Struktura

Operační zesilovače

Operační zesilovače

Operační zesilovač je součástka, která byla původně vyvinuta pro realizaci matematických operací v analogových počítačích. Základní OZ má tyto vývody:

  • kladný (neinvertující) vstup

  • záporný (invertující) vstup

  • výstup

  • dva napájecí vývody, které se ve schématu většinou nekreslí

Schématická značka s označenými vývody

Obr. 1: Zapojení OZ

OZ se svými vlastnostmi blíží vlastnostem ideálního zesilovače, avšak nikdy jich nemůže zcela dosáhnout.

Vlastnosti ideálního operačního zesilovače:

  • nekonečně velké zesílení

  • nekonečně velký vstupní odpor

  • nulový výstupní odpor

  • nekonečně široké zesilované kmitočtové pásmo

  • nulový vlastní šum a zkreslení

Vlastnosti reálného operačního zesilovače:

  • blíží se vlastnostem ideálního OZ
  • napěťové zesílení dosahuje hodnot 104 - 107

  • vstupní odpor (při použití tranzistoru FET na vstupu OZ) dosahuje hodnot až 1014Ω   

  • výstupní odpor je malý o hodnotách desítky mΩ - až po zavedení záporné zpětné vazby

  • kmitočtový rozsah sahá od zesilování stejnosměrných změn napětí až do desítek MHz

  • vlastní šum a zkreslení OZ je malé

Napěťové zesílení otevřené smyčky se určí podle vztahu:

Těchto parametrů však nelze dosáhnout současně jediným zapojením obvodu. To je důvod, proč existuje tak obrovské množství různých typů OZ. Vlastnosti OZ se vyjadřují celou řadou parametrů. Nejdůležitější statické parametry OZ jsou:

  • napěťové zesílení otevřené smyčky A0, což je zesílení rozdílu napětí mezi vstupy OZ, tedy mezi vstupem neinvertujícím (+) a invertujícím (-). Rozdíl napětí je
    U1 = Unein. – Uin.

  • potlačení souhlasného signálu přivedeného na oba vstupy udává činitel potlačení souhlasného signálu CMRR (common mode rejection ratio) podle obr. 1, který se určí jako poměr napěťového zesílení otevřené smyčky A0 k zesílení souhlasného signálu ACM a vyjádřený v dB.

 

Obr. 2: Zesílení souhlasného a nesouhlasného napětí

Tato hodnota má být co největší a je závislá na kmitočtu

  • napěťová nebo proudová nesymetrie vstupů. Je to nutný rozdíl vstupních napětí nebo proudů, potřebný k dorovnání nuly na výstupu

  • vstupní klidový proud IIB - do bází tranzistorů vtéká jistý proud (do bipolárních typicky 80nA, do FET méně než 100pA)

  • odpory: vstupní odpor vstupů proti zemi, rozdílový odpor vstupů proti sobě, výstupní odpor

    Nelineární a dynamické parametry:

  • mezní hodnota vstupního dif. napětí UIPmax

  • mezní hodnota vstupního souhlasného napětí UImax

  • rozkmit výstupního napětí – většinou se blíží napájecímu napětí +/-UCC

  • minimální a maximální napájecí napětí UCC

  • minimální zatěžovací odpor

  • Z dynamických omezení je asi nejdůležitější rychlost přeběhu (Slew rate) – nejvyšší rychlost změny výstupního napětí, jakou je schopen OZ vyvinout jako odezvu na skokovou změnu vstupního napětí.

 

Přechodová charakteristika operačního zesilovače

Obr. 3: Přechodová charakteristika OZ

Pro výpočet rychlosti přeběhu je definován vztah:

Běžné operační zesilovače mají rychlost přeběhu 0,5-5V/µs, speciální 100V - tisíce V/µs (CFA, VFA, based on CFA)

  • Mezní kmitočet fp – udává frekvenci, při které dosáhne strmost sinusovky o amplitudě Uom rychlosti přeběhu S, přičemž dochází ke zkreslení maximálně 1%. Sinusovka má maximální strmost při průchodu nulou.

Platí:

 

Obr. 4: Přechodová charakteristika OZ

  •  Mezní výkonová frekvence ωm = 2pfm

Mezní výkonová frekvence ωm je maximální frekvence sinusového signálu, který přenese operační zesilovač na výstup bez zkreslení a v maximální amplitudě. Pokud kmitočet překročí ωm, začne docházet k deformování sinusového signálu do tvaru trojúhelníku

Sinusový signál na výstupu uvýst = Uvýstm sin (ωm t)  derivujeme podle času duvýst /dt = ωm Uvýstm cos (ωm t).

Maximální rychlost změny sinusového signálu je rovna maximu jeho derivace, které je v bodech sin (ωm t) = 0, cos (ωm t) = 1  a jeho hodnota je (duvýstm/dt)max =  ωmUvýstm.
Tím je určen vztah mezi rychlostí přeběhu a mezní výkonovou frekvencí S = ωmUvýstm.
Tvarové zkreslení signálu v důsledku nízké rychlosti přeběhu se projevuje zpomalením náběhu v jeho nejstrmějších úsecích.

Na přechodové charakteristice lze určit tyto intervaly:

  • td doba zpoždění odezvy - 0 až 10% ustálené hodnoty Uφ
  • tr doba náběhu - 10% až 90% ustálené hodnoty Uφ
  • ts doba ustálení - od prvního dosažení 90% ustálené hodnoty do doby, od které zvlnění zůstává v pásmu 2 ϵ od ustálené hodnoty. Nejčastěji se pohybuje v rozsahu (0,01Uφ ≤ ϵ ≤ 0,1 Uφ).
  • tz doba zotavení po popřebuzení v impulsním režimu - od okamžiku přechodu z přebuzeného stavu do okamžiku, od kterého zůstává zvlnění v pásmu 2ϵ od ustálené hodnoty. Pro dobu zotavení platí přibližný vztah:

 

 

Obr. 5: Přenosová charakteristika

Obr. 6: Amplitudová frekvenční charakteristika

 

 

 

Dílčí lekce

Zdroje

Obrázky

Logolink