7.1 História operačných zosilňovačov



Obr.7.1 Elektrónkový operačný zosilňovač z roku 1952 [7.6].

Operačný zosilňovač pôvodne skonštruovaný z elektroniek G.A. Philbrickom bol na začiatku štyridsiatich rokov minulého storočia používaný v analógových počítačoch. Meno “operačný zosilňovač” bolo vybrané pretože obvod sa využíval ako “zosilňovač” s vysokým ziskom na matematické “operácie” . Neskôr v roku 1958 boli vyvinuté polovodičové integrované operačné zosilňovače, ktoré už našli veľké uplatnenie.[7.1]



7.2 Základné vlastnosti operačných zosilňovačov


Operačné zosilňovače “vedia” sčítať, odčítať, meniť znamienko, vytvárať rôzne časové priebehy, tvarovať signál. Patria medzi najrozšírenejšiu skupinu analógových obvodov. Základným parametrom operačných zosilňovačov napätia (prúdu) je to,že ich výstupné napätie je úmerné rozdielu vstupných napätí (prúdov). Vyrábajú sa použitím monolitickej technológie (na jednom čipe), čo zabezpečuje ich relatívne nízku cenu.[7.3][7.2]


Obr.7.2 Typické púzdra operačných zosilňovačov

Typický OZ je umiestnený v malom metalickom, alebo plastovom púzdre s primeraným počtom nožičiek umiestnených v dvoch radoch tkz. DIL (Dual in Line) púzdro. Uchytenie na plošný spoj je pomocou SMT (Surface Mountage technology) technológie, alebo klasicky prechodom cez dierky.


Obr.7.3 Zapojenie vývodov operačného zosilňovača MAA 741

7.3 Ideálny operačný zosilňovač

Ideálny operačný zosilňovač (OZ) predstavuje napätím riadený zdroj napätia s otvorenou slučkou spätnej väzby AOL (Open – Loop Gain).


Obr.7.4 Vlastnosti ideálneho operačného zosilňovača

Ďalšie vlastnosti ideálneho OZ sú :
- nekonečne veľké zosilnenie A
- nekonečne veľký vstupný odpor RVST (nulové vstupné prúdy)
- nulový výstupný odpor RVÝST (nekonečne veľký výstupný prúd)
- nekonečná rýchlosť nábehu SR (slow rate)
- nekonečne veľký rozsah výstupného napätia (nie obmedzené –UEE < U< +UCC)
- veľká šírka frekvenčného pásma BW ( Band Width)

Zmena napätia na neinvertujúcom (invertujúcom) vstupe spôsobí zmenu výstupného napätia v rovnakom (opačnom) zmysle. Ak hodnota napätia na neinvertujúcom (+) vstupe smeruje do kladnejších hodnôt ako na invertujúcom (-) vstupe potom napätie na výstupe smeruje do kladných hodnôt. Fáza výstupného napätia sa nemení. Ak priložíme harmonické napätie na invertujúci vstup fáza výstupného napätia sa zmení o 180°.[7.5][7.3]

V praxi sa reálne OZ svojimi parametrami ideálnym OZ len približujú. Typické hodnoty základných parametrov dosahovaných u reálnych OZ udáva tabuľka.

Parameter
Ideálny OZ
Reálny OZ
AOL (-)
∞
5.104 - 1.106
RVST (Ω)
∞
1.105 - 1.108
RVÝST (Ω)
0
1-100
BW (Hz)
∞
5.104 -1.109
SR (V/µs)
∞
0,1 - 5000

Tab.7.1 Parametre ideálneho OZ a reálneho OZ

7.4 Vnútorná štruktúra OZ

Operačný zosilňovač sa skladá z troch hlavných blokov a to diferenciálneho, napäťového a výstupného zosilňovača (obr.7.5). Kombináciu týchto obvodov dosahuje kľúčové vlastnosti vysokú vstupnú impedanciu, vysoké zosilnenie a nízku výstupnú impedanciu.

Diferenciálny (rozdielový) zosilňovač DIF nám na vstupe zabezpečuje veľké zosilnenie rozdielového vstupného napätia (medzi neinvertujúcim a invertujúcim vstupom) , veľký vstupný odpor a čo najväčšie potlačenie súčtového (súfázového) vstupného napätia.
Napäťový zosilňovač ZOS zabezpečuje viac ako polovicu hodnoty AOL celého operačného zosilňovača.
Koncový stupeň KS chráni pred prúdovým preťažením výstupu (skratu) a vytvára malý výstupný odpor.[7.2][7.3]


Obr.7.5 Bloková schéma operačného zosilňovača

Zjednodušená schéma zapojenia.

