Wzmacniacze operacyjne umożliwiają łatwe przełożenie teorii na praktykę. Jeśli musisz zbudować filtr lub przedwzmacniacz, często najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie wzmacniacza operacyjnego.

Wzmacniacz operacyjny ma dwa wejścia i jedno wyjście. Na schematach (rysunek 17.1) jest reprezentowany jako trójkąt z wyjściem wychodzącym z jednego wierzchołka i dwoma wejściami po przeciwnej stronie (oznaczonymi jako + i –). Potrzebne są też połączenia z plusem i minusem. Takie wzmacniacze są dostępne w postaci różnych układów scalonych o pięciu, sześciu lub ośmiu pinach. Istnieją też układy scalone zawierające dwa lub cztery wzmacniacze operacyjne w jednej obudowie.

Rysunek 17.1. Schemat symboliczny wzmacniacza operacyjnego

Wzmacniacze operacyjne wzmacniają różnicę między wejściami + i –. Wzmocnienie jest zwykle mierzone w milionach, a nawet miliardach razy. Tak więc napięcie wyjściowe może być 1 000 000 razy większe niż różnica między napięciami wejściowymi. Tak duże wzmocnienie może wydawać się pożądane, jest jednak zbyt wysokie, by można je w przydatny sposób wykorzystać. Aby ograniczyć
to wzmocnienie do bardziej akceptowalnego poziomu, wzmacniacze operacyjne prawie zawsze są używane z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, gdzie część napięcia wyjściowego jest przekazywana do wejścia ujemnego.

Wzmacniacze operacyjne standardowo używają wzmacniaczy symetrycznych z plusem i minusem zasilania oraz z GND pośrodku. Jednak powszechność mikrokontrolerów z jednym źródłem zasilania 3,3 V lub 5 V spowodowała, że wiele wzmacniaczy operacyjnych potrafi z nimi działać.

Układ scalony wzmacniacza operacyjnego w większości sytuacji jest znacznie wygodniejszy niż projekt z odrębnym tranzystorem. Układ scalony pozwala zmniejszyć liczbę komponentów i zwykle działa bardzo sprawnie. Dostępne są różne typy wzmacniaczy operacyjnych dostosowane do różnych źródeł zasilania, częstotliwości i wymagań związanych z szumem.

Wybór wzmacniacza operacyjnego

Problem

W internetowych katalogach komponentów znajdziesz dosłownie tysiące modeli wzmacniaczy operacyjnych. Powinieneś wybrać odpowiedni dla realizowanego projektu. 

Rozwiązanie

W tym miejscu staram się ograniczyć bardzo duży wybór do niewielkiego zestawu łatwo dostępnych urządzeń, użytecznych we wszystkich możliwych zastosowaniach. 

Oto czynniki, które należy uwzględnić:

• Cena.
• Zakres zasilania.
• To, czy potrzebne są wejścia i wyjścia umożliwiające pracę w pełnym zakresie zasilania (wzmacniacze typu rail-to-rail).
• Szybkość. Iloczyn wzmocnienia i częstotliwości odcięcia (ang. gain bandwidth product) to częstotliwość, przy jakiej wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego (bez sprzężenia zwrotnego) spada do 1.
• Szybkość narastania napięcia wyjściowego. Jest to maksymalna szybkość, z jaką może narastać napięcie wyjściowe.
• Tłumienie sygnału współbieżnego (ang. Common Mode Rejection — CMR). Wzmacniacz operacyjny wzmacnia różnicę między dwoma wejściami. CMR wzmacniacza operacyjnego to stopień, w jakim jednoczesne zmiany w obu wejściach są ignorowane. Stopień ten jest mierzony w decybelach.
• Szum. Wszystkie obwody elektroniczne generują niewielki szum. Gdy sygnał jest bardzo słaby, może to powodować problemy. Dlatego czasem w zastosowaniach wymagających dużego wzmocnienia konieczne są wzmacniacze niskoszumowe.
• Prąd zasilania. Niektóre wzmacniacze operacyjne wymagają tak niewiele prądu, że nadają się do długoterminowego zasilania bateryjnego. Część wzmacniaczy operacyjnych udostępnia też tryb energooszczędny lub uśpienia, co pozwala prawie je wyłączyć. Na przykład mikrokontroler może przełączyć wzmacniacz w taki tryb przed uśpieniem samego siebie w celu ograniczenia zużycia baterii.
• Prąd wyjściowy. Czasem wysokie natężenie prądu wyjściowego ze wzmacniacza operacyjnego może być przydatne do bezpośredniego zasilania niewielkiego obciążenia.
• Liczba wzmacniaczy operacyjnych w obudowie. Wzmacniacze są dostępne w obudowach obejmujących od jednego do czterech takich komponentów. Jeśli tworzysz obwód wymagający wielu wzmacniaczy operacyjnych, możesz zaoszczędzić miejsce i pieniądze dzięki obudowie z kilkoma takimi urządzeniami.

