V první části článku jsme se seznámili s pojmem operační zesilovač, pojmy s ním související a s několika základními zapojeními. Pojďme dál.
Střídavý zesilovač
Co když ale nastane situace, kdy potřebujeme zpracovávat střídavý signál a záporné napájecí napětí není k dispozici? Příkladem audiosignál? Můžeme si vypomoci tak, že si vytvoříme střed napájecího napětí, napěťovým děličem sestaveným ze dvou rezistorů.
Leckdy to postačí, ale můžeme narazit na problém, že dělič buď bude pro konkrétní zapojení příliš měkký a nebo – pokud bude sestaven z rezistorů o malých hodnotách – bude zbytečně zatěžovat zdroj.
Když ovšem za napěťový dělič připojíme napěťový sledovač, získáme střed napájecího napětí, který už bude možno rozumně zatížit. Střed napájení, ke kterému můžeme vztáhnout napěťový dělič máme a vztáhneme k němu také vstupní signál, přivedený přes kondenzátor pomocí rezistoru, který také určuje vstupní impedanci zapojení. Zesilovač nyní bude zesilovat tak, že bude pro svou činnost považovat za zem právě střed napájecího napětí, což umožní rozkmit výstupu na obě strany od tohoto středu. Že se tak s audiosignálem dostaneme do rozsahu napětí pro ADC v MCU je asi jasné. Píšu střed, ale ne vždy to musí být polovina napájecího napětí, může být výhodnější zapojit napěťový dělič tak, aby napětí z děliče odpovídalo středu možného rozkmitu OZ, příkladem třetina napájecího napětí při 5V napájení LM358.
Obr. 5 – Zapojení invertujícího zesilovače
Pro audiosignál ale můžeme zapojit neinvertující zesilovač i jinak.
Obr. 6 – Jiné zapojení invertujícího zesilovače
V tomto zapojení si OZ nabije přes rezistory napěťového děliče ve zpětné vazbě kondenzátor tak, že jeho napětí je shodné s napětím na napěťovém děliči za vstupním kondenzátorem. Hodnotu kondenzátoru ve zpětné vazbě je potřeba zvolit dostatečně velkou, aby neměnil kmitočtovou charakteristiku zapojení v oblasti nízkých kmitočtů. Obecně vzato, čím větší hodnota, tím lépe.
Pro názornou představu je dobré si uvědomit, že pro stejnosměrný signál jako by žádný kondenzátor v zapojení nebyl, takže ze zesilovač se stane napěťový sledovač.
Naopak pro vysoké frekvence je možné si kondenzátor představit jako zkrat ke středu napájecího napětí. Na hodnotě tohoto kondenzátoru tedy závisí, jak dobře zapojení zesiluje nízké frekvence.
Druhé zapojení vypadá jednodušeji, ale je potřeba si uvědomit, že OZ je sice necitilivý na změny na napájecím napětí, ale zde tyto změny přivádíme z napájecího napětí na dělič za kondenzátorem na vstupu a tedy budou rezistory poděleny a pak OZ zesíleny.
Pro snažší pochopení – abych zapojení zbytečně nekomplikoval – budeme předpokládat, že napájecí napětí je dokonale stabilizované. V obou případech předpokládáme, že vstupní signál je střídavý a jeho rozkmit je se středem na zemi. Z toho vypývá i polarita kondenzátorů na vstupu, protože za kondenzátorem je polovina napájecího napětí, a tedy napětí vyšší než na vstupu před kondenzátorem. Výstup ze zapojení jak je, má rozkmit kolem středu napájecího napětí. Pokud požadujeme napětí na výstupu s rozkmitem kolem země, opět si pomůžeme kondenzátorem, stejně jako jsme to udělali na vstupu.
Invertující zesilovač
OZ se dá zapojit i jako invertující. Představme si, že neinvertující vstup připojíme k zemi, nebo při jednom napájecím napětí na střed napájení, výstup OZ připojíme přes rezistor k invertujícímu vstupu a vstupní napětí taktéž přes rezistor k invertujícímu vstupu.
Co se stane? Popišme si to s kladným i záporným napájecím napětím.
Neinvertující vstup OZ je na zemním potenciálu, takže na stejnou úroveň se OZ bude snažit dostat výstupem i invertující vstup. Pokud je vstup zapojen na zem, bude i výstup na zemi, vstupy i výstup mají stejné (nulové) napětí proti zemi. Pokud je na vstupu zapojení -1 V, výstupní napětí OZ se nastaví tak, aby na invertujícím vstupu OZ byla zem, tedy musí jít do kladného napětí a to tak, aby napěťový dělič měl na výstupu nulové napětí proti zemi. Když ke vstupu připojíme kladné napětí, výstup jde k zápornému napětí, aby opět splnil podmínku rovnosti napětí na vstupech, zde 0 V. Takto zapojený zesilovač tedy zesiluje, ale se znaménkem minus, otáčí polaritu signálu.
Takové zapojení má tu výhodu, že při jednom napájecím napětí je dělič, vytvářející střed napájecího napětí, zatěžován pouze kladným vstupem OZ, tedy téměř nijak.
Další výhodou je, že pokud není vstup zapojen, nastaví se výstup na stejné napětí, jako je na neinvertujícím vstupu, na němž je zem. Vznikne tedy invertující napěťový sledovač. Výhodou je i to, že pokud přivádíme na vstup střídavý signál přes kondenzátor, je za kondenzátorem definováno napětí, ke kterému je vstupní signál vztažen v dalším zapojení. Nevýhodou je pak to, že pro funkci napěťového sledovače se zesílením -1 musí mít oba rezistory naprosto shodnou hodnotu.
Na druhou stranu je zde možné nastavit zesílení i menší než -1, tedy vstupní signál napěťově zeslabit, přičemž v tomto případě může vstupní napětí značně převyšovat napájecí napětí OZ na obě strany, protože výstup OZ jej na invertujícím vstupu vždy dorovná ke vstupu neinvertujícímu. Výhodnost použití toho kterého zapojení ale, závisí na konkrétní aplikaci.