Operační zesilovače, vlastnosti, napájení, zákl. zapojení

Operační zesilovač (zkratka OZ) je univerzální stejnosměrný zesilovací analogový elektronický obvod, jenž je základním prvkem analogových elektronických systémů. Operační zesilovač je často v praxi a pro výpočty nahrazován ideálním operačním zesilovačem. Je napájen symetrickým napětím.

Oblast použití: V řídící a regulační technice slouží OZ jako komparátory referenčního a sledovacího napětí, jako regulátory a v měřicí technice jako měřící zesilovače s vysokým vstupním odporem. Jsou dále používány v číslicové technice jako klopné obvody, digitálně-analogové převodníky a spínače při nastaveném napětí, nebo též v NF-předzesilovače, NF-koncové stupně a zdroje konstantního proudu, nebo konstantního napětí.

OZ se skládá z několika stupňů. Vstupní stupeň je vždy diferenciální zesilovač, budící stupeň je napěťový zesilovač, a koncový stupeň je většinou tvořen komplementárním zesilovačem.

Vstupní (diferenciální zesilovač)

Vstupní zesilovač má kladné (+Un) i záporné (-Un) napájecí napětí. Oba tranzistory odebírají emitorový proud ze zdroje konstantního proudu. Ona tranzistory jsou nastaveny tak, že při U1D = 0 jsou oba kolektorové proudy stejné, tzn. UA = 0. Přivedeme-li na vstup E1 kladné napětí U11 otevře se tranzistor Q1, to způsobí kladné napětí UA. Přivedeme-li na vstup E2 kladné napětí U12 otevře se tranzistor Q2, to způsobí záporné napětí UA. Za diferenciálním zesilovačem je budící zesilovač a pak koncový stupeň.

Zapojení reálného OZ
proudové zrcadla (červeně) – Slouží jako proudové zdroje vstupní zesilovač (modře) – Velký vstupní odpor napěťový zesilovač (růžově) – Velké zesílení koncový zesilovač (bledě modře) – Malý výstupní odpor

Značka OZ a základní funkce
Je-li invertující vstup U– uzemněn a signál přiveden na neinvertující vstup, pak signál na výstupu je ve fázi se vstupním signálem. Je-li neinvertující vstup U+ uzemněn a signál přiveden na invertující vstup, pak signál na výstupu je fázově posunut o 180° vzhledem ke vstupnímu signálu.

 

Zesílení rozdílového signálu Ad může být vyjádřeno jako A_d = ∆U_out /∆U_d = ∆U_out /∆U₊-U_–a u reálných operačních zesilovačů leží v intervalu 80 – 100 dB, nazývá se vlastním zesílením (zesílení bez zpětné vazby).

Zesilovací charakteristika
Zesilovací charakteristika ideálního operačního zesilovače prochází počátkem (plná křivka na obrázku). Zesilovací charakteristika reálného operačního zesilovače (čárkovaná křivka na obrázku) je posunuta na ose Ud o veličinu U0. Posun zesilovací charakteristiky U0 může být u většiny operačních zesilovačů zanedbán nebo vykompenzován. V praxi se tento posun zanedbává.

 

Vstupní odpor
Reálné operační zesilovače mají konečný vstupní odpor. Rozlišujeme vstupní odpor vůči rozdílovému signálu Rd a vstupní odpor vůči souhlasnému signálu R_g. V operačních zesilovačích s bipolárními tranzistory vstupní odpor vůči rozdílovému signálu R_d nabývá hodnot miliónů Ohmů (MΩ) a vstupní odpor vůči souhlasnému signálu může být až o tři řády větší (GΩ).

• Ideální operační zesilovač má následující vlastnosti
• nekonečně velké napěťové zesílení
• nekonečně velký vstupní odpor
• nulový výstupní odpor
• nekonečnou šířku pásma (zesiluje od nulové do nekonečné frekvence)
• nulový šum
• nulové offsetové napětí (jsou-li napětí na vstupech shodná, je na výstupu skutečně přesně nulové napětí)
• žádný z parametrů nezávisí na teplotě

Invertující OZ
– invertující zapojení mění polaritu – vstupní napětí Ue vede přes rezistor Re na invertující vstup – neinvertující vstup OZ je připojen na zemní svorku – záporná zpětná vazba je připojena přes rezistor RkU invertujícího OZ je část výstupního napětí jako regulace přiváděna přes zpětnovazební rezistor Rk zpět na invertující vstup.UA = RK / RE x UE V = UA /UE = – RK / RE V – napěťový zesilovací činitel UA – výstupní napětí UE – vstupní napětí RU – zpětnovazební odpor RE – odpor na invertujícím vstupu

Neinvertující OZ
– má velký vstupní odpor např. 10 MΩ a malý výstupní odpor např. 0,1Ω – vstupní i výstupní napětí mají stejnou polaritu – vhodný jako měřící zesilovačUA = UE x (1 + RK / RQ)

Diferenciální OZ
– rozdílový operační zesilovač – na výstupu je zesílený rozdíl napětí UE2 a UE1 – u diferenciálního zesilovače se často volí R1 = RE a R2 = RK – mají velký význam v měřicí techniceUA = (UE2 – UE1) x RK / RE

Integrační OZ
– integrační člen má v negativní zpětné vazbě kondenzátor CK – veškeré proudy tečou do kondenzátoru CK – tyto integrované obvody se používají např. jako zdroje pilových kmitů, a jako D-A převodníky.

Derivační OZ
– derivační člen má na vstupu kondenzátor CE – kondenzátorem CE protéká proud jen při měnícím se vstupním napětí UE – zapojení zdůrazňuje vyšší kmitočty – fázový posun vede k nestabilitě → lze vyřešit přidáním R a C – slouží např. jako generátor jehlových kmitů pro zapalování tyristorů