Op-Amp – Wzmacniacz operacyjny

Op-Amp – Wzmacniacz operacyjny

Op-Amp, czyli wzmacniacz operacyjny (ang. Operational Amplifier), to jeden z najważniejszych elementów układów analogowych, który znajduje zastosowanie w niemal każdej dziedzinie elektroniki – od prostych filtrów aktywnych po złożone układy przetwarzania sygnałów. Jego podstawową funkcją jest wzmacnianie różnicy napięć pomiędzy dwoma wejściami – wejściem odwracającym (-) i nieodwracającym (+). W rzeczywistych układach Op-Amp działa z zasilaniem symetrycznym (np. ±15V), co umożliwia wzmacnianie zarówno dodatnich, jak i ujemnych sygnałów wejściowych.

W świecie układów analogowych często właśnie od Op-Ampa zaczyna się naukę projektowania – dlatego dziś przybliżę Ci, jak działa, jakie są jego kluczowe parametry i gdzie najczęściej się go stosuje. Przy okazji zwrócimy uwagę na kilka pokrewnych tematów, jak np. wzmacniacze różnicowe czy buforowe, które również bazują na tej samej strukturze.

Podstawowa budowa i działanie

Typowy wzmacniacz operacyjny posiada dwa wejścia i jedno wyjście. Różnica napięć między wejściami jest mnożona przez wzmocnienie (ang. open-loop gain), które w teorii sięga wartości rzędu 100 000 lub więcej. Jednak w praktyce Op-Amp działa głównie w konfiguracji ze sprzężeniem zwrotnym (feedback), które stabilizuje jego działanie i nadaje mu pożądane właściwości. Przykładowo, w konfiguracji nieodwracającej uzyskujemy dodatnie wzmocnienie napięcia wejściowego, natomiast w konfiguracji odwracającej – ujemne wzmocnienie, a sygnał wyjściowy zmienia znak względem wejściowego.

Najczęstsze konfiguracje aplikacyjne

• Wzmacniacz odwracający: sygnał wejściowy trafia na wejście (-), a sprzężenie zwrotne tworzy dokładnie określone wzmocnienie.
• Wzmacniacz nieodwracający: sygnał trafia na wejście (+), a układ zapewnia dodatnie wzmocnienie bez odwrócenia fazy.
• Bufor (follower): specjalny przypadek wzmacniacza nieodwracającego o wzmocnieniu równym 1 – bardzo często stosowany do separacji impedancyjnej.
• Sumator: pozwala na dodawanie kilku napięć wejściowych i generowanie ich sumy na wyjściu – przydatny np. w układach audio miksujących sygnały.
• Filtry aktywne: Op-Ampy stosuje się do tworzenia filtrów dolnoprzepustowych, górnoprzepustowych i pasmowych bez użycia cewek.

Parametry techniczne, które warto znać

Podczas projektowania układów z Op-Ampem istotne są parametry takie jak:

• CMRR (Common Mode Rejection Ratio): zdolność tłumienia sygnałów wspólnych dla obu wejść.
• PSRR (Power Supply Rejection Ratio): odporność na zmiany napięcia zasilania.
• Offset napięcia: niewielka różnica napięcia, która powoduje, że wyjście nie wynosi dokładnie 0 V przy braku sygnału.
• Slew Rate: maksymalna szybkość zmiany napięcia wyjściowego – szczególnie ważna w układach audio i szybkiej automatyki.
• Bandwidth (pasmo przenoszenia): zakres częstotliwości, dla którego układ zachowuje liniowość wzmocnienia.

Zastosowania w praktyce

Wzmacniacze operacyjne spotykamy w urządzeniach pomiarowych, układach automatyki, systemach audio, czujnikach przemysłowych, a nawet w medycynie – np. w wzmacniaczach sygnału EKG. Jednym z ciekawszych zastosowań są wzmacniacze różnicowe, które pozwalają precyzyjnie odczytywać sygnały z mostków pomiarowych (np. tensometrycznych). Również w przetwornikach A/C i C/A Op-Ampy pełnią ważną rolę buforującą i wzmacniającą, aby uzyskać odpowiednią jakość konwersji.

W systemach zasilanych bateryjnie często używa się Op-Ampów typu rail-to-rail, które mogą pracować w pełnym zakresie napięcia zasilania – od 0V do Vcc. Dzięki temu możliwe jest projektowanie energooszczędnych układów, co ma znaczenie np. w elektronice mobilnej czy sensorach IoT.

Rodzaje i popularne modele

Na rynku istnieje wiele rodzin wzmacniaczy operacyjnych, różniących się parametrami, napięciem zasilania, szybkością działania czy odpornością na zakłócenia. Przykładowe, często spotykane modele to:

• LM741: klasyczny Op-Amp o umiarkowanych parametrach – idealny do nauki i podstawowych zastosowań.
• TL081/TL082: niskoszumowe wzmacniacze z wejściami FET – stosowane m.in. w sprzęcie audio.
• LM358: podwójny wzmacniacz o niskim poborze prądu – chętnie wykorzystywany w systemach zasilanych bateryjnie.
• OPA2134: wysokiej klasy Op-Amp do zastosowań audio, cechujący się bardzo niskimi zniekształceniami.

Warto zaznaczyć, że zasada działania Op-Ampa nie zmienia się niezależnie od modelu – różnią się one jedynie szczegółami implementacyjnymi i jakością sygnału. Dlatego też, jeśli zrozumiesz jeden model, bardzo łatwo poradzisz sobie z każdym innym.

Choć skupiamy się tutaj na klasycznym zastosowaniu wzmacniaczy operacyjnych, w praktyce często łączy się je z innymi układami, takimi jak komparatory czy regulatory napięcia – a więc elementy, które też bazują na różnicowym wzmacnianiu sygnału. Jutro przyjrzymy się bliżej temu, czym różni się Op-Amp od komparatora i kiedy należy stosować jeden, a kiedy drugi – co pozwoli Ci lepiej rozumieć ich miejsce w architekturze obwodów analogowych.