1. Wstęp teoretyczny
Pod pojęciem wzmacniacz operacyjny rozumie się scalony układ analogowy zapewniający uniwersalne zastosowania profesjonalne. Wzmacniacz operacyjny jest to układ scalony, który spełnia następujące warunki:
· bardzo duże wzmocnienie napięciowe z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego
· bezpośrednie sprzężenie, to jest możliwość wzmacniania napięć stałych i zmiennych
· możliwość odwracania fazy sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału wejściowego
Większość scalonych wzmacniaczy operacyjnych posiada dwa symetryczne wejścia:
· odwracające fazę oznaczone (-). Jeżeli na to wejście zostanie podany sygnał, który posiada dowolny dodatni przyrost, to sygnał wyjściowy posiada ujemny przyrost.
· nie odwracający fazy oznaczone (+). Dodatniemu przyrostowi dla sygnału wejściowego odpowiada dodatni przyrost sygnału wyjściowego
Wzmacniacz operacyjny wzmacnia różnicę napięć, a więc realizuje funkcję U0=b(U+-U-).
Idealny wzmacniacz operacyjny powinien spełniać właściwości idealnego źródła napięciowego sterowanego różnicą napięć. Zatem wzmacniacz taki powinien spełniać warunki:
· nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego b®+µ
· impedancja wyjściowa nieskończenie duża (Zwe®µ)
· impedancja wyjściowa równa zeru (Zwy=0)
· nieskończenie duże pasmo przenoszenia częstotliwości sygnału
· zerowe prądy wejściowe (I+=0, I-=0)
· prąd wyjściowy I2 określony tylko przez obciążenie zewnętrzne
Oczywiście, model taki jest modelem czysto teoretycznym, gdyż takie źródło mogłoby wydawać nieskończenie dużą moc, podobnie jak idealne autonomiczne źródło napięcia.
2. Wzmacniacz odwracający fazę
Najbardziej popularnym układem jest wzmacniacz odwracający. Jego nazwa pochodzi od specyficznej cechy odwracania napięcia wyjściowego względem wejściowego, co inaczej oznacza przesunięcie fazy o 180°. We wzmacniaczu tym za pomocą rezystora Rf jest realizowane sprzężenie zwrotne z wyjścia do wejścia odwracającego. Ponieważ sygnał sprzężenia zwrotnego ma kierunek przeciwny do sygnału wejściowego, jest to tzw. sprzężenie zwrotne ujemne
Uwej [V]
RF [kW]
R1 [kW]
Uwyj [V]
1,01
1
1
1,06
1,01
2
1
2,13
1,01
4
1
4,27
1,01
6
1
6,43
1,01
26
1
Uwyj=Uzasilania
Odcięcie na skutek nasycenia wzmacniacza
Wzmocnienie w funkcji częstotliwości (charakterystyka amplitudowo częstotliwościowa).
Rf=2kW R1=1kW Uwej=1,02V
f [kHz]
Uwyj [V]
0,05
2,13
0,1
2,13
0,2
2,13
0,5
2,13
0,8
2,13
1
2,12
2
2,11
5
2,13
8
2,13
10
2,12
15
2,12
20
2,11
30
2,09
40
2,05
50
1,96
70
1,52
Sygnał ulega zniekształceniu
Charakterystyka przejściowa (napięcie wyjściowe od wejściowego)
Ku=-2
...