Operační zesilovač (zkratka OZ) je univerzální stejnosměrný zesilovací analogový elektronický obvod, jenž je základním prvkem analogových elektronických systémů. Operační zesilovač je často v praxi a pro výpočty nahrazován ideálním operačním zesilovačem. Je napájen symetrickým napětím.
Oblast použití: V řídící a regulační technice slouží OZ jako komparátory referenčního a sledovacího napětí, jako regulátory a v měřicí technice jako měřící zesilovače s vysokým vstupním odporem. Jsou dále používány v číslicové technice jako klopné obvody, digitálně-analogové převodníky a spínače při nastaveném napětí, nebo též v NF-předzesilovače, NF-koncové stupně a zdroje konstantního proudu, nebo konstantního napětí.
OZ se skládá z několika stupňů. Vstupní stupeň je vždy diferenciální zesilovač, budící stupeň je napěťový zesilovač, a koncový stupeň je většinou tvořen komplementárním zesilovačem.
| Vstupní (diferenciální zesilovač) | |
|---|---|
 |
Vstupní zesilovač má kladné (+Un) i záporné (-Un) napájecí napětí. Oba tranzistory odebírají emitorový proud ze zdroje konstantního proudu. Ona tranzistory jsou nastaveny tak, že při U1D = 0 jsou oba kolektorové proudy stejné, tzn. UA = 0.
Přivedeme-li na vstup E1 kladné napětí U11 otevře se tranzistor Q1, to způsobí kladné napětí UA. Přivedeme-li na vstup E2 kladné napětí U12 otevře se tranzistor Q2, to způsobí záporné napětí UA. Za diferenciálním zesilovačem je budící zesilovač a pak koncový stupeň. |
| Zapojení reálného OZ | |
|---|---|
 |
|
| proudové zrcadla (červeně) – Slouží jako proudové zdroje vstupní zesilovač (modře) – Velký vstupní odpor napěťový zesilovač (růžově) – Velké zesílení koncový zesilovač (bledě modře) – Malý výstupní odpor |
|
| Značka OZ a základní funkce | |
|---|---|
 |
|
| Je-li invertující vstup U– uzemněn a signál přiveden na neinvertující vstup, pak signál na výstupu je ve fázi se vstupním signálem.
Je-li neinvertující vstup U+ uzemněn a signál přiveden na invertující vstup, pak signál na výstupu je fázově posunut o 180° vzhledem ke vstupnímu signálu. |
|
Zesílení rozdílového signálu Ad může být vyjádřeno jako Ad = ∆Uout /∆Ud = ∆Uout /∆U+-U–a u reálných operačních zesilovačů leží v intervalu 80 – 100 dB, nazývá se vlastním zesílením (zesílení bez zpětné vazby).
| Zesilovací charakteristika | |
|---|---|
 |
|
| Zesilovací charakteristika ideálního operačního zesilovače prochází počátkem (plná křivka na obrázku). Zesilovací charakteristika reálného operačního zesilovače (čárkovaná křivka na obrázku) je posunuta na ose Ud o veličinu U0. Posun zesilovací charakteristiky U0 může být u většiny operačních zesilovačů zanedbán nebo vykompenzován. V praxi se tento posun zanedbává. | |
Vstupní odpor
Reálné operační zesilovače mají konečný vstupní odpor. Rozlišujeme vstupní odpor vůči rozdílovému signálu Rd a vstupní odpor vůči souhlasnému signálu Rg. V operačních zesilovačích s bipolárními tranzistory vstupní odpor vůči rozdílovému signálu Rd nabývá hodnot miliónů Ohmů (MΩ) a vstupní odpor vůči souhlasnému signálu může být až o tři řády větší (GΩ).
- Ideální operační zesilovač má následující vlastnosti
- nekonečně velké napěťové zesílení
- nekonečně velký vstupní odpor
- nulový výstupní odpor
- nekonečnou šířku pásma (zesiluje od nulové do nekonečné frekvence)
- nulový šum
- nulové offsetové napětí (jsou-li napětí na vstupech shodná, je na výstupu skutečně přesně nulové napětí)
- žádný z parametrů nezávisí na teplotě
| Invertující OZ | |
|---|---|
 |
|
| – invertující zapojení mění polaritu – vstupní napětí Ue vede přes rezistor Re na invertující vstup – neinvertující vstup OZ je připojen na zemní svorku – záporná zpětná vazba je připojena přes rezistor RkU invertujícího OZ je část výstupního napětí jako regulace přiváděna přes zpětnovazební rezistor Rk zpět na invertující vstup.UA = RK / RE x UE V = UA /UE = – RK / RE V – napěťový zesilovací činitel UA – výstupní napětí UE – vstupní napětí RU – zpětnovazební odpor RE – odpor na invertujícím vstupu |
|
| Neinvertující OZ | |
|---|---|
 |
|
| – má velký vstupní odpor např. 10 MΩ a malý výstupní odpor např. 0,1Ω – vstupní i výstupní napětí mají stejnou polaritu – vhodný jako měřící zesilovačUA = UE x (1 + RK / RQ) |
|
| Diferenciální OZ | |
|---|---|
 |
|
| – rozdílový operační zesilovač – na výstupu je zesílený rozdíl napětí UE2 a UE1 – u diferenciálního zesilovače se často volí R1 = RE a R2 = RK – mají velký význam v měřicí techniceUA = (UE2 – UE1) x RK / RE |
|
| Integrační OZ | |
|---|---|
 |
|
| – integrační člen má v negativní zpětné vazbě kondenzátor CK – veškeré proudy tečou do kondenzátoru CK – tyto integrované obvody se používají např. jako zdroje pilových kmitů, a jako D-A převodníky.  |
|
| Derivační OZ | |
|---|---|
 |
|
| – derivační člen má na vstupu kondenzátor CE – kondenzátorem CE protéká proud jen při měnícím se vstupním napětí UE – zapojení zdůrazňuje vyšší kmitočty – fázový posun vede k nestabilitě → lze vyřešit přidáním R a C – slouží např. jako generátor jehlových kmitů pro zapalování tyristorů  |
|
