WO - Polski Serwis Naukowy

Wzmacniacz operacyjny typ 741
w obudowie metalowej TO-5

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

Wzmacniacz operacyjny to wielostopniowy, wzmacniacz różnicowy prądu stałego, charakteryzujący się bardzo dużym różnicowym wzmocnieniem napięciowym rzędu stu kilkudziesięciu decybeli i przeznaczony zwykle do pracy z zewnętrznym obwodem sprzężenia zwrotnego, który decyduje o głównych właściwościach całego układu.

Sprzężenie zwrotne (ang. feedback) - oddziaływanie sygnałów stanu końcowego (wyjściowego) procesu (systemu, układu), na jego sygnały referencyjne (wejściowe). Polega na otrzymywaniu przez układ informacji o własnym działaniu (o wartości wyjściowej). Matematycznym, jednoznacznym opisem bloku gałęzi zwrotnej jest transmitancja. Informacja ta może być modyfikowana przez transmitancję bloku gałęzi zwrotnej.
Pasmo przenoszenia (także: pasmo przepustowe) – zakres częstotliwości, w którym tłumienie sygnału jest nie większe niż 3 dB (spadek amplitudy o 3 dB w stosunku do amplitudy wejściowej – amplituda osiąga wtedy nie mniej niż 70,7% amplitudy).

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.

Impedancja wyjściowa Zwy, w modelu układu elektronicznego jako czwórnika, to stosunek napięcia wyjściowego do prądu wyjściowego układu, liczony przy wyłączonych autonomicznych źródłach napięciowych i prądowych, wyrażony w omach.
Wzmocnienie napięciowe – jeden z parametrów (oznaczany zazwyczaj Ku) charakteryzujących elektroniczne układy wzmacniające. Wzmocnienie napięciowe jest to stosunek napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego układu, jest wielkością bezwymiarową, ale dla podkreślenia rodzaju współczynnika wyrażany jest w woltach na wolt [V/V]:

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:

Układ scalony (ang. integrated circuit, chip, potocznie kość) – zminiaturyzowany układ elektroniczny zawierający w swym wnętrzu od kilku do setek milionów podstawowych elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, rezystory, kondensatory.
Impedancja wejściowa Zwe, w modelu układu elektronicznego jako czwórnika, to stosunek napięcia wejściowego do prądu wejściowego układu, liczony przy wyłączonych autonomicznych źródłach napięciowych i prądowych, wyrażony w omach.

$A_u = \frac{\Delta U_O}{\Delta(U_+ - U_-)} = \frac{\Delta U_O}{\Delta U_d}$

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: $A_c =\frac{\Delta U_O}{ \Delta (\frac {U_+ + U_-} 2)}$

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.

Szumy wzmacniacza

Pobór mocy

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

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)