OBSAH PØEDMLUVA... 11

Transkript

1 Josef Punèocháø OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE V ELEKTRONICE 5 vydání

2 Kniha je úvodem do problematiky a není rozhodnì vyèerpávající To ani není možné Vždy pøi aplikacích operaèních zesilovaèù lze projít celou elektronikou Spolu s citovanou literaturou však dává dostateènou pøedstavu o tom, jak je tøeba (a možné) s nimi pracovat Vlastní teorie operaèních zesilovaèù napì ových bude uvádìna pouze v nezbytnì nutné míøe Hlavní pozornost je vìnována aplikacím Ètenáø s hlubším zájmem však nalezne potøebnou teorii ve svìtovì uznávané knize Ing Jiøího Dostála, CSc : Operaèní zesilovaèe [4] Znaèná pozornost je však vìnována principùm moderních zesilovacích struktur Matematický aparát je používán v míøe nutné pro pochopení základních aplikací operaèních zesilovaèù a èetné pøíklady a úkoly ozøejmí jeho použití Doufám, že kniha poslouží konstruktérùm elektronických obvodù, studentùm elektronických oborù i vyspìlým zájemcùm z øad amatérských elektronikù V Rožnovì pod Radhoštìm autor Josef Punèocháø OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE V ELEKTRONICE Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù Pøedkládaná zapojení jsou zveøejnìna bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny Všechny registrované nebo jiné obchodní známky použité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva Veškerá práva vyhrazena Ing Josef Punèocháø, Praha Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe v elektronice BEN - technická literatura, Praha vydání ISBN X

3 OBSAH PØEDMLUVA I. ÚVOD DO PROBLEMATIKY Proè operaèní zesilovaè Rozdílový operaèní zesilovaè napì ový Ideální operaèní zesilovaè Neinvertující zapojení s ideálním operaèním zesilovaèem Neinvertující zapojení s neideálním operaèním zesilovaèem Jak ovliòuje neinvertující zapojení operaèního zesilovaèe pøedcházející obvody? Invertující zapojení operaèního zesilovaèe Jak ovlivòuje invertující zapojení operaèního zesilovaèe pøedcházející obvody? Co se skrývá v symbolické znaèce? Jak skuteènì zesiluje? Když nejsou tranzistory stejné Za co mùže korekèní kapacita? Základní údaje v katalogu Závìreèná poznámka II. REÁLNÝ OPERAÈNÍ ZESILOVAÈ Lineární parametry a model OZ Nelineární a dynamické parametry, provozní vlastnosti Kmitoètové vlastnosti zesilovaèe Pøíklady konstrukce reálného operaèního zesilovaèe Bipolární operaèní zesilovaèe Operaèní zesilovaèe s tranzistory øízenými polem Rozdìlení operaèních zesilovaèù III. ZPÌTNÁ VAZBA, STABILITA A KOREKCE Zpìtná vazba a Nyquistovo kritérium stability Korekce operaèních zesilovaèù Korekce na vstupu OZ Korekce ve vnitøních bodech OZ Korekce kapacity zátìže Výbìr korekce Vliv záporné zpìtné vazby na vlastnosti zesilovaèe Zmìna zesílení A z se zmìnou A Potlaèení vlivu šumù a poruch Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe - BEN technická literatura 5