Napájanie operačných zosilňovačov OZ

Napájanie sa realizuje symetricky, čo znamená použitie dvoch zdrojov napätia UCC a UEE(obr. 7.6), v schémach sa používa značenie podľa obrázku (obr.7.6, animácia). Výhodou symetrického napájania je možnosť spracovávať vstupné napätie, ktoré sa pohybuje v kladných i záporných hodnotách vzhľadom k spoločnému vodiču, ktorý je obvykle tvorený zemou. Nevýhodou tohto zapojenia je potreba dvoch zdrojov napätia. Možno použiť aj nesymetrické napájanie z jedného zdroja napätia, ale musíme upraviť dané zapojenie ( umelý stred, väzobný kapacitor na vstupe..) a každý OZ nemusí byť k tomu vhodný. Vhodnosť označuje výrobca v katalógu.[7.3]


Obr.7.6 Symetrické napájanie OZ a jeho značenie v schémach

7.5 Operačný zosilňovač a spätná väzba

OZ bez spätnej väzby má veľké zosilnenie AOL,zosilnenie s otvorenou slučkou. Na zlepšenie parametrov obvodov s OZ sa používa spätná väzba, t.j. časť výstupného napätia sa privedie späť na vstup. Zosilnenie (prenos) spätnoväzobného činiteľa ß nám udáva aká veľká časť napätia sa prenesie na vstup.


Obr.7.7 Zosilnenie OZ bez spätnej väzby a so spätnou väzbou

Pri zapojení s otvorenou slučkou spätnej väzby je hodnota výstupného napätia daná:

(7.1)

Napäťové zosilnenie obvodu s otvorenou slučkou spätnej väzby AOL (Open – Loop Gain) :


(7.2)

Pri obvodoch s uzatvorenou slučkou spätnej väzby ACL (Closed – Loop Gain) dostávame odvodením [7.3]

(7.3)

Môžu nastať tri prípady spätnej väzby:
- Záporná spätná väzba ak : (ß. AOL > 0)
- Kladná spätná väzba ak: (ß. AOL < 0)
- Samovoľné kmity zosilňovača (Oscilátor) ak: (ß. AOL = 0)


7.6 Zapojenia OZ so zápornou spätnou väzbou

Na vytvorenie zápornej spätnej väzby v obvodoch s OZ privedieme výstupné napätie do invertujúdeho vstupu (-). Môžeme tak urobiť pomocou rezistora ak požadujeme stále hodnoty parametrov. Využívajú sa aj frekvenčne závislé súčiastky (kapacitor, induktor) pre mnohé aplikácie (napr. Aktívne filtre). Použitím nelineárnych súčiastok (diódy, tranzistory) získame obvody s nelineárnou závislosťou výstupného napätia (logaritmické zosilňovače, usmerňovače...). Podľa toho do ktorého vstupu OZ privedieme vstupné napätie u1 dostaneme:
   •   Invertujúce zapojenie - napätie u1 privádzame do invertujúceho vstupu (-) OZ, výstupné napätie je oproti vstupnému fázovo posunuté o 180°.
   •   Neinvertujúce zapojenie - napätie privádzame do neinvertujúceho vstupu (+) OZ, nedochádza k fázovému posunutiu medzi výstupným harmonickým napätím u2 a vstupným napätím u1

Invertujúce zapojenie operačného zosilňovača

Pre opis činnosti OZ zapojeného so zápornou spätnou väzbou sa využívajú dve základne pravidlá:
Pravidlo 1:
Vstupné rozdielové napätie je nulové UD = 0 . OZ sa stále snaží na svojom výstupe nastaviť také napätie, aby cez zápornú spätnú väzbu došlo k nastaveniu nulového vstupného rozdielového napätia.
Pravidlo 2:
Vstupné prúdy sú nulové I vst = 0 .Do vstupov OZ netečie prúd.


Obr.7.8 Invertujúci zosilňovač s ideálnym OZ

Invertujúce zapojenie (meniace fázu signálu) OZ je na obr.7.8. Použitím pravidla 1 dostávame , že vstupné rozdielové napätie je rovné nule uD=0. Neinvertujúci vstup (+) je uzemnený preto sa OZ bude snažiť na invertujúcom (-) vstupe taktiež vytvoriť nulové napätie, tkz. virtuálnu nulu na invertujúcom vstupe. Celé vstupné napätie je potom na rezistore R1 a celé výstupné napätí na rezistore R2. Z pravidla 2 vyplýva , že vstupný prúd i1 pretekajúci rezistorom R1 sa na výstup OZ dostáva celý cez spätnoväzobný rezistor R1 .Teda prúd i1 = i2.

Z Ohmovo zákona vyplýva:

(7.4)

Potom napäťové zosilnenie AU= ACL

(7.5)

Odvodené vzťahy platia aj v prípade ak použijeme jednosmerný zdroj napätia na vstupe pretože v ceste signálu na obr.7.8 nie sú žiadne väzobné kapacitory.

