Operační zesilovač – univerzální elektronický systém pro zpracování analogové i číslicové informace
Princip operačního zesilovače Operační zesilovač – univerzální pomocník pro zpracování analogové a číslicové informace. Princip operačního zesilovače
Jak vznikl pojem „operační zesilovač“ Je to důsledek pochopení souvislostí při popisu chování lineárních dynamických systémů po II. Sv. válce Hledal se systém, který zaručoval stabilitu, stálost zesílení a jeho nezávislost na výrobní toleranci aktivních elektronických součástek Základní myšlenkou bylo vytvořit univerzální zesilovač, jehož přenosové vlastnosti budou zásadně určeny pouze omezeným počtem vnějších pasivních prvků Pro základní analýzu přenosových vlastností aplikací je zaveden pojem „ideální operační zesilovač“ Je to teoretický pojem, který definuje ideální vlastnosti zesilovače a slouží ke zjednodušení základní obvodové analýzy každé aplikace s těmito zesilovači
Princip ideálního operačního zesilovače Základní pojmy: Zesílení uzavřené smyčky (closed loop) Zesílení otevřené smyčky (open loop)
Obraz výstupního napětí po náhradě vnitřní proměnné Uf Platí: Výstup zpětnovazebního členu Na vstup členu v přímé větvi AOLse přivádí rozdílové napětí Ud(p) Obraz výstupního napětí po náhradě vnitřní proměnné Uf Z této rovnice odvodíme přenos uzavřené smyčky ACL Podstatou „ideálního operačního zesilovače“ je zapojení členu AOL s nekonečně velkým zesílením. V takovém případě je zesílení uzavřené smyčky ACL popsáno jednoduchým vztahem: Zesílení ACL je nezávislé na změnách AOL, pokud je toto zesílení
Některé další vlastnosti „ideálního OZ“ Vstupní impedance Výstupní impedance Přenos (zesílení) otevřené smyčky AOL(p) ve tvaru: V nejběžnější konfiguraci vstupů podle obr. platí: Pokud , musí být , aby výstupní napětí bylo v lineární oblasti zesilování Vlastnosti ideálního OZ jsou zaručeny pouze pro oblast lineárního zesilování tedy v rozsahu výstupního napětí:
Reálný operační zesilovač -Ofset a šum: vstupní napěťová nesymetrie vstupní proudová nesymetrie vstupní zbytkové napětí drift vstupního zbytkového napětí vstupní klidové proudy a vstupní zbytkový proud drift vstupního klidového a vstupního zbytkového proudu citlivost na změnu napájecího napětí vstupní šumové napětí vstupní šumové proudy praskavý šum -Zesílení, vstupní a výstupní impedance: stejnosměrné zesílení (zesílení v otevřené smyčce) tranzitní kmitočet výstupní odpor stejnosměrné zesílení při zatížení diferenční vstupní odpor diferenční vstupní kapacita -Potlačení souhlasného napětí, souhlasné vstupní impedance: stejnosměrné potlačení souhlasné vstupní odpory souhlasná vstupní kapacita -Statické nelinearity: jmenovité výstupní napětí a jmenovitý výstupní proud jmenovité souhlasné vstupní napětí rozkmit výstupního napětí -Dynamické nelinearity: výstupní rychlost přeběhu mezní výkonový kmitočet doba ustálení -Provozní parametry: klidový napájecí proud výstupní zkratový proud nulování ofsetu
Frekvenční vlastnosti OZ
Rychlost přeběhu s (sleew rate) a její souvislost s frekvenční charakteristikou Rychlost přeběhu je definována: Podle typu aplikace lze vybírat OZ s ohledem na parametr s Zesilovače pro všeobecné použití - Zesilovače jako komparátory - Zesilovače superrychlé pro digitální zpracování obrazů - Zesilujeme-li sinusový signál, je nejvyšší rychlost změny výstupního napětí v inflexním bodě a lze odvodit :
Uom je maximální amplituda výstupního napětí fm je mezní výkonová frekvence Mezní výkonová frekvence fm je maximální frekvence sinusového signálu, při které lze na výstupu ještě získat bez zkreslení maximální amplitudu. Jak vypočítáme podle parametru s vhodnost OZ pro danou aplikaci Příklad: máme OZ s parametrem s = 0,5; požadujeme Uom=2 [V] při frekvenci f = 20 kHz OZ lze v tomto případě použít, při uvažované frekvenci lze bez zkreslení zesilovat sinusový signál až do amplitudy Uom=4 [V]
Zkreslení zesilovaného signálu při překročení fm
Napájení operačních zesilovačů Nesymetrické napájení s jedním zdrojem a umělou nulou Symetrické napájení se dvěmi zdroji
Operační zesilovače typu „rail to rail“ speciální kategorie operačních zesilovačů technologie LinCMOS, které pracují již při napětí 2UB=3,2 [V]. Tyto zesilovače mají téměř zanedbatelný rozdíl mezi napájecím napětím a kladným saturačním napětím a rovněž záporné saturační napětí je prakticky rovno nule. Typ Napájecí napětí BW [MHZ] Uos+[V] pro Io=20mA Uos-[mV] kusů/pouzdro doporučené/min. TLC2252 +5V/4,4V 0,2 4,98 1,5 2 TLC2254 4 TLC2262 0,8 TLC2264 TLC2274 2,1 TLV2252 +3V/2,7V 0,18 2,98 TLV2254 TLV2262 0,7 2,99 TLV2264
Proporcionální stupně – invertující zesilovač Pro ideální OZ platí: ib- = ib+ =0 kde
Pokud zdroj vstupního napětí nemá nulový vnitřní odpor, změní se zesílení ACL na : Jak volit optimálně síť rezistorů ve zpětné vazbě
Invertující zesilovač s děličem napětí na výstupu
Invertující sčítací zesilovač Pro R11=R12=…=R1n=R1 plati: Pro u1=u2=…=un=ui plati:
Neinvertující zesilovač Je to zesilovač se zesílením ACL=+k o
Napěťový sledovač Jestliže u neinvertujícího zesilovače zvolíme R2=0, lze vynechat i R1, neboť v takovém případě představuje pouze zátěž, bez vlivu na zesílení. Vstupní impedance Zi je nekonečná, Zo= 0 Příklad: AOL=100 000, ui = 2 [V] Pro AOL= 2000 se změní:
Frekvenční vlastnosti operačních zesilovačů se zápornou zpětnou vazbou fT =BW (band with) je frekvence, kdy ACL= 1 fh = BWCL – horní mezní frekvence při zapojené záporné zpětné vazbě
Určení šířky frekvenčního pásma se zaručenou přesností.
Diferenční (rozdílový) zesilovač
Zlepšení přenosových vlastností použitím diferenčního zesilovače
Přístrojové zesilovače Diferenční zesilovače vyžadují změnu dvou součástek při změně zesílení, vyřadují stejné vnitřní odpory zdrojů signálu v obou větvích Nevýhody řeší spec. Kategorie OZ – přístrojové zesilovače + -