4 21.3 Vliv zpìtné vazby na zkreslení Vliv zpìtné vazby na vstupní impedanci Vliv zpìtné vazby na výstupní impedanci Aplikace na operaèní zesilovaèe IV. DYNAMICKÉ VLASTNOSTI OZ A JEJICH SOUVISLOST S ÈINITELEM NELINEÁRNÍHO ZKRESLENÍ Omezení proudu - pøíèina koneèné rychlosti pøebìhu i zkreslení Kritérium pro urèení rychlosti pøebìhu pro zesilovaèe N V. ŠUMY OPERAÈNÍCH ZESILOVAÈÙ Seèítání šumù Šumová šíøka pásma Druhy šumu Výpoèet výstupního šumového napìtí a reálné OZ Šumy poruch Princip konstrukce zesilovaèù s malými šumy VI. ZÁSADY PRO PRÁCI S OPERAÈNÍMI ZESILOVAÈI Statická elektøina Ochrana vstupù a výstupù Napájení OZ Ošetøení napájecích napìtí a zásady zemnìní Kompenzace parazitních kapacit spojù Kompenzace napì ové a proudové nesymetrie vstupù Zvìtšení proudového a napì ového rozsahu Rozšíøení pracovní oblasti pomocí stejného zesilovaèe Rozšíøení frekvenèního rozsahu Zvìtšení výstupního proudu Výbìr operaèního zesilovaèe Boucherotùv èlen Transport náboje pøes kapacitu Klidový proud I CCO, pøíèné pøepínací proudy Mìøení zesilovaèù bez zátìže Závìr VII. ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ S OPERAÈNÍMI ZESILOVAÈI Invertující a neinvertující zesilovaè Úkol 40.1 Stanovení pøenosu neinvertujícího zesilovaèe Úkol 40.2 Ztrátový výkon a oteplení pøechodu Úkol 40.3 rekvenèní závislost zesílení a doba nábìhu t n Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe - BEN technická literatura

5 Úkol 40.4 Urèení korekèní kapacity Úkol 40.5 Výpoèet korekèní kapacity Úkol 40.6 Úhel fázové rezervy Souètový invertující zesilovaè Rozdílový zesilovaè Úkol 42.1 Souèasná realizace souètu a rozdílu Rozdílový zesilovaè s velkým vstupním odporem (pøístrojový) Integraèní zesilovaè Úkol 44.1 Integraèní obvod s vybitím Derivaèní zesilovaè Logaritmický zesilovaè Úkol 46.1 Stabilita logaritmického zesilovaèe Exponenciální pøevodník zpìtnovazební Úkol 47.1 Realizace exponenciálního pøevodníku Obvod umocòování napìtí Zesilovaè s exponenciálním øízením zesílení unkèní generátor Analogová násobièka Jednocestný usmìròovaè Precizní dvoucestný usmìròovaè Rychlý jednocestný usmìròovaè Doba rozpojení diodového typu zpìtné vazby operaèního zesilovaèe Vrcholový detektor Precizní omezovaè Úkol 57.1 Oboustranný omezovaè Úkol 57.2 Symetrický omezovaè Obnovitel stejnosmìrné složky øízený napìtím Zdroje napìtí Úkol 59.1 Stabilizátor napìtí (zvìtšený výstupní proud, omezení proudu) Úkol 59.2 Stabilizátor napìtí Úkol 59.3 Èíslicovì øízený zdroj napìtí Úkol 59.4 Stabilizátor napìtí s omezením výkonové ztráty Úkol 59.5 Vleèný (sledovací) stabilizátor napìtí Zdroje proudu Úkol 60.1 Zdroj proudu s uzemnìnou zátìží Úkol 60.2 Zdroj proudu pro malé hodnoty výstupního proudu Úkol 60.3 Zdroj proudu s uzemnìnou zátìží (Howlandùv) Komparátory Úkol 61.1 Schmittùv klopný obvod Pøevodníky proud - napìtí Amplitudový selektor Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe - BEN technická literatura 7

