Spis treści:
Wzmacniacz operacyjny to układ scalony wykorzystywany do wzmocnienia, filtracji i stabilizacji napięcia. Ponadto jest zdolny do prostowania przebiegów przemiennych.
Co to jest wzmacniacz operacyjny?
Wzmacniacze operacyjne są powszechnie wykorzystywane w elektronice analogowej. Uniwersalne zastosowanie, niezawodność i trwałość sprawiają, że te elementy stanowią ważną część licznych układów znajdujących się w urządzeniach elektronicznych. Mogą pełnić różne funkcje związane z przetwarzaniem sygnałów.
Wzmacniacze operacyjne określane również jako opampy (potoczne określenie pochodzi od angielskiej nazwy elementu, czyli operational amplifiers) są zaprojektowane w taki sposób, aby umożliwić przetwarzanie sygnału między wejściami. Wzmacniacz jest wyposażony w dwa wejścia, nieodwracające oznaczone jako + oraz odwracające, czyli -. Dodatkowo opampy mają wbudowane jedno wyjście. Do cech charakterystycznych wzmacniaczy operacyjnych należy zaliczyć niską impedancję wyjściową i wysoką impedancję wejściową. Występują one w różnych wariantach konfiguracji (symulującej, różnicującej, inwertującej i nieinwertującej).
Wzmacniacze operacyjne – budowa
Wzmacniacz operacyjny jest złożony z trzech głównych elementów. Pierwszym z nich są tranzystory bipolarne lub polowe. Drugi to rezystory, natomiast trzecim elementem są kondensatory. Wszystkie podzespoły są zintegrowane w jednej strukturze, czyli monolitycznej konstrukcji znanej z układów scalonych.
Wbudowane dwa wejścia są odpowiedzialne na odczytywanie napięcia, które znajduje się pomiędzy nimi. W kolejnym kroku następuje wzmocnienie i przesłanie zmienionego sygnału bezpośrednio na wyjście wzmacniacza operacyjnego. Kolejne elementy wzmacniacza to obwody zasilania, układy odpowiedzialne za kompensację temperatury, a także elementy zabezpieczające strukturę monolityczną przed skutkami wyładowań elektrostatycznych ESD (z ang. Electrostatic Discharge).
Parametry techniczne wzmacniaczy operacyjnych
Najważniejszym parametrem technicznym każdego wzmacniacza operacyjnego jest poziom wzmocnienia. Kolejnym kluczowym parametrem jest zakres napięcia pracy, który determinuje zastosowanie tych elementów. Wybrane modele wzmacniaczy operacyjnych przeznaczonych do systemów audio są przystosowane do pracy w zakresie napięcia wynoszącym od 5 V do 15 V. Najczęściej są to modele w obudowie THT, czyli wykorzystywane do montażu przewlekanego. Na rynku są również dostępne modele w obudowach SMD (z ang. Surface Mount Device) przystosowanych do montażu powierzchniowego (z ang. Surface Mount Technology).
W trakcie wyboru konkretnego modelu wzmacniacza operacyjnego trzeba również zwrócić uwagę na współczynnik tłumienia sygnału wspólnego CMRR (ang. common mode rejection ratio). Ten parametr jest odpowiedzialny za zdolność konkretnego modelu wzmacniacza do tłumienia napięcia, które występuje na wejściach. Pozostałe parametry to pasmo przenoszenia oraz impedancja wejściowa i wyjściowa.
Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych
Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych w elektronice jest bardzo szerokie. Poniżej opisano kilka najpopularniejszych zastosowań. Opampy są powszechnie wykorzystywane w filtrach aktywnych do wzmocnienia sygnału lub zmiany charakterystyki częstotliwościowej danego układu.
Kolejnym przykładem jest wzmacniacz inwertujący, czyli element odpowiedzialny za wzmocnienie sygnału wejściowego z jednoczesnym odwróceniem fazy. Z kolei opampy we wzmacniaczach nieinwertujacych mają za zadanie wzmocnienie sygnału wejściowego bez odwracania fazy. Następnym wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego jest przetwornik napięcia na prąd. Opamp ma zdolność do konwertowania napięcia wejściowego na proporcjonalny prąd wyjściowy.
Pozostałe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych
Opampy to elementy wzmacniaczy różnicowych, czyli układów, których głównym zadaniem jest wzmacnianie różnicy między dwoma sygnałami wejściowymi. Z kolei w generatorach funkcji wzmacniacz operacyjny jest używany do wytwarzania różnych funkcji falowych, w tym fal prostokątnych, trójkątnych i sinusoidalnych.
Wzmacniacz operacyjny to podstawowy element wielu układów elektronicznych. Uniwersalne zastosowanie, w połączeniu ze zdolnością wykonywania różnego rodzaju zadań sprawia, że te podzespoły występują m.in. w aparaturze medycznej, w urządzeniach pomiarowych i układach audio.
Popularne modele wzmacniaczy operacyjnych
Model NE5322 to popularny wzmacniacz operacyjny wyróżniający się niskim poziomem szumów i współczynnikiem tłumienia równym 100 dB. Szerokość pasma przenoszenia do 10 MHz zapewnia uniwersalne zastosowanie. Układ scalony jest wyposażony w diody, których głównym zadaniem jest zabezpieczenie wejść. Z kolei wyjścia są chronione przez elementy przeciwzwarciowe. Dobre parametry stałoprądowe i zmiennoprądowe sprawiają, że model NE5532 jest często wykorzystywany m.in. w konsolach mikserskich. Stanowi również kluczowy element w generatorach przeznaczonych do wytwarzania sygnałów testowych wykorzystywanych elektroakustyce.
Kolejnym często wykorzystywanym modelem jest wzmacniacz operacyjny AB LM386 w obudowie DIP8 do montażu THT. Element jest wyposażony w jeden kanał. Pracuje z napięciem w zakresie od 4 V do 12 V. Wysoki poziom wzmocnienia wynoszący 325 mW sprawia, że jest powszechnie używany w systemach audio. Ponadto znajduje zastosowanie w projektach DIY generujących lub odtwarzających dźwięk. Szeroki zakres napięcia zasilania zapewnia kompatybilność z wieloma mikrokontrolerami, w tym Arduino.
Z kolei opamp LM358P/N jest przystosowany do pracy z napięciem zasilania w zakresie od 3 V do nawet 32 V. Wzmacniacz operacyjny jest wyposażony w dwa kanały. Pasmo przenoszenia na poziomie 0,7 MHz zapewnia uniwersalne zastosowanie. LM358P/N wyróżnia się szybkością narastania napięcia równą 0,3 V/μs. Układ scalony jest zamknięty w popularnej obudowie DIP8. Jest on przeznaczony do montażu przewlekanego THT.
