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=β(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 β→+∝

• impedancja wyjściowa nieskończenie duża (Z_we→∝)

• impedancja wyjściowa równa zeru (Z_wy=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 R_f 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.

Wzmocnienie w funkcji częstotliwości (charakterystyka amplitudowo częstotliwościowa).

Charakterystyka przejściowa dla R₂=5 [kΩ], R₁=1 [kΩ], ku=-5 [kΩ] (napięcie wyjściowe od wejściowego, układ +)

U1/wej [V]	1	2	2,2	3	4	5	9
U2/wyj [V]	4,2	9,2	10	10	10	10	10

Charakterystyka przejściowa dla R₂=5 [kΩ], R₁=1 [kΩ], k_u=-5 [kΩ] (napięcie wyjściowe od wejściowego, układ -)

U1/wej [V]	1	2	2,6	4	5	9
U2/wyj [V]	4,2	9,2	11,5	11,5	11,5	11,5

Charakterystyka przejściowa dla R₂=1 [kΩ], R₁=1 [kΩ], k_u=-1 [kΩ] (napięcie wyjściowe od wejściowego, układ +)

U1/wej [V]	1	3	5	7	9	10	12
U2/wyj [V]	0,5	2,5	4,5	6,5	8,5	8,5	8,5

Charakterystyka przejściowa dla R₂=1 [kΩ], R₁=1 [kΩ], k_u=-1 [kΩ] (napięcie wyjściowe od wejściowego, układ -)

U1/wej [V]	1	2	3	4	5	9
U2/wyj [V]	0,9	1,9	2,9	3,9	4,9	8,8

3. Wykres

Z wykresu wynika ze wzmocnienie do pewnego momentu jest funkcja liniową zgodnie ze wzorem k_u=-R₂/R₁ ale po przekroczeniu pewnej wartości wykres ulega gwałtownemu przegięciu a wzrost wartości napięcia wejścia powoduje nawet spadek wartości napięcia wyjścia.

4. Wzmacniacz nie odwracający fazy

Wzmocnienie w funkcji częstotliwości (charakterystyka amplitudowo częstotliwościowa).

Charakterystyka przejściowa dla R₂=1 [kΩ], R₁=1 [kΩ], ku=2 [kΩ] (napięcie wyjściowe od wejściowego)

U1/wej [V]	2	3	4	5	5,2	9
U2/wyj [V]	3,8	5,6	7,7	9,7	11	11

Charakterystyka przejściowa dla R₂=3 [kΩ], R₁=1 [kΩ], ku=4 [kΩ] (napięcie wyjściowe od wejściowego)

U1/wej [V]	1	2	3	5	6	9
U2/wyj [V]	3,6	7,5	11,5	11,5	11,5	11,5

Charakterystyka przejściowa dla R₂=0 [kΩ], R₁=∝ [kΩ], ku=1 [kΩ] (napięcie wyjściowe od wejściowego)

U1/wej [V]	1	2	3	4	5	9
U2/wyj [V]	0,8	1,9	2,9	3,9	4,9	8,8

Szczególnym przypadkiem układu jest układ gdy R₂=0, a R₁=∝. W takim przypadku wzmocnienie równe jest 1, a rezystancja wejściowa równa jest rzędu megaomów (wtórnik napięciowy). Układ ten pełni rolę bloku dopasowującego lub separującego w sieciach elektronicznych.

5. Komparator napięcia

Komparatorem napięcia nazywamy układ, który służy do porównywania wartości chwilowej napięcia doprowadzonego do jednego wejścia z wartością chwilową napięcia doprowadzonego do drugiego wejścia

1. Układ całkujący

Im większa rezystancja tym mniejsza amplituda, zmieniając wartość rezystancji można regulować amplitudę na wyjściu.

2. Przebiegi na wejściu i wyjściu

Dla sygnału prostokątnego na wejściu U₁(t) otrzymujemy na wyjściu U₂(t) wykres piło kształtny.

Dla sygnału piło kształtnego na wejściu U₁(t) otrzymujemy na wyjściu U₂(t) wykres sinusoidalny przesunięty w fazie.

Dla sygnału sinusoidalnego na wejściu U₁(t) otrzymujemy na wyjściu U₂(t) wykres sinusoidalny przesunięty i odwrócony względem sygnału wejściowego.

3. Układ różniczkujący

4. Przebieg na wejściu i wyjściu

Dla sygnału prostokątnego na wejściu U₁(t) otrzymujemy na wyjściu U₂(t) wykres w kształcie igły.

Dla sygnału piło kształtnego na wejściu U₁(t) otrzymujemy na wyjściu U₂(t) wykres w kształcie prostokątów.

Dla sygnału sinusoidalnego na wejściu U₁(t) otrzymujemy na wyjściu U₂(t) wykres sinusoidalny o zmienionej fazie.

2

---