6 64. Indikátor napìtí (okénkový diskriminátor) Zesilovaèe s nastavitelným zesílením Nastavení amplitudy a polarity signálu jediným potenciometrem Úkol 66.1 Pøepínaè polarity zesílení Úkol 66.2 Analogový spínaè s nulovým výstupním odporem Multiplexor (pøepínaè) analogových signálù Vzorkovací zesilovaè Mùstkový zesilovaè Kapacitní násobiè (øízený) Syntetická indukènost (gyrátor) Lineární pøevodník teploty na napìtí Úkol 72.1 Lineární pøevodník teploty na napìtí Dvouvodièový snímaè (èidlo) Optoelektronický pøevodník Monostabilní obvod Astabilní obvody Úkol 76.1 Generátor obdélníkového napìtí s nastavitelnou støídou Úkol 76.2 Èíslicovì (napì ovì) øízený generátor pilového napìtí Kompresní zesilovaèe Generátory harmonických signálù (oscilátory) Generátor s fázovým posuvem 180 ve zpìtnovazební smyèce Pøevodníky napìtí - frekvence Základní mìøicí zapojení operaèních zesilovaèù Úkol 80.1 Zapojení pro urèení U IO, I IB, I... IO 316 Úkol 80.2 Vliv omezení výstupního proudu (I omax ) na výstupní napìtí Úkol 80.3 Zapojení pro urèení zesílení bez zpìtné vazby - A u Úkol 80.4 Zapojení pro urèení vlivu zmìn napájecího napìtí Úkol 80.5 Ekvivalentní napìtí vstupního šumu Úkol 80.6 Pøeslech mezi zesilovaèi Mìøení ss proudového zesílení tranzistorù VIII. OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE V TECHNICE N VIIIa. ILTRY S OZ (AKTIVNÍ ILTRY) Popis pøenosových charakteristik Dolní propusti (aproximace) Butterworthova aproximace (Butterworthovy filtry) Èebyševova aproximace (Èebyševovy filtry) Besselova aproximace (Besselovy filtry, Thomsonovy) Minimální øád dolní propusti Horní propusti (aproximace) Realizace pøenosových funkcí typu DP 1. a 2. øádu a øazení do kaskád Úkol 83.1 Aktivní dolní propust 1. øádu (integrátor) Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe - BEN technická literatura

7 Úkol 83.2 Dolní propust 2. øádu (zesilovaè invertující - - s koneèným zesílením K - filtr Sallen - Key) Úkol 83.3 Butterworthova dolní propust 2. øádu Úkol 83.4 Èíslicovì øízená dolní propust Realizace pøenosových funkcí typu HP 1. a 2. øádu a øazení do kaskád Úkol 84.1 Horní propust (derivátor) Úkol 84.2 Horní propust 2. øádu Úkol 84.3 Èíslicovì øízená horní propust Jiné typy filtrù Realizace PP 2. øádu Vliv prvního pólu operaèního zesilovaèe na vlastnosti pásmové propusti (s invertujícím zesilovaèem) Analýza zapojení Zatížení výstupu zesilovaèe, vstupní impedance Zapojení s reálnými operaèními zesilovaèi Postup návrhu pøi C3 = C4 = C Postup návrhu pøi C3 C4, R2 = Závìr Úkol 87.1 Èíslicovì øízená pásmová propust a dolní propust 2. øádu Úkol 87.2 Napìtím øízená pásmová propust a dolní propust 2. øádu Pásmové zádrže Realizace filtrù 2. øádu se tøemi (ètyømi) OZ (state variable) ázovací èlánky Pásmová propust s vazbou typu bootstrap Princip èinnosti pásmové propusti Stabilita struktury Realizace pásmové propusti s operaèními zesilovaèi Korektory VIIIb. VÝKONOVÉ ZESILOVAÈE IX. ZÁKLADNÍ STRUKTURY ZESILOVAÈÙ Diferenèní napì ový operaèní zesilovaè - shrnutí Nortonùv zesilovaè Zesilovaèe s proudovou zpìtnou vazbou Srovnání struktur Transkonduktanèní zesilovaè - OTA Základní schéma Linearizaèní diody Oddìlovací zesilovaè Oblast použití OTA Current conveyor druhé generace CCII Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe - BEN technická literatura 9

8 X. PERSPEKTIVNÍ OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE Nìkteré moderní OZ Zesilovaèe RAIL-TO-RAIL Základní obvodové principy XI. ZÁVÌREÈNÉ POZNÁMKY Operaèní zesilovaèe jako podsystém, programovatelná analogová pole Operaèní zesilovaè v teorii obvodù Vztah mezi èíslicovou a analogovou technikou K literatuøe Úplnì na závìr XII. LITERATURA XIII. REJSTØÍK PØÍLOHA Program VISIO, kterým byly kresleny obrázky v této knize Knihy nakladatelství BEN - technická literatura Prodejní místa BEN - technická literatura Pár slov o nakladatelství BEN - technická literatura Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe - BEN technická literatura

