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 = U_nein. – U_in.

• 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 A_CM 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 I_IB - 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 U_IPmax

• mezní hodnota vstupního souhlasného napětí U_Imax

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

• minimální a maximální napájecí napětí U_CC

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

Platí:

 

Obr. 4: Přechodová charakteristika OZ

Na přechodové charakteristice lze určit tyto intervaly:

• t_d doba zpoždění odezvy - 0 až 10% ustálené hodnoty U_φ
• t_r doba náběhu - 10% až 90% ustálené hodnoty U_φ
• t_s 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 (0,01U_φ ≤ ϵ ≤ 0,1 U_φ).
• t_z 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

• JELÍNEK, Michal. Operační zesilovače a jejich aplikace, parametry OZ. IO – vnitřní zapojení OZ [online]. [cit. 15.9.2012]. Dostupný na WWW: http://www.bakal06.chytrak.cz/30—Operacni-zesilovace.pdf.
• Autor neznámý. Výkonové zesilovače [online]. [cit. 15.9.2012]. Dostupný na WWW: http://www.b324.com/ek/
• Autor neznámý. Vlastnosti operačních zesilovačů. [online]. [cit. 2015-01-27]. Dostupné z: http://www.samoweb.wz.cz/elektronika/opzes1/opzes1.htm

Obrázky

• Obr. 1: JELÍNEK, Michal. Zapojení OZ. Operační zesilovače a jejich aplikace, parametry OZ. [online]. [cit. 15.9.2012]. Dostupný na WWW: http://www.bakal06.chytrak.cz/30—Operacni-zesilovace.pdf.
• Obr. 2: JELÍNEK, Michal. Zesílení souhlasného a nesouhlasného napětí. Operační zesilovače a jejich aplikace, parametry OZ. [online]. [cit. 15.9.2012]. Dostupný na WWW: http://www.bakal06.chytrak.cz/30—Operacni-zesilovace.pdf.
• Obr. 3: JELÍNEK, Michal. Přechodová charakteristika OZ. Operační zesilovače a jejich aplikace, parametry OZ. [online]. [cit. 15.9.2012]. Dostupný na WWW: http://www.bakal06.chytrak.cz/30—Operacni-zesilovace.pdf.
• Obr. 4: Autor neznámý. Přechodová charakteristika OZ. Vlastnosti operačních zesilovačů. [online]. [cit. 2015-01-27]. Dostupné z: http://www.samoweb.wz.cz/elektronika/opzes1/opzes1.htm
• Obr. 5: JELÍNEK, Michal. Přenosová charakteristika. Operační zesilovače a jejich aplikace, parametry OZ. [online]. [cit. 15.9.2012]. Dostupný na WWW: http://www.bakal06.chytrak.cz/30—Operacni-zesilovace.pdf.
• Obr. 6: JELÍNEK, Michal. Amplitudová frekvenční charakteristika. Operační zesilovače a jejich aplikace, parametry OZ. [online]. [cit. 15.9.2012]. Dostupný na WWW: http://www.bakal06.chytrak.cz/30—Operacni-zesilovace.pdf.