Operační zesilovače a obvody pro analogové zpracování signálů

Osnova přednášky Proč operační zesilovač ? Základní vlastnosti OZ Ideální a reálný operační zesilovač Základní funkční zapojení operačních zesilovačů Typy operačních zesilovačů podle způsobu použití Spektrum aplikací operačních zesilovačů Programovatelné zesilovače

Proč operační zesilovač ? Nejčastěji používaný elektronický prvek, historicky první byl realizován s elektronkami v roce 1938 Zpravidla se označením myslí rozdílový (diferenční) operační zesilovač (dále OZ) Byl nejprve určen k analogové realizaci matematických operací Základní obvodový prvek pro zpracování analogových signálů (součet,rozdíl,negace, integrace,derivace,generace různých časových průběhů) V analogových systémech je ekvivalentem mikroprocesoru u systémů digitálních

Aplikace - analogové počítače Název odvozený od elektronických obvodových bloků provádějících určité operace (sčítání,násobení,integraci,derivaci atd) se ss signály Analogové počítače mx" + bx' + kx = F(t)

Operační zesilovače Mají vysoké požadavky na vlastnosti stejnosměrných obvodových bloků. Pokročilá polovodičová technologie vedla k integraci prvku, umožnila např. teplotní stabilizaci čipu,kombinací bipolárních a unipolárních prvků (BIFET technologie) a dosažení optimálních parametrů. OZ se blíží svými vlastnostmi ideálním zesilovačům Univerzální využití v analogové elektronice s použitím vnější sítě obvodových prvků a zpětných vazeb.

Základní funkční schéma

Funkce vstupů - +

Rozdílový zesilovač Zesílení rozdílného napětí Přenos ss signálů-možnost ovlivnění posunem ss pracovního bodu Symetrické zapojení pro kompenzaci – tzv. diferenciální stupeň Základní zapojení pro tzv. operační zesilovače Základní parametry zesilovače: zesílení,vstupní a výstupní odpor, kmitočtová a fázová charakteristika,drift,výkon aj stabilita Převodní charakteristika

Ideální převodní charakteristika rozdílového zesilovače +UB Uvýst Uofs Uvst Uofs Uofs – vstupní ofsetové napětí A –zesílení - udává směrnice přímky -UB saturační napětí

Zesílení souhlasného napětí Common-mode rejection ratio (CMMR) Činitel potlačení souhlasného napětí, důležitý parametr,charakterizující kvalitu operačního zesilovače, typicky 10 000 (t.j. 80dB)

Integrované operační zesilovače Příklad základního zapojení bipolárního vícestupňového zesilovače s galvanickou vazbou mezi stupni,velmi vhodnou pro možnost integrace Lze použít jako zesilovač stejnosměrných i střídavých signálů

Ideální operační zesilovač

Ideální operační zesilovač Idealizované „poruchové“ vlastnosti zesilovače “součtový” signál nemá vliv,reaguje jen na „rozdílový“ signál Vyrovnaná kmitočtová a fázová charakteristika Hodnota ofsetu a driftu se blíží nule

Reálné operační zesilovače Ri, A, Rs +/- - konečné Ro , Ud, Ivst - nenulové parametry závisejí na f … A(f), j(f), SR slew-rate t ... drift, šum-dle technologie T… okolní teplota, příkon Unap výrobní technologii

Dynamické vlastnosti OZ rychlost přeběhu SR (slew-rate) omezuje A(f) pro velký signál doba náběhu ustálení na 1% (settling time) stabilita zesilovače B .. stupeň zpětné vazby vztah mezi A(f) a j(f) při j = 180o se mění zpětná vazba na kladnou Ao .. zesílení open-loop

Zapojení neinvertujícího zesilovače Zesílení : Charakteristické vlastnosti : nemění polaritu velký vstupní odpor – v případě použití FET transistorů na vstupu je řádu 1015 Ohmů elektrometrický zesilovač Záporná zpětná vazba – zesílení určuje opět pouze poměr resistorů R0 a R1 zvláštní případy: diferenciální zesilovač sledovač

Zapojení invertujícího zesilovače Zesílení : Charakteristické vlastnosti : Princip virtuální nuly - sčítací bod, virtuální 0 (napětí Ei > 0,Rvst se blíží nekonečnu) záporná zpětná vazba zesílení je jednoznačně určeno poměrem rezistorů R0 ku R1,mění polaritu,vstupní odpor je dán R1 Sčítání vstupních napětí

Kompenzace rušivých vlivů

OZ v BIFET technologii

Provedení pouzder OZ

Rozdělení operačních zesilovačů podle použití standardní (..741) levné precizní (OP177) trimované laserem přístrojové (AD624) pevné/nastavitelné zesílení výkonové, vysokonapěťové AD815 - 1A vysokofrekvenční (video...) AD8130 - 250MHz podle technologie bipolární unipolární kombinované např.BIFET velký počet typů podle požadovaných vlastností výhodná provedení 1,2,4 OZ v jednom pouzdře

Aplikační spektrum Voltmetr s neinvertujícím zapojením OZ

Rozdílový zesilovač Často využíván k zesilování napětí na můstku

Můstek s OZ

Komparátor Základní zapojení operačního zesilovače (bez vnější sítě obvodových prvků) Rozhraní mezi analogovými a digitálními obvody Obvod,který zajišťuje „rozhodnutí“, které ze 2 analogových vstupních napětí je větší. Výstupem je logická hodnota reflektující relativní hodnoty na vstupu. Aplikace : TTL převodník Ideální převodní charakteristika