9 PØEDMLUVA Operaèní zesilovaèe dnes patøí k nejpoužívanìjším elektronickým prvkùm, pøestože se dožívají v roce 2002 asi 60 let [174]. Jejich použití se rok od roku rozšiøuje, stále se zlepšují, objevují se nové zajímavé aplikaèní možnosti. Efektivní využití operaèních zesilovaèù vyžaduje, aby byl konstruktér podrobnì seznámen s jejich vlastnostmi a základními aplikaèními principy. K tomu by mìla pøispìt i tato kniha, zamìøená na použití operaèních zesilovaèù v základních obvodových situacích - na popis základních obvodových principù. Problematika je rozdìlena do deseti èástí. V úvodní èásti jsou co nejsrozumitelnìjší formou vysvìtleny základní pojmy týkající se diferenèního operaèního zesilovaèe. Ve druhé èásti se ètenáø seznámí se základními vlastnostmi diferenèních operaèních zesilovaèù podrobnìji. Tøetí èást je vìnována otázkám zpìtné vazby, stability a korekce. Ve ètvrté èásti je poukázáno na souvislost mezi èinitelem nelineárního zkreslení a dynamickými vlastnostmi zesilovaèe. V páté èásti se ètenáø seznámí s problematikou šumù a v šesté èásti se zásadami pro práci s operaèními zesilovaèi. Sedmá a osmá èást jsou vìnovány analýze základních zapojení s operaèními zesilovaèi. Teoretické úvahy jsou doloženy èetnými pøíklady a øešenými úkoly. Devátá èást obsahuje popis principiálnì rùzných typù operaèních zesilovaèù a pøíklady jejich aplikací. Desátá èást popisuje nìkteré nejmodernìjší operaèní zesilovaèe pøedních svìtových výrobcù. Poslední èást poukazuje na souvislosti, které se jinam nevešly, ale urèitì stojí za zamyšlení. Kniha je rozsáhlým vstupem do problematiky, ale není rozhodnì vyèerpávající. To ani není možné. Vždy pøi aplikacích operaèních zesilovaèù lze projít celou elektronikou. Doufám však, že spolu s citovanou literaturou dává dostateènou pøedstavu o tom, jak je tøeba (a možné) s nimi pracovat. Vlastní teorie operaèních zesilovaèù bude uvádìna pouze pro moderní struktury. Hlavní pozornost je vìnována aplikacím. Ètenáø s hlubším zájmem nalezne potøebnou teorii ve svìtovì uznávané knize Ing. Jiøího Dostála, CSc.: Operaèní zesilovaèe [4]. Chtìl bych podìkovat nakladatelství BEN - technická literatura, které uvedlo tuto knihu do svìta, vèetnì rychle následujících dalších vydání. Dík patøí i ètenáøùm, kteøí vykoupili pøedchozí ètyøi vydání, a také mé ženì za trpìlivost. V Ostravì autor (VŠB-TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA akulta elektrotechniky a informatiky) Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe - BEN technická literatura 11

OBSAH PØEDMLUVA... 11

Jan Humlhans NÁBOJOVÉ PUMPY funkce, pøehled a použití Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmno

Autor by chtìl podìkovat všem svým spolupracovníkùm a kolegùm, kteøí mu pomohli s pøípravou textu. K vydání knihy pøispìla firma Newport Electronics s

David Matoušek ÈÍSLICOVÁ TECHNIKA základy konstruktérské praxe Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována ne

Kniha je urèena všem zájemcùm o teorii elektrických obvodù Poslouží jako pøíruèka pro praxi, ale i jako uèebnice pro studenty støedních a vysokých ško

ELEKTRONICKÉ PRVKY 7 Výkonové a spínací aplikace tranzistorů 7.1 Ztrátový výkon a chlazení součástky... 7-1 7.2 První a druhý průraz bipolárního

