Jedním z nejčastěji používaných obvodových řešení v přístrojové, měřicí, regulační i nízkofrekvenční technice je tzv. operační zesilovač. Protože je použit i v našem zesilovači - použité zesilovače jsou vlastně výkonové operační zesilovače určené pro použití v nf technice - je zde ve stručnosti zmíněna pro připomenutí jeho funkce. Jde velmi hrubý náčrt. Pro bližší informace prostudujte např. [1] nebo [2], případně technické publikace dostupné na stránkách výrobců polovodičových součástek.
Operační zesilovač je uzavřený elektronický obvod, který se v současnosti nejčastěji vyrábí ve formě integrovaného obvodu (i když je možné jej poskládat i z diskrétních součástek). Pro svou funkci vyžaduje minimálně 5 vývodů podle uvedeného obrázku. Kromě dvou vývodů pro kladné a záporné napájecí napětí je potřeba vývod pro výstup a dva vstupy. Jeden ze vstupů je invertující (-), druhý je neinvertující (+).
Funkce operačního zesilovače je velmi jednoduchá. Zesiluje rozdílové napětí mezi oběma vstupy velkým zesílením. Ideální zesilovač by měl zesílení nekonečně velké. Reálný zesilovač má samozřejmě zesílení konečné (u použitých výkonových operačních zesilovačů je zesílení v řádu 10000krát). Aby se zesilovač dal v praxi rozumně použít, je nutné u něj vhodně zapojit tzv. zpětnou vazbu. Bez zpětné vazby by se operační zesilovač choval jako komparátor. Při neinvertujícím vstupu kladnějším než invertující by byl výstup na maximální kladné hodnotě, v opačném případě by byl výstup s max. záporným napětím.
Zpětnou vazbu operačního zesilovače je možné zapojit různým způsobem. V případě výkonových nf zesilovačů doporučují výrobci používat integrovaný obvod jako neinvertující zesilovač.
Vzroste-li vstupní napětí na kladnou hodnotu, změní se výstupní napětí na takovou hodnotu, kdy se napěťově srovnají oba vstupy. Pokud by výstupní napětí chtělo růst dále, stal by se invertující vstup kladnější a výstup by musel jít směrem k zápornému napětí. Změna vstupního napětí do záporných hodnot se projeví obdobně.
Velikost zesílení je možné vypočítat ze vztahu
A = 1 + R2 / R1
Poznamenejme, že pokud bychom vynechali rezistor R1 (měl by nekonečnou hodnotu), stane se ze zapojení tzv. sledovač se zesílením 1.
Aby mohl operační zesilovač zpracovávat střídavý signál, musí mít symetrické napájecí napětí. Signál na jeho výstupu bude nabývat jak kladných, tak záporných hodnot. Ne vždy je k dispozici symetrické napájení. Pro zpracování nf signálu je naštěstí možné obvod modifikovat pomocí 3 kondenzátorů a 1 rezistoru tak, aby pracoval i s nesymetrickým napájením.
Kondenzátory na vstupu a výstupu oddělují stejnosměrně procházející signál a další kondenzátor odděluje i zpětnou vazbu. Klidové úrovně na vstupech i výstupu jsou posunuty na napětí odpovídajícího polovině napájecího napětí. Při kladném vstupním signálu výstup jde nahoru směrem k napájení, při záporném klesá dolů směrem k nule. Klidová úroveň je definována napětím přivedeným přes rezistor na neinvertující vstup.
Na závěr jenom poznamenejme, že zapojení s nesymetrickým napájením má některé nectnosti. Kondenzátor oddělující zpětnou vazbu ovlivňuje minimální přenášený kmitočet, protože při nízkých kmitočtech roste jeho reaktance. Podobně může svými parametry (kapacita, sériový vnitřní odpor) částečně ovlivnit signál i kondenzátor na výstupu. Pro jednoduché zesilovače ale ovlivnění není nijak podstatné.
[1] Jaroslav Belza, Operační zesilovače pro obyčejné smrtelníky, BEN 2004
[2] Josef Punčochář, Operační zesilovače v elektronice, BEN 2002