Schmittův klopný obvod (trigger) zapojení velmi podobné neinvertujícímu zesilovači kladná zpětná vazba-poměrem R2 / R1 je dána tzv. hystereze, jejímž důsledkem je,že výstup SKO se mění teprve tehdy,když vstupní úroveň překročí napěťovou hysterezi nutnou pro zpětný přechod pouze 2 stabilní stavy: Eo = +/- Usat - tvarovače Napěťová hystereze

Schmittův klopný obvod Komparátor je zdrojem chyb při zpracování skutečného signálu vlivem šumu či rušivého signálu V horní část obrázku je průběh vstupního signálu. V prostřední po zpracování komparátorem. Pokud zde místo komparátoru použijeme SKO s vhodně zvolenou úrovní hystereze, dostaneme správnou odezvu – spodní obrázek

Sčítací zesilovač

D/A převodník se sčítacím zesilovačem U digitálně-analogového převodníku využíváme vlastnosti operačního zesilovače, u kterého je zesílení určeno zpětnou vazbou 2 základní obvodové prvky : sčítací zesilovač a spínače

Sledovač Používá se jako měnič impedance : Velmi vysoký vstupní odpor mění na velmi Malý výstupní odpor Kde Ao je zesílení bez Zpětné vazby

Zdroj referenčního napětí s velmi nízkým výstupním odporem

Usměrňovače a detektory diodový usměrňovač s OZ výhodný k usměrnění malých napětí (prahové napětí diody se v tomto zapojení zmenší v poměru A zisku OZ) nevýhoda-omezený kmitočtový rozsah využití v přístrojové technice (multimetry) a při zpracování signálů

Logaritmické zesilovače

Převodníky U/I a I/U Detekce světelného záření Fotodioda v zapojení převodník I/U

Nízkofrekvenční zesilovač

Aplikace s frekvenčně závislou zpětnou vazbou Integrátor

Integrátor zapojení pro analogové počítače využití: odezva na ss a stř signály kmitočtová charakteristika má charakter dolní propusti aktivní filtry analogové „středování” šumu dolní propust pro digitalizaci signálu funkční generátory analogové časovací obvody

Průběhy výstupního napětí

Analogově/digitálního převod Převodník využívající dvojnásobné analogové integrace Analogový signál transformuje na časový interval, který se digitalizuje.Základním obvodem je analogový integrátor. Ke vstupu integrátoru se nejprve na přesně stanovený časový interval t 1 přivede analogový signál Ux > 0. Poté se na vstup integrátoru připne referenční napětí Uref opačného znaménka než Ux. Komparátor určuje okamžik, kdy výstupní napětí integrátoru je rovno nule. Časový interval mezi okamžikem připojení napětí Uref na vstup integrátoru a překlopení komparátoru označíme t  3. Časové intervaly  t 1 a  t 3 měříme jako násobky přesného hodinového intervalu t 2. Časový interval t3 je úměrný převáděnému analogovému signálu Ux a snadno jej vyjádříme v číslicové formě pomocí hodinových impulsů a čítače. A1 A2 CLK

Derivační obvod

elektronická derivace potlačení šumu “1/f” (filtr „hornopropust“) elektronická integrace potlačení šumu v horní kmitočtové části (filtr „dolnopropust“) kombinací integračního a derivačního obvodu (filtr pásmová propust) dosáhneme zúžení pásma filtrace signálů Integrační a derivační článek je základem tzv. aktivních filtrů

Aktivní dolní propust

Aktivní horní propust

Převodníky napětí-kmitočet Obsahuje integrátor,přesný proudový zdroj a komparátor – v okamžiku dosažení přepnutí komparátoru je přepnut proudový zdroj, který nadávkuje přesné množství náboje

OZ s integrovaným koncovým stupněm Přesný lineární výkonový zesilovač

Integrovaný výkonový OZ Vnitřní uspořádání Zapojení pouzdra

Aplikace v servozesilovači

Funkční generátory Vhodným spojením integrátoru a Schmittova klopného obvodu lze realizovat generátor (trojúhelníkového a obdélníkového) tvaru impulsů. Demo verze programu Multisim7 je na www.electronicsworkbench.com

Digitální potenciometry Přímé adresování sepnutí „jezdce“ potenciometru

Programovatelné zesilovače Digitálním potenciometrem

Programovatelné zesilovače Přímé adresování s krokem

Programovatelné zesilovače S využitím D/A převodníku a násobičky

Programovatelný aktivní filtr Využívá digitálních potenciometrů

Základní vlastnosti a parametry V návaznosti na číslicové obvody je třeba zajistit kompatibilitu s jednotlivými logickými skupinami (např. TTL kompatibilita předpokládá, že“1“ je + 5V a „0" je < 0,8V) Rychlost odpovědi typicky 40 až 100 ns, nejrychlejší i několik ns Chyby : Vstupní ofsetové napětí - (ideálně 0) , udává jak je posunut rozhodovací bod vzhledem ke skutečné 0 hodnotě V1 – V2 (obvykle jednotky mV) interval neurčitosti (ani T ani F), nepřímo uměrný zesílení použitého OZ (obvykle desítky µV) Interval neurčitosti

Funkční měniče dioda jako exponenciální měnič logaritmický zesilovač teplotní nestability ….