Wzmacniacz odwracający

Wzmacniacz odwracający to jeden z najprostszych i najczęściej stosowanych układów analogowych. Przy pomocy zaledwie dwóch rezystorów możemy ustalić wzmocnienie, jakie chcemy uzyskać. Nic nie stoi na przeszkodzie, by wzmocnienie było mniejsze od 1, czyli żeby ze wzmacniacza zrobić osłabiacz :)

Często dodaje się jeszcze jeden rezystor R3 o rezystancji równej R1 i R2 połączonych równolegle. 

Żeby zrozumieć jak działa wzmacniacz odwracający, zrobimy sobie symulację działania prostego układu ze schematu poniżej. Mamy na wejściu napięcie 4V, a rezystory R1=1k oraz R2=2k. Można by oczywiście podstawić to wszystko do wzoru i od razu wyliczyć wynik, ale przypatrzmy się dokładnie, jak działa ten układ.

Zacznijmy od przypomnienia sobie podstawowych zasad działania wzmacniacza operacyjnego, które opisałem w artykule o wtórniku napięcia.

• Zasada 1 - wzmacniacz operacyjny tak oddziaływuje swoim wyjściem na wejście, poprzez ujemne sprzężenie zwrotne, by napięcia na wejściu odwracającym (-) i nieodwracającym (+) były sobie równe

Zwróć uwagę, że wejście nieodwracające (+) jest połączone z masą, czyli występuje na nim napięcie 0V. Zgodnie z tą regułą, na wejściu odwracającym (-) też musi być 0V.

Znamy więc napięcie panujące pomiędzy nóżkami rezystora R1 i znamy jego rezystancję, wynoszącą 1k. Zatem możemy wykonać jakże skomplikowane obliczenie, zwane prawem Ohma, i obliczyć jaki płynie prąd przez ten rezystor. Jest to I = U/R = (4V-0V)/1k czyli 4mA. Aby wiedzieć, gdzie dalej płynie ten prąd, musimy znać kolejną zasadę działania wzmacniacza.

• Zasada 2 - wejścia wzmacniacza nie pobierają prądu

Zatem prąd płynący przez R1 płynie również przez R2!

Znów sięgamy po prawo Ohma i obliczamy jakie napięcie występuje na rezystorze R2. Znamy jego rezystancję, wiemy jakie prąd przez niego płynie, zatem U = IR = 4mA*2k = 8V. Czy na wyjściu mamy więc 8V? Uwaga na pewien haczyk, na który łatwo się złapać! Przypominam, że jest to wzmacniacz odwracający, czyli jeśli na wejściu mamy napięcie dodatnie, to na wyjściu powinno być ujemne. Jak to się dzieje? Poprzez rezystor R1 płynie prąd i powoduje spadek napięcia o 4V - z czertach woltów do zera. Prąd ten płynie przez R2 i powoduje kolejny spadek napięcia o 8V, a więc z 0V do -8V i takie napięcie jest na wyjściu wzmacniacza.

Jest jeszcze jeden haczyk związany z kolejną zasadą:

• Zasada 3 - napięcia na wejściach oraz wyjściu muszą być w zakresie pomiędzy dodatnim i ujemnym napięciem zasilającym

Czyli musimy sprawdzić czy obliczone przez nas napięcia są realne do osiągnięcia przez wzmacniacz. Często początkujący myślą, że wzmacniacz działa jak perpetuum mobile i wytwarza napięcie z niczego, a pamiętać trzeba, że wzmacniacz do pracy potrzebuje również zasilania. Klasycznie wzmacniacze zasilamy napięciem -15V i +15V. W takiej sytuacji nasze -8V, jakie obliczyliśmy jest wynikiem realnym do osiągnięcia przez wzmacniacz, gdyż znajduje się w tym zakresie. Jednak współczesny wzmacniacze często są zasilane są napięciem 0V i 5V albo jeszcze niższym. W takiej sytuacji nie ma szans, by wzmacniacz uzyskał -8V na wyjściu. Przy projektowaniu układów wzmacniających zawsze pamiętaj, że teoretyczne obliczenia zawsze trzeba skonfrontować z rzeczywistością, fizycznymi możliwościami i ze zdrowym rozsądkiem.

Wzmacniacz odwracający ma pewną wadę, która może go eliminować w niektórych zastosowaniach. Wiemy już, że wtórnik napięciowy nie obciąża źródła sygnału, ponieważ wejścia wzmacniacza mają bardzo dużą rezystancję, przez co pobierają prąd tak mały, że w większości przypadków można go pominąć (zasada 2). Wzmacniacz odwracający ma rezystancję wejściową taką, jak R1, a w praktycznych układach jest ona w przedziale 1k...1M. Dla porównania, wzmacniacz z wejściami z tranzystorów polowych mają rezystancję rzędu setek megaomów czy nawet gigaomów! Czyli czasami może być konieczne, by przed wzmacniaczem odwracającym wstawić wtórnik napięcia.