Operační zesilovače a obvody pro analogové zpracování signálů.

Prezentace na téma: "Operační zesilovače a obvody pro analogové zpracování signálů."— Transkript prezentace:

1 Operační zesilovače a obvody pro analogové zpracování signálů

2 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

3 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

4 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)

5 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.

6 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

7 Základní funkční schéma

8 Funkce vstupů + -

9 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

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

11 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

12 Ideální operační zesilovač

13 Převodní charakteristika OZ

14 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

15 Zapojení neinvertujícího zesilovače Zesílení : nemění polaritu velký vstupní odpor – v případě použití FET transistorů na vstupu je řádu 10 15 Ohmů elektrometrický zesilovač Záporná zpětná vazba – zesílení určuje pouze poměr resistorů R 2 a R 1 zvláštní případy: –diferenciální zesilovač –sledovač Charakteristické vlastnosti :

16 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 :

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

18 OZ v BIFET technologii

19 Přehled důležitých parametrů často používaných OZ

20 Provedení pouzder OZ

21 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

22 Aplikační spektrum Voltmetr s neinvertujícím zapojením OZ

23 Rozdílový zesilovač R1=R2, R3=R4 Často využíván k zesilování napětí na můstku

24 Můstek s OZ

25 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

26 Sčítací zesilovač

27 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

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

29 Zdroj referenčního napětí s velmi nízkým výstupním odporem

30 Studijní literatura [1] J. Punčochář, Operační zesilovače v elektronice, BEN technická literatura, Praha 2002, ISBN 80-7300-058-X [2] M. Frohn et. al., Elektronika – polovodičové součástky a základní zapojení, BEN technická literatura, Praha 2006, ISBN 80-7300-123-3