Wzmacniacz operacyjny to podstawowy element współczesnej elektroniki analogowej. Dzięki świetnym parametrom i łatwością obliczeń jest bardzo łatwy w wykorzystaniu.Układy te są także nazywane wzmacniaczami różnicowymi, ponieważ wzmacniają wartość różnicy napięć pomiędzy wejściami. Występują one jako gotowe układy scalone, czasem pojedynczo, a czasem po kilka sztuk. Zależnie od poszczególnych modeli układów różnią się one parametrami, co wpływa na cel stosowania konkretnych układów.

Według założeń wzmacniacz operacyjny (WO) posiada swoje idealne parametry. W rzeczywistości układy dążą do nich, ale nie osiągają. Te założenia idealnych parametrów mają na celu uprościć obliczenia. Tymi idealnymi parametrami są:

• nieskończenie duże wzmacnianie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego
• nieskończenie szerokie pasmo przenoszonych częstotliwości
• nieskończenie duża impedancja wejściowa
• impedancja wejściowa wynosząca zero
• napięcie wyjściowe równe zero przy równości napięć wejściowych

Jak się można domyślić takie parametry nie mogą być spełnione, ale z biegiem lat układy rzeczywiste coraz bardziej zbliżają się do ideału.

Wyróżnia się kilka podstawowych układów pracy wzmacniacza operacyjnego:

• odwracający
• nieodwracający
• odejmujący
• sumujący
• różniczkujący
• całkujący
• wtórnik napięciowy
• komparator analogowy

Układ wzmacniacza odwracającego

Jest to najbardziej podstawowy układ w jakim pracuje WO, a charakteryzuje się on wzmocnieniem (lub osłabieniem) sygnału (napięcia) wejściowego, ale także odwraca jego fazę.

Wzmocnienie wzmacniacza oznacza się literą k.

Poniższy wykres przedstawia efekt działania wzmacniacza operacyjnego w takim układzie:

Na niebiesko jest przedstawiony wykres sygnału wejściowego, a na czerwono wykres sygnału wyjściowego, a wzmocnienie układu wynosi 2 (k=2). Jak widać amplituda sygnału wyjściowego jest dwukrotnie większa niż sygnału wyjściowego, a także sygnał jest odwrócony, co skutkuje zamianą funkcji sinus na funkcję cosinus.

Schemat takiego układu jest bardzo prosty, a przedstawia go poniższa grafika:

Ten schemat pokazuje dlaczego wzmacniacze operacyjne są aż tak popularne. Wszystko jest proste, a cała struktura jest zamknięta dla nas w „czarnej skrzynce”, o której tylko wiemy jak reaguje na nasze sygnały. Aby wyliczyć wartości elementów wystarczy zastosować wzór:

Jak widać rezystor R3 nie wpływa na wzmocnienie układu, można by go nawet pominąć i wejście dodatnie wzmacniacza zewrzeć z masą. Stosuje się go jako zabezpieczenie.

Nie będę w tym artykule pokazywał krok po kroku jak wyprowadzić ten zwór, ponieważ uważam, że to wiedza tylko dal dociekliwych i zapewne w przyszłości powstanie także taki artykuł.

Układ wzmacniacza nieodwracającego

W układzie wzmacniacza nieodwracającego sytuacja jest bardzo podobna, z tą różnicą, że nie odwraca sygnału, faza zostaje zachowana. Poniższy wykres pokazuje co dzieje się z wzmacnianym sygnałem:

Tak samo jak w poprzednim układzie przyjąłem k=2, a na wejście podałem sinusa. Jak widać zmianie ulegała jedynie amplituda sygnału.

Poniżej przedstawiam schemat wzmacniacza operacyjnego w układzie nieodwracającym:

Schemat tego układu także jest bardzo prosty, występują tutaj dwa rezystory, a sygnał wejściowy jest podawany na wejście dodatnie WO. Aby aby obliczyć wzmocnienie należy zastosować wzór:

Ze wzoru jasno wynika, że wzmocnienie nie może być mniejsze niż jeden, czyli taki układ nie może tłumić sygnału, przez co też jest mniej popularny niż układ odwracający.

Układ wzmacniacza odejmującego

Kolejnym typem układu jest wzmacniacz odejmujący, działanie jest proste, odejmuje on dwa sygnały, ale także może wzmacniać tą różnice. na poniższym wykresie przedstawiam zasadę działania.

Na wykresie są trzy przebiegi, jeden to sinus, drugi cosinus, a trzeci to różnica tych dwóch funkcji.

Poniższy schemat pozwala zrealizować taki właśnie układ:

Układ jest trochę bardziej skomplikowany od pozostałych, mamy dwa sygnały wejściowe. Aby obliczyć napięcie na wyjściu należy zastosować wzór:

Pierwszy człon równania jest odpowiedzialny za wzmocnienie (lub osłabienie), a drugi człon to różnica dwóch napięć.

Układ wzmacniacza sumującego

Ten typ układu pełni odwrotną funkcję w stosunku do wzmacniacza odejmującego, ale jego ciekawą cechą jest to, że może sumować więcej sygnałów niż dwa i bazują na nim wszystkie miksery audio.

Jak widać na schemacie można sumować wiele sygnałów, schemat jest prosty i intuicyjny. Bardzo podobnie jest za wzorem:

Można od razu zauważyć, że jest to wzmacniać odwracający i łatwo jest zauważyć szablon, kolejne wejście dokładamy poprzez dodanie w nawiasie kolejnych ilorazów napięcia wejściowego przez rezystancje.

W tej części to na tyle, w następnej opiszę wzmacniacze całkujące i różniczkujące.