Przydatny zestaw urządzeń, od jakich można zacząć, jest przedstawiony w tabeli 17.1.

Tabela 17.1. Wybór odpowiedniego wzmacniacza operacyjnego

Opis - wzmacniacz operacyjny

Zdarza się, że w konkretnym zastosowaniu trzeba posłużyć się urządzeniem innym niż te podane w tabeli 17.1. Możliwe, że potrzebujesz wzmacniacza operacyjnego działającego z wysoką częstotliwością i z wysokim górnym napięciem zasilania. W takim scenariuszu prawie na pewno dostaniesz potrzebne urządzenie, jednak aby je znaleźć, będziesz musiał poszukać w internecie rekomendacji i dokładnie zapoznać się ze specyfikacją.

Zauważ, że nie wszystkie wzmacniacze operacyjne mają ten sam układ pinów. W dodatku A przedstawione są układy pinów wzmacniaczy operacyjnych wymienionych w tym przepisie.

Zobacz również

Zapoznaj się ze specyfikacjami wzmacniaczy operacyjnych podanych w tym przepisie:

• 741 (http://www.ti.com/lit/np./symlink/lm741.pdf),
• LM321 (http://www.ti.com/lit/np./symlink/lm321.pdf),
• TLV2770 (http://www.farnell.com/datasheets/1962331.pdf),
• OPA365 (http://www.ti.com/lit/np./symlink/opa2365.pdf).

Zasilanie wzmacniacza operacyjnego (zasilanie symetryczne)

Problem

Potrzebujesz zasilacza odpowiedniego do zasilania wzmacniacza operacyjnego takiego jak LM741, który wymaga zasilania symetrycznego z biegunami dodatnim i ujemnym oraz z masą. 

Rozwiązanie

Zastosuj stabilizowane zasilanie, baterie lub oba te źródła. Użyj liniowego stabilizatora napięcia zamiast stabilizatora impulsowego. Zużycie prądu przez wzmacniacz operacyjny jest na tyle niskie, że nie trzeba uwzględniać sprawności zasilacza. Jeśli używasz wzmacniacza operacyjnego z zasilaczem symetrycznym, możesz posłużyć się wersjami stabilizatora liniowego dla plusa i minusa, tak jak dla zasilania ±12 V na rysunku 17.2.

Bardzo przydatne jest stosowanie razem ze wzmacniaczami operacyjnymi kondensatorów odsprzęgających. Jeśli wymagania nie są wysokie, wystarczy jeden kondensator 100 nF umieszczony blisko układu scalonego wzmacniacza. Przy wyższych wymaganiach, gdy
wzmocnienie jest wysokie, często stosowane są dwa kondensatory (100 nF i 10 μF) umieszczone obok siebie i blisko układu scalonego.

Rysunek 17.2. Stabilizowany zasilacz symetryczny o napięciu 12 V

Opis

Obok układu 78L12 (L pochodzi od ang. low-power, czyli „o małej mocy”), który stabilizuje napięcie dodatnie, stosowany jest stabilizator napięcia ujemnego 79L12.

Zobacz również

Choć zasilanie symetryczne występuje stosunkowo często w urządzeniach audio i sprzętach naukowych, zwykle wygodniej jest posługiwać się jednym źródłem zasilania. (patrz poniżej)

Zasilanie wzmacniacza operacyjnego (jedno źródło zasilania)

Problem

Chcesz stosować wzmacniacz operacyjny z jednym źródłem napięcia, a jednocześnie musisz zapewnić napięcie odniesienia między torami zasilania.

Rozwiązanie

Na rysunku 17.3 widać często stosowany sposób zapewniania stabilizowanego napięcia 5 V i napięcia odniesienia 2,5 V za pomocą dzielnika napięcia i kondensatora. Kondensator C3 stabilizuje napięcie, dzięki czemu jest ono mniej wrażliwe na zmiany w prądzie przepływającym przez źródło napięcia odniesienia.

Rysunek 17.3. Zapewnianie napięcia środkowego, gdy wzmacniacz operacyjny używa jednego źródła zasilania

Prawie wszystkie obwody wzmacniaczy operacyjnych wymagają środkowego napięcia odniesienia, aby generować ujemne sprzężenie zwrotne w celu ograniczenia wzmocnienia.

Opis - wzmacniacz operacyjny

Aby usprawnić ten projekt i zapewnić stabilne napięcie środkowe, zastosuj dzielnik napięcia i kondensator z buforem o wzmocnieniu jednostkowym. Jeśli stosujesz projekt, w którym używanych jest kilka wzmacniaczy operacyjnych, często można wykorzystać w rozwiązaniu „rezerwowy” wzmacniacz z obudowy obejmującej cztery takie urządzenia.

Elektronika z wykorzystaniem Arduino i Rapsberry Pi. Receptury, Autor: Simon Monk, Wydawnictwo: Helion