Operační zesilovače

Operační zesilovač (OZ) je univerzální stejnosměrný zesilovací analogový elektronický obvod, který je základním prvkem analogových elektronických systémů. V praxi je často pro výpočty nahrazován ideálním operačním zesilovačem.

Stejnosměrný širokopásmový zesilovač s velkým zesílením, který pomocí vhodné zpětné vazby a různých korekcí umožňuje realizovat různé přenosové funkce (lineární, nelineární), potlačit rušivé vlivy vyskytující se u ss zesilovačů. K OZ se přidávají další součástky (operační síť). OZ umožňují konstruovat obvody pro matematické operace, vyrábět kvalitní zesilovače, oscilátory, regulátory, klopné obvody apod. Nacházíme je i v modulátorech, demodulátorech, směšovačích, A/D a D/A převodnících…

Vnitřní struktura OZ: - vstupní zesilovač – sestaven z tranzistorů, je zapojen jako rozdílový zesilovač - zesilovací stupeň – zajišťuje velké napěťové zesílení, Darlingtonova dvojice - koncový stupeň – výkonové zesílení a oddělení OZ od zátěže Vlastnosti Ideálního OZ: - nekonečně velké napěťové a proudové zesílení - nekonečně velký vstupní odpor, nulový výstupní odpor - frekvenční nezávislost, nekonečně velké potlačení součtového signálu Skutečné OZ těchto vlastností nikdy nedosáhnou, pouze se těmto požadavkům přibližují.

Základní parametry OZ:

Vlastnosti

Při použití OZ musíme vzít v úvahu reálné vlastnosti, které nemohou dosahovat výše uvedených hodnot ideálního OZ. Kromě toho je třeba počítat s některými omezeními a nedostatky danými použitou technologii a fyzikálními vlastnostmi polovodičů.


Vstupní napěťová nesymetrie:

Protože vstupní obvody nejsou nikdy naprosto stejné, objevuje se na výstupu napětí, i když je na obou vstupech napětí shodné. Kromě toho dochází ke změnám vstupní napěťové nesymetrie i v závislosti na teplotě (teplotní drift), proto je třeba nesymetrii kompenzovat až po zahřátí OZ na provozní teplotu.


Kmitočtová kompenzace

Při zesilování střídavého napětí se směrem k vyšším kmitočtům snižuje zesílení a mění fáze signálu. To bývá příčinou nestability. Pokud se totiž fáze změní až o 180°, změní se původně záporná zpětná vazba na kladnou a OZ se rozkmitá. Proto se zavádí kmitočtová kompenzace. Některé OZ mají kmitočtovou kompenzaci vnitřní(uvnitř pouzdra), k ostatním se připojují pasivní součástky podle doporučení výrobce.


Rychlost přeběhu

Rychlost přeběhu znamená rychlost změny výstupního napětí, na jakou dokáže OZ reagovat na skokovou změnu vstupního napětí. Udává se ve voltech za mikrosekundu. Čím vyšší je toto číslo, tím je větší šířka přenášeného pásma a nižší nelineární zkreslení.


Vstupní klidový proud (IIB): Napětí, které se objeví na výstupu OZ, i když je vstupní signál nulový, je způsobeno nejen vst. napěťovou nesymetrií, ale i průchodem vstupního klidového proudu IB0 odporem vstupního zesilovače. Vzniklé napětí na odporu se pak zesilovačem zesílí a objeví na výstupu. Jedná se tedy o proud, který musíme přivést na vstup zesilovače, abychom na jeho výstupu dosáhli nulového napětí.

Vstupní proudová nesymetrie (I10): Nesymetrie vstupních obvodů OU vyvolá rozdíly vstupních proudů IB1 a IB2 * I10 = IB1 – IB2. Nedokonalá symetrie se projeví vznikem určitého napětí na výstupu OZ (jedna desetina IIB).

Vstupní rozdílová impedance: Jedná se o poměr vstupního napětí a proudu samotného OZ bez zpětné vazby. Impedance se měří mezi jednou vstupní svorkou a zemí, druhá je uzemněna. Maximální napájecí napětí: překročení má následek průrazu, přehřátí

Potlačení souhlasného signálu – CMR Maximální dovolená výkonová ztráta Pmax: max. výkon, kterým můžeme OZ zatěžovat

Napěťové zesílení Au při otevřené smyčce zpětné vazby:

Tato hodnota se mění, závisí na UCC, teplotě a frekvenci. Když OZ zpracovává ss signál, frekvenční závislost nás nezajímá, při střídavém signálu je frekvenčně závislý. S rostoucí frekvencí klesá jeho zesílení, mění se fáze výstupního napětí – signál se natáčí. Při vyšší frekvenci se uplatňuje kapacita přechodu B-C, která se ještě více zvětšuje se zesílením Au.


Invertující zesilovač

Víme, že zesílení OZ bývá vysoké, jeho konkrétní hodnotu můžeme získat zapojením na obrázku. Invertující signál je přiveden na invertující vstup a na výstupu se objeví v opačné fázi(=polaritě). A = U2/U1 = R2/R1 = Z2/Z1 Zesílení je dáno poměrem rezistorů, obecně poměrem impedancí.


Neinvertující zesilovač

Signál přivádíme na neinvertující vstup, fáze se neobrací, ale napětí nemůže klesnout na výstupu pod hodnotu výstupního. To znamená, že zesílení může být nejméně 1. A = U2/U1 = 1+ R2/R1 = 1+ Z2/Z1

Rozdělení operačních zesilovačů:

Univerzální OZ
- určeny pro běžné použití,kde nejsou kladeny nadměrné požadavky na kvalitu. Parametry jsou průměrné. MAA 741,748, LM 301A, MAC 155
Přístrojové OZ
– měření malých napětí, velké zesílení, malé zbytkové napětí, kladeny velké nároky i ohledně časové stability parametrů. WSH 526,527,530, HA2905
Širokopásmové a rychlé OZ
– zpracovávání vysokých frekvencí až 700 MHz a impulsů, mají vysoký mezní kmitočet. MAC 157, WSH 115,217, HA 2525
OZ pro velká výstupní napětí
– dosahují na výstupu až stovek voltů ± až 150V, parametry odpovídají univerzálním OZ, např. LM 344
Speciální OZ
– patří sem mikropříkonové s malou spotřebou, OZ s výstupním výkonem přes 1W a výst. proudem přes 100mA. MDA 2020, TDA 2030,2040, LM380.