Operačný zosilňovač

Operačný zosilňovač (hovorovo aj operák) je jednoduchý analógový integrovaný obvod so skoro nekonečným prúdovým a napäťovým zosilnením.

Schematická značka operačného zosilňovača

Použitie

Pri nekonečnom zosilnení je možné pri použití zápornej spätnej väzby prakticky eliminovať nelinearitu každého zosilňovača.

Prvky s operačným zosilňovačom sú také presné, že je s nimi možné vykonávať matematické operácie, odtiaľ aj ich názov.

Matematické operácie:

• Násobenie konštantou (jednoduchý zosilovač)
• Násobenie číslom
• Sčítanie/odčítanie dvoch čísel
• Delenie
• Integrál (podľa času)
• Derivácia (podľa času)
• Exponenciálna funkcia
• Logaritmus

S operačným zosilňovačom sa dajú robiť aj iné obvody, na ktoré nikdy nebol plánovaný, napr.:

• Schmittov klopný obvod
• Oscilátor (astabilný klopný obvod) - aj harmonický (so sínusovým priebehom)
• Monostabilný klopný obvod
• a mnohé ďalšie

Dá sa s ním aj porovnávať napätie, či je rovnaké, ale na ten účel bol vyvinutý jednoduchší variant operačného zosilňovača, ktorá sa nazýva komparátor.

Konštrukcia

Klasický operačný zosilňovač má dva vstupy, + a -. To sú vlastne vstupy do diferenčného zosilňovača. Po ňom nasleduje dvojitý (alebo aj trojitý) kaskádový zosilňovač a prúd zo vstupu býva ešte zosilnený zosilňovačom v Darlingtonovom zapojení. Vznikne tak obrovské prúdové zosilnenie.

Problém je, že sa zosilňuje aj chyba, preto prvý stupeň býva čo najpresnejší a najprecíznejší.

V modernejších typoch sa už namiesto bipolárnych tranzistorov používajú JFET alebo MOSFET. Tieto tranzistory už eliminovali skoro všetky problémy klasických bipolárnych operačných zosilňovačov.

Obmedzenia

Saturácia

Nekonečné zosilnenie neznamená, že je na výstupe nekonečno, ale to, že reaguje na (skoro) nekonečne malý vstup a výstup prejde do maximálnej alebo minimálnej hodnoty podľa polarity rozdielového napätia na vstupe.

Viac ako pod minimum alebo nad maximum výstup ísť nemôže. Keď sa dosiahne minimum alebo maximum, hovoríme, že zosilňovač je saturovaný, signál sa orezáva.

Saturácia má ale aj využitie - vďaka nej môžeme OZ zapojiť ako komparátor.

Mŕtve pásmo

Toto maximum/minimum je o niečo menšie/väčšie ako napájanie. Vznikne tak mŕtve pásmo (mŕtvola), ktoré robí problémy hlavne v kombinácii s TTL obvodmi. Dnes však už existujú rail-to-rail operačné zosilňovače, ktoré mŕtvolu nemajú.

Rýchlosť

Klasické operačné zosilňovače boli pomalé. Obyčajne f_T ležala pri 100 kHz, to znamená, že pri 100 kHz mali zosilnenie namiesto maxima len 1. Zosilnenie klesá so stúpajúcou frekvenciou signálu.

Moderné operačné zosilňovače sú rýchlejšie, ale plné zosilnenie majú tiež len pri ~10 MHz.

Malý prúdový výstup

Väčšinou cca. 10 mA, dá sa ale zvýšiť emitorovým sledovačom.

Pozri aj

• Diferenciálny zosilňovač
• Komparátor