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 Digitální potenciometry a 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 (analogové počítače Meda, Aritma Vokovice) Základní obvodový prvek pro zpracování analogových signálů (zesílení, součet, rozdíl, negace, integrace, derivace, generace různých funkčních závislostí a 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, kombinaci 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.

Rozdílový zesilovač 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, napětí, výkon aj. Stabilita Převodní charakteristika Zesílení rozdílového napětí

Základní funkční schéma

Funkce vstupů + -

Ideální převodní charakteristika rozdílového zesilovače U vst U výst -U B +U B U ofs U ofs – vstupní ofsetové napětí A –zesílení - udává směrnice přímky saturační napětí

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

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

Ideální operační zesilovač

Převodní charakteristika OZ

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  f) –při  o se mění zpětná vazba na kladnou   zesílení open-loop

Zapojení neinvertujícího zesilovače Zesílení : nemění polaritu velký vstupní odpor – v případě použití FET transistorů na vstupu je řádu Ohmů elektrometrický zesilovač Záporná zpětná vazba – zesílení určuje pouze poměr resistorů R 2 a R 1 zvláštní případy: –diferenciální zesilovač –sledovač Charakteristické vlastnosti :

Zapojení invertujícího zesilovače Zesílení : Princip virtuální nuly - sčítací bod, virtuální 0 (napětí U d -> 0) záporná zpětná vazba zesílení je jednoznačně určeno poměrem rezistorů R 2 ku R 1, mění polaritu,vstupní odpor je dán R 1 Sčítání vstupních napětí Charakteristické vlastnosti :

Kompenzace rušivých vlivů vstupních klidových proudů R3 Vstupní napěťové nesymetrie R4 Frekvenční kompenzace C K

OZ v BIFET technologii

Přehled důležitých parametrů často používaných OZ

Provedení pouzder OZ

Rozdělení operačních zesilovačů podle použití –standardní (..741) levné –precizní (OP177) trimované laserem –přístrojové (AD624) pevné/nastavitelné zesílení –výkonové, vysokonapěťové AD A –vysokofrekvenční (video...) AD MHz 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 R1=R2, R3=R4 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. Ideální převodní charakteristika

Sčítací zesilovač

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

Sledovač Používá se jako měnič impedance : Velmi vysoký vstupní odpor mění na velmi malý výstupní odpor Kde A o je zesílení bez zpětné vazby

Zdroj referenčního napětí s velmi nízkým výstupním odporem

Studijní literatura [1] J. Punčochář, Operační zesilovače v elektronice, BEN technická literatura, Praha 2002, ISBN X [2] M. Frohn et. al., Elektronika – polovodičové součástky a základní zapojení, BEN technická literatura, Praha 2006, ISBN