Vnitřní struktura operačního zesilovače

Zjednodušené zapojení OZ je na obr. 1. Obsahuje vstupní rozdílový zesilovač (tvořený tranzistory T₁ a T₂) se zdrojem konstantního proudu (T₃), napěťový budící stupeň (Darlingtonova dvojice T₄ a T₅) a koncového stupně v komplementárním zapojení (T₆ a T₇). Vazba mezi jednotlivými stupni je galvanická.

Obr. 1: Struktura operačního zesilovače

Zdroj konstantního proudu má mít co největší vnitřní odpor. Ve struktuře OZ je tvořen tranzistorem T₃, diodami D₁ a D₂ a odporem R_E. Odpor R s diodami D₁ a D₂ tvoří parametrický stabilizátor napětí, který udržuje stálé napětí na bázi tranzistoru T₃ proti zemi T₃ je zapojen jako emitorový sledovač konstantního napětí diod. Stabilizace proudu využívá zpětnou vazbu. Pokud by proud tranzistorem T₃ začal klesat, zmenší se úbytek napětí na odporu R_E, tím se zvětší rozdíl napětí mezi bází a emitorem UBE, tranzistor T₃ se více otevře a hodnota proudu se nezmění.

Princip zesílení OZ je následující. Zvětšením napětí na neinvertujícím vstupu Unein. vzhledem k napětí na vstupu invertujícím Uin. se T₂ více otevře než T₁. Tím se zvětší úbytek napětí na kolektorovém odporu T₂ a napětí přiváděné na Darlingtonovo zapojení tranzistorů T₄ a T₅ zmenší. Tím se tyto tranzistory přivřou a napětí na jejich kolektorech vzroste (zapojení SE). Nárůst tohoto napětí více otevře NPN tranzistor T₆ a přivře PNP tranzistor T₇ koncového komplementárního zesilovače, pracujícího ve třídě AB. Výstupní napětí U₂ vzroste. Při zvětšení napětí na vstupu invertujícím vzhledem k neinvertujícímu vstupu se výstupní napětí U₂ zmenší. Protože vnitřní struktura OZ používá galvanickou vazbu mezi jednotlivými stupni, bude OZ zesilovat i stejnosměrné změny vstupních napětí a jeho dolní mezní kmitočet f_d se rovná nule.

I přes malý výstupní odpor jsou OZ konstruovány pro malé odebírané proudy do zátěže (mA). Moderní IO mají elektronické pojistky proti přetížení.

Výhodou monolitických IO je stejná teplota všech jeho prvků. Minimální délka spojů mezi prvky je příznivá z hlediska parazitních vazeb a kmitočtových vlastností OZ. Dva vstupy – invertující a neinvertující umožňují jednoduché zavedení zpětné vazby. Vstupní impedance OZ je vysoká, protože zdroj konstantního proudu v emitorech vstupního zesilovače představuje velký odpor, který se převedením do vstupu ještě vynásobí proudovým zesílením. Výstupní impedance je naopak velmi malá, protože výstupní zesilovač pracuje s tranzistory v zapojení SC.

Velké napěťové zesílení OZ bez zpětné vazby A₀ umožňuje při návrhu obvodů použít vztah:

β = přenos zpětnovazebního článku

a tím se návrh zesilovače redukuje na návrh velikosti ZV.

Operační zesilovač lze rozdělit na jednotlivé bloky - zesilovací stupně, jak ukazuje následující obr.2.

Obr. 2: Rozdělení OZ na bloky

Vnitřní struktura jednotlivých stupňů je různá, příklad na obr.3 znázorňuje zapojení vnitřní struktury operačního zesilovače LM741.

Obr. 3: Vnitřní struktura OZ LM741

 

Zdroje

• HOSPODKA, Jiří. Struktury analogových IO. Vnitřní zapojení OZ. [online]. [cit. 15.10.2012]. Dostupný na WWW: http://hippo.feld.cvut.cz/vyuka/elo/pr7/oz.pdf.
• Autor neznámý. Výkonové zesilovače [online]. [cit. 15.10.2012]. Dostupný na WWW: http://www.b324.com/ek/

Obrázky

• Obr. 1: Z archivu autora. Struktura operačního zesilovače.
• Obr. 2: HOSPODKA, Jiří. Rozdělení OZ na bloky, Struktury analogových IO. Vnitřní zapojení OZ [online]. [cit. 15.10.2012]. Dostupný na WWW: http://hippo.feld.cvut.cz/vyuka/elo/pr7/oz.pdf.
• Obr. 3: HOSPODKA, Jiří. Vnitřní struktura OZ LM741, Struktury analogových IO. Vnitřní zapojení OZ [online]. [cit. 15.10.2012]. Dostupný na WWW: http://hippo.feld.cvut.cz/vyuka/elo/pr7/oz.pdf.