściowa nie jest równa zeru (rzędu kilkuset omów [μA741 – 75 Ω]);
• pasmo przenoszenia sygnałów nie jest nieograniczone, powyżej częstotliwości granicznej wzmocnienie zaczyna spadać [μA741 – 1 MHz];
• wejścia wzmacniacza nie są idealnie symetryczne, ze względu na ich asymetrię definiuje się tzw. wejściowe napięcie niezrównoważenia – jest to napięcie różnicowe (od 1 mikrowolta do kilku miliwoltów [μA741 – 1 mV]), jakie trzeba podać na wejścia, aby napięcie wyjściowe było równe zero.

Schemat wzmacniacza operacyjnego μA741

Bibliografia

• Michał Nadachowski, Zbigniew Kulka: Analogowe układy scalone. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1980.brak strony w książce

Linki zewnętrzne

• Cechy idealnego i rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego