Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny

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

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 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 „${\displaystyle -}$”, napięcie na tym wejściu ${\displaystyle U_{-}}$) i nieodwracające (oznaczane symbolem „${\displaystyle +}$”, napięcie na tym wejściu ${\displaystyle U_{+}}$) oraz jedno wyjście (napięcie na wyjściu ${\displaystyle U_{O}}$); różnica napięć wejściowych nazywa się napięciem różnicowym ${\displaystyle (U_{d}=U_{+}-U_{-}).}$

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

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

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.

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

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

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

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

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:

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

Współczynnik CMRR wyrażany jest zazwyczaj w decybelach.

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

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.

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

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

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

Współczynnik PSRR wyrażany jest zazwyczaj w decybelach.

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

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

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

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

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

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.

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

Idealny wzmacniacz charakteryzuje się:

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

Parametry rzeczywistego wzmacniacza odbiegają od tych założeń, i tak:

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

${\displaystyle A_{u}\approx 10^{5}\div 10^{7}\mathrm {\frac {V}{V}} \approx 100\div 140\operatorname {dB} }$ [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.

• Michał Nadachowski, Zbigniew Kulka: Analogowe układy scalone. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1980. Brak numerów stron w książce

Zobacz publikację Wzmacniacze operacyjne w Wikibooks

• Cechy idealnego i rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego