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.

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.

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:

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:

W uproszczeniu, gdy napięcia na obu wejściach są równe, wzmocnienie sygnału współbieżnego określa wzór:

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:

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.

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

Minimalne natężenie prądu na wejściach wzmacniacza wymagane do jego prawidłowej pracy.

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

Częstotliwość graniczna

Częstotliwość graniczna - jest to częstotliwość, przy której wzmocnienie wzmacniacza maleje do jedności. Częstotliwość graniczna zależy od pasma przenoszenia.

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

Wzmacniacz idealny

Idealny wzmacniacz charakteryzuje się:

• nieskończenie dużym różnicowym wzmocnieniem napięciowym: 
  ,

• zerowym wejściowym napięciem niezrównoważenia

• nieskończenie dużą impedancją wejściową,

• zerową impedancją wyjściową,

• nieskończenie szerokim pasmem przenoszonych częstotliwości,

• nieskończenie dużym zakresem dynamicznym sygnału.

Wzmacniacz rzeczywisty[edytuj]

Parametry rzeczywistego wzmacniacza odbiegają od tych założeń, i tak:

• wzmocnienie napięciowe sygnału różnicowego nie jest nieskończenie wielkie, choć bardzo duże i wynosi

 [μA741 - 2×10⁵ V/V];

• tłumienie wejściowego napięcia niezrównoważenia nie jest nieskończone; podaje się współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego CMRR (Common Mode Rejection Ratio), który w decybelach określa o ile mniejsze jest wzmocnienie sygnału wspólnego od wzmocnienia różnicowego (rzędu 80-140dB [μA741 - 90 dB]);

• impedancja wejściowa nie jest nieskończenie wielka, choć bardzo duża - rzędu megaomów [μA741 - 2 MΩ]; wzmacniacz stanowi niewielkie obciążenie dla źródła sygnału (prądy wejściowe są rzędu nanonamperów lub nawet pikoamperów [μA741 - 20nA])

• impedancja wyjściowa nie jest równa zeru (rzędu kilkuset omów[μA741 - 75 Ω]);

• pasmo przenoszenia sygnałów nie jest nieograniczone, powyżej częstotliwości granicznej wzmocnienie zaczyna spadać [μA741 - 1 MHz];

• wejścia wzmacniacza nie są idealnie symetryczne, ze względu na ich asymetrię definiuje się tzw. wejściowe napięcie niezrównoważenia - jest to napięcie różnicowe (od 1 mikrowolta do kilku miliwoltów [μA741 - 1 mV]), jakie trzeba podać na wejścia, aby napięcie wyjściowe było równe zero.

---