Publikace prezentuje nìkteré poznatky z obsáhlé oblasti analogových soustav, které v poslední dobì prodìlávají rozvoj. Z toho dùvodu ani nemùže podat

4 DIELEKTRICKÉ OBVODY ZÁKLADNÍ POJMY DIELEKTRICKÝCH OBVODŮ Základní veličiny a zákony Sériový a paralelní

Monografie poskytuje v pøehledné a praktické formì znalosti a výpoèetní nástroje pro modelování šíøení rádiových vln v zástavbì, tedy vnì i uvnitø bud

ALGORITMY ČÍSLICOVÉHO ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ

Jan Hájek ELEKTRONICKÉ HLEDAÈE Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou

APLIKACE ALGORITMŮ ČÍSLICOVÉHO ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ 1. DÍL

PROGRAMOVÁNÍ V JAZYCE C V PŘÍKLADECH 11 Dynamické datové struktury 11.1 Spojové struktury... 11-1 11.2 Příklad PROG_11-01... 11-2 11.

OBJEKTOVÉ PROGRAMOVÁNÍ V C++ V PŘÍKLADECH 8 Proudová knihovna 8.1 Hierarchie proudů... 8-1 8.2 Standardně zavedené proudy... 8-1 8.

Podìkování: Výsledkù publikovaných v této knize bylo dosaženo také za podpory projektù GAÈR 101/06/P108 Výzkum simulaèního a experimentálního modelová

APLIKACE MIKROKONTROLÉRŮ PIC32MX

MIKROPROCESOROVÁ TECHNIKA 9 Událostní systém 9.1 Události Síť ERN Časování událostí Filtrace

Knihy obsahují základní vlastnosti a souhrnné pøehledy obvodù TTL V hlavní èásti jsou obvody seøazeny vzestupnì, podle èíselného oznaèení. U kaž

Tato kniha popisuje výchozí stanoviska psychotroniky jako potenciální vìdní disciplíny Tvoøí ucelenou pracovní hypotézu pro realizaci základního výzku

Základy ultrazvuku A. ZÁKLADY ULTRAZVUKU 10

Izolaèní zesilovaèe s IL300 Zapojení izolaèních zesilovaèù s IL300 se liší pøedevším režimem v nichž pracují interní fotodiody Podle toho zda interní

Komerèní využití stavebních návodù je povoleno jen s písemným souhlasem autora a nakladatelství. Soubory na CD ROM mající pøímo vztah ke knize, které

Roman Neruda a Tomáš Holan C++ BUILDER V PØÍKLADECH Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožo

NULOROVÉ MODELY Spokojíme-li se pouze se základní analýzou elektronického obvodu s ideálními prvky, osvìdèuje se èasto užití nulorových modelù aktivní

Role poèítaèe se v praxi elektronika stává pøi návrhu elektronických obvodù nezastupitelnou. Program MultiSIM je jedním z mocných nástrojù nejen pro d

Gergelitsová, Holan: Zlatý řez pravítkem a kružítkem

Translation from the English language edition: Passing the marker Understanding the New Millennium Energy Copyright 2000 Lee Carroll All Rights Reserv

Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Hustopeče, Masarykovo nám. 1

OPERA Č NÍ ZESILOVA Č E

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Urèeno uživatelùm CB pásma, kteøí si chtìjí rozšíøit okruh vìdomostí, rádiovým posluchaèùm a všem, kteøí se pøipravují ke zkouškám pro povolení provoz

MIKROKONTROLÉRY PIC PRO POKROČILÉ

2 Základní zapojení èasovaèe 555 Základní zapojení jsou taková zapojení, na kterých se na jedné stranì vysvìtlují základní principy funkce obvodu nebo

II. Nakreslete zapojení a popište funkci a význam součástí následujícího obvodu: Integrátor s OZ

Operační zesilovač. Úloha A2: Úkoly: Nutné vstupní znalosti: Diagnostika a testování elektronických systémů