Neinvertujúce zapojenie operačného zosilňovača

Použitím pravidla 1 (UD = 0) na daný obvod získame podmienku, že napätie na oboch vstupoch (invertujúcom aj neinvertujúcom) sú rovnaké. Takže napätie na rezistore R1 je rovné vstupnému napätiu u1. Z pravidla 2 (Ivst = 0) vyplýva, že totožný prúd i preteká oboma rezistormi R 1 a R2 , tvoria delič napätia. Potom u1 = R1.i a u2 = (R1+ R2 ).i
Zosilnenie neinvertujúceho operačného zosilňovača dostaneme:

(7.6)

Obr.7.9 Neinvertujúci zosilňovač s ideálnym OZ

Vstupné napätie sa privádza na neinvertujúci vstup, preto je výstupné napätie vo fáze s vstupným napätím, zosilňovač "neinvertuje". Ak R1 = ∞ (R1 nie je zapojený) potom AU = 1 a a takýto obvod nazývame sledovač napätia (Follower). Využíva sa ako oddeľovač obvodov pre jeho vysoký vstupný odpor RVST , nízky výstupný odpor RVÝST a veľkú šírku frekvenčného pásma BW. Poznáme dva spôsoby jeho zapojenia (obr.7.10). [7.1][7.3]


Obr.7.10 Operačný zosilňovač zapojený ako sledovač napätia

7.7 Reálne operačné zosilňovače

Neinvertujúce zapojenie reálneho (neideálneho) OZ

Zosilnenie reálnych OZ je konečné (menšie ako nekonečno). Potom ani napätie uD nie je nulové, ale platí:

(7.7)

Po ďalšom odvodení získame zosilnenie neinvertujúceho zapojenia OZ :

(7.8)

Menovateľ výrazu predstavuje chybu neinvertujúceho zapojenia s reálným OZ.

Invertujúce zapojenie reálneho (neideálneho) OZ

Opäť napätie uD je nenulové. Jeho hodnota je:

(7.9)

Po odvodenídostaneme zosilnenie invertujúceho zosilňovača s neideálnym OZ:

(7.10)

Menovateľ predstavuje chybu spôsobenú konečným zosilnením A, je rovnako veľká ako v neinvertujúcom zapojení s OZ.

Porovnajme na jednoduchých príkladoch vplyv nízkeho zosilnenia reálneho OZ na celkové zosilnenie [7.2][7.3][7.5]

Ďalšie parametre reálnych OZ

-    Vstupný a ofsetový prúd OZ
-    Vstupné ofsetové napätie UIO
-    Výstupné napätie a prúdove obmedzenie
-    Rýchlosť nábehu SR(Slew Rate)
-    Činiteľ potlačenia súhlasného signálu (CMMR)
-    Frekvenčná charakteristika OZ
-    Šírka pásma a záporná spätná väzba

7.8 Zapojenia bez spätnej väzby

Pri tomto druhu zapojení neplatia pravidlá použité v kapitole (7.6). Obvod má iné vlastnosti, výstup OZ sa nachádza sa v kladnej , alebo zápornej saturáci (UVÝST = USAT+ alebo UVÝST = USAT-). Mimo týchto dvoch stavov je obvod len v prípade prechodu z kladnej do zápornej saturácie a naopak. U ideálneho OZ ak invertujúci vstup(-) je pripojený k zemi, na neinvertujúci(+) privádzame vstupné napätie UVST , ktoré spĺňa podmienku UVST < 0 potom výstup je v zápornej saturácí USAT- . V prípade UVST > 0 výstup je v kladnej saturácii USAT+ . Využitie tohto obvodu je na sledovanie polarity vstupného napätia.

Reálny OZ má AOL dostatočne veľké nato , aby sa výstup stále nachádzal v jednej zo saturácii, prevodová charakteristika je strmšia a vyskytuje sa hysterézia.


Obr.7.11 Prevodové napäťové charakteristyky ideálneho OZ a komparátora s ideálnym OZ

Doplnením zapojenia o referenčné napätie UREF získavame komparátor, ktorý porovnáva či vstupné napätie je väčšie, alebo menšie ako referenčné. Na základe toho sa výstup prepína medzi dvoma stavmi. Podľa obrázku (7.11a) pokiaľ napätie UVST > UREF výstup OZ prechádza zo zápornej do kladnej saturácie. Pre prípad na obr.7.11b ak UVST < UREF výstup prechádza z kladnej do zápornej saturácie. Odlišnosť obvodov je v polarite výstupného napätia. Praktické zapojenie komparátora. [7.3]

7.9 Zapojenia s kladnou spätnou väzbou

Pri kladnej spätnej väzbe zmena napätia na neinvertujucom (+) vstupe spôsobí zmenu výstupného napätia v zhodnom zmysle. Kladnú spätnú väzbu realizujeme privedením výstupného napätia na neinvertujúci vstup pomocou napäťového deliča realizovaného rezistormi R1 - R2 na obr.7.13.



Obr.7.13 Komparátor s hysteréziou

Obvod na obr.7.13 sa nachádza v kladnej saturácii (UVÝST = USAT+). Napätie na neinvertujúcom vstupe je kladné, jeho veľkosť je:

(7.11)

Pre prechod výstupu OZ do zápornej saturácie musíme toto napätie prekonať UVST > U3 .

Ak sa obvod nachádza v zápornej saturácii (UVÝST = USAT-) napätie na neinvertujúcom vstupe bude záporné, jeho veľkosť je:

(7.12)

Pre prevod výstupu OZ späť do kladnej saturácie musíme priviesť na vstup UVST menšie ako U3. (UVST < U3). Na prevodovej charakteristike vzniká hysterézna slučka. [7.3]

Obsah>>>