Praktická elektronika/Operační zesilovače

Operační zesilovač (OZ) je součástka se dvěma vstupy a jedním výstupem (kromě toho má samozřejmě další nožičky jako napájení, popř. další). Značí se jako trojúhelník s výstupem na hrotu a vstupy na protější straně, s tím, že napájecí nožičky se většinou ani nekreslí, protože je to samozřejmost.

Existují dva druhy:

Symetrické OZ vyžadují dvojí napájení, např +10 a −10 V oproti zemi. Jejich vstupní i výstupní signál proto může být kladný i záporný.
Nesymetrickým OZ stačí jen jedna polarita napájení, jejich použití je trochu jednodušší. (Samozřejmě ale neumožňují dodat záporná napětí na výstupu, pročež se nehodí pro některá zapojení.)

Většinou jde o malý integrovaný obvod se složitým vnitřním zapojením. Vyznačuje se těmito vlastnostmi:

Jeden ze vstupů je značen "+", druhý "−" a OZ zesiluje rozdíl jejich napětí.
Má velmi značné zesílení (a obvykle neznámé) v řádu 100000x. Pokud je napětí na +vstupu jen o málo vyšší než na −vstupu, výstupní signál je kladný, jinak je záporný.
Vstupy mají obrovský vstupní odpor – OZ je ovládán napětím a ze vstupů neodebírá skoro žádný proud.

Můžeme jej takto použít k porovnání, který ze dvou vstupů má vyšší napětí. Když ale chceme zesilovat nějaký signál, je obvykle zesílení příliš velké a navíc jej přesně neznáme. V tomto případě je výhodné zesilovací schopnosti OZ dobrovolně oslabit pomoci zpětné vazby.

OZ využijeme zejména tam, kde je potřeba dosáhnout velkého zesílení pro signál, který je stejnosměrný nebo má nízkou frekvenci. OZ většinou zkreslují signál o vyšších frekvencích, než jsou akustické. Dobře poslouží jako jednoduchý, lineární a přitom silný zesilovač k termočlánku, k mikrofonu...

Neinvertující zapojení se zpětnou vazbou

Zpětná vazba znamená, že nějakým způsobem propojíme signál výstupu na vstup.

Pokud je zpětná vazba kladná, zvýší míru zesílení a to vede obvykle k nestabilitě obvodu, který se pak přepne do horní nebo dolní krajní polohy a setrvává v ní. Pokud je kladná vazba zpožděná, může to způsobit rozkmitání obvodu.

V našem případě použijeme zápornou zpětnou vazbu, abychom OZ "zkrotili" a dali jeho zesilovacím schopnostem rozumné a známé meze. V nejjednodušším případě obvod zapojíme takto:

Vidíme, že rezistory R₁ a R₂ zde tvoří napěťový dělič. Řekněme, že R₁ má rezistenci 10 kΩ a R₂ = 90 kΩ. Potom bude na −vstupu napětí rovné jedné desetině výstupu. Když na +vstup přivedeme napětí řekněme 0,5 V, operační zesilovač bude zvyšovat napětí na výstupu tak dlouho, dokud napětí na −vstupu nedosáhne stejné úrovně. To ale vyžaduje, aby na výstupu byl desetinásobek napětí na +vstupu! Takto jsme zesilovač "donutili" 10x zesilovat napětí.

Zesílení v neinvertujícím zapojení jednoduše spočítáme podle vzorce:

${\frac {U_{vystup}}{U_{vstup}}}={\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}$

Invertující zapojení se zpětnou vazbou

Operační zesilovač lze (mimo jiné) zapojit i tak, aby měl zesílený signál obrácenou hodnotu. Oproti předchozímu zapojení stačí zaměnit uzemnění a vstup signálu.

Zde se OZ opět snaží dosáhnout stejného napětí na svých vstupech. Protože je na +vstupu nulové napětí, musí mít výstup vždy opačné napětí, aby to vyrovnal. Zesílení invertujícího zapojení pak spočítáme takto:

${\frac {U_{vystup}}{U_{vstup}}}=-{\frac {R_{2}}{R_{1}}}$

U asymetrického OZ bychom samozřejmě nemohli dosáhnout záporného výstupu: pro získání invertujícího zapojení proto nepřipojíme +vstup k zemi, ale k dalšímu napěťovému děliči, který poskytuje poloviční napětí zdroje (viz níže).

Obdélníkový generátor

Následující zapojení využívá:

kladnou zpětnou vazbu s rezistory (hystereze)
zápornou zpětnou vazbu jako integrační článek

Obvod střídavě vybíjí a nabíjí kondenzátor. Jako výstup můžeme použít obdélníkový i trojúhelníkový průběh. Průběhy napětí v čase jsou na grafu:

Generátor trojúhelníkového, obdélníkového a pseudosinusového signálu

Následující zapojení se 4 operačními zesilovači má 3 výstupy, na kterých s volitelnou frekvencí generuje trojúhelníkový, obdélníkový a (trochu hranatý) sinusový signál.

Červená část je napěťový dělič, poskytující operačním zesilovačům polovinu napájecího napětí jako střed, oproti němuž zesilují střídavý signál.
Žlutá část je oscilátor, v němž z jeho podstaty už vzniká obdélníkový a trojúhelníkový signál.
Ve fialové části trojúhelníkovému signálu zachováme amplitudu, ale zesílíme proud, aby případný odběr nezkreslil frekvenci oscilátoru.
Zelená část využívá úbytku napětí na diodách, aby zachovala strmé hrany trojúhelníkového signálu pro malé výchylky a aby zeslabila signál pro větší výchylky. To upraví trojúhelníkový signál na přibližně sinusový!
Modrá část je klasický zesilovač.

Další zapojení

Další zapojení OZ umožňují z nich jednoduše sestavit generátory pilového nebo obdélníkového signálu, filtry některých frekvencí apod.

Užitečné (přestože zdánlivě zbytečné) zapojení vznikne, když pouze propojíme výstup na −vstup a signál přivedeme na +vstup. Obvod sice nebude zesilovat, umožní ale odebírat proud na výstupu, aniž by do něj musel téci proud na vstupu. Takto můžeme měřit napětí i v případech, kdy by mohl změnit chování obvodu i minimální odběr proudu (např. tekoucí do voltmetru).

Když nahradíme zpětnovazební rezistor kondenzátorem, výstupem zesilovače bude integrál vstupního signálu. Jinými slovy: vztah vstupu a výstupu bude takový jako vztah rychlosti pohybu a polohy:

Řadu jiných, nesmírně důmyslných zapojení s OZ jde najít na internetu.

Samostatná kapitola je věnována Kytarovým zesilovačům s OZ.

K dalšímu čtení

Op Amps for Everyone (http://www.electronics-diy.com/pdf/Op_Amps_for_everyone.pdf)