- PDF Stažení zdarma

Transkript

1 Jiøí Dostál OPERÈNÍ ZESILOVÈE Praha 2005

2 Kniha je praktickou pøíruèkou pro uživatele operaèních zesilovaèù. Orientaènì probírá konstrukci, dùkladnì se vìnuje obecným zásadám analýzy a syntézy operaèních obvodù. Kniha je urèena technikùm a inženýrùm, kteøí se zabývají návrhem elektronických mìøicích, automatizaèních a laboratorních zaøízení. Jiøí Dostál Operaèní zesilovaèe 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. utor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù. Pøedkládané informace jsou zveøejnìny 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 Jiøí Dostál, Praha 2005 Nakladatelství BEN technická Literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Jiøí Dostál: OPERÈNÍ ZESILOVÈE BEN technická Literatura, Praha vydání ISBN

3 Mé paní Vìøe

4

5 Obsah Obsah Pøedmluva Glosáø Operaèní zesilovaè Operaèní obvod v xiii xv xv xx Èást 1 Operaèní zesilovaè 1. Základní pojmy Operaèní zesilovaè Operaèní obvod Ideální operaèní zesilovaè a ideální operaèní obvod 8 Shrnutí 9 Literatura 9 2. Parametry operaèního zesilovaèe Lineární parametry a lineární model Vstupní rušivé zdroje Vstupní ofset a drift Vstupní šum Zesílení. Diferenèní vstupní odpor a výstupní odpor Potlaèení souhlasného napìtí. Souhlasné vstupní odpory Nelineární parametry Doba ustálení a doba zotavení 31 Shrnutí 33 Literatura 33 OBSH v

6 3. Vlastnosti operaèního zesilovaèe Bipolární vstupní stupeò Vstupní zbytkové napìtí Teplotní drift vstupního zbytkového napìtí Vliv dalších zesilovacích stupòù Vstupní klidový a vstupní zbytkový proud Vstupní šum Diferenèní vstupní odpor Potlaèení souhlasného napìtí. Souhlasné vstupní odpory Unipolární vstupní stupeò Vstupní zbytkové napìtí Teplotní drift vstupního zbytkového napìtí Sekundární vlivy Potlaèení souhlasného napìtí Vstupní klidový proud Vstupní šum Konstrukèní úpravy vstupního stupnì ktivní kolektorová zátìž Složený diferenèní stupeò Bootstrapovaný diferenèní stupeò Vnìjší nulování vstupního zbytkového napìtí Vnitøní kompenzace vstupních klidových proudù Vstupní ochrana Výstupní stupeò Základní zapojení Konstrukèní úpravy Výstupní ochrana Frekvenèní kompenzace Dynamické vlastnosti dvoustupòového operaèního zesilovaèe Konstrukèní pøíklady 95 Shrnutí 96 Literatura 100 vi JIØÍ DOSTÁL: OPERÈNÍ ZESILOVÈE

7 Èást 2 Operaèní obvod 4. Ideální operaèní obvod Typy operaèních obvodù Typ zpìtné vazby Linearita Frekvenèní obor plikaèní urèení Paralelní operaèní obvod Proudovì napì ový pøevodník Proudový zesilovaè Napì ový invertor Sumátor Obecný invertor Odporový T-èlánek Logaritmický zesilovaè Diodový omezovaè nalogový spínaè Integrátor Sériový operaèní obvod Napì ový zesilovaè Napì ový sledovaè Napì ovì proudový pøevodník Složený operaèní obvod Signálové buzení obou vstupù Násobná zpìtná vazba Kombinace záporné a kladné zpìtné vazby Operaèní obvody s nìkolika zesilovaèi Nestandardní operaèní obvody 137 Shrnutí 138 Literatura nalýza reálného operaèního obvodu Zpìtnovazební faktor Definice zpìtnovazebního faktoru Pøíklady výpoètu zpìtnovazebního faktoru 146 OBSH vii

8 5.2 Operaèní rovnice Základní tvar operaèní rovnice Pøíklad Zesílení Základní tvar zesílení Zesílení a zpìtnovazební faktor Frekvenèní charakteristika zesílení Pøíklady výpoètu zesílení Dynamické chování vybraných operaèních obvodù Neinvertující zesilovaè Napì ový invertor Integrátor Øízený zdroj proudu Vliv dopøedného pøenosu 176 Shrnutí 181 Literatura Statické a dynamické chyby ve frekvenèní oblasti Vektorová, amplitudová a fázová chyba Definice chyb Dynamické chyby jednopólového zpožïovacího èlánku Vliv statické chyby Filtr druhého øádu Statická chyba Chyba zpùsobená koneèným stejnosmìrným zesílením Chyba zpùsobená koneèným stejnosmìrným potlaèením Chyba zpùsobená koneèným souhlasným vstupním odporem Chyba zpùsobená zpìtnovazební sítí Kompenzace statických chyb Dynamická chyba Chyba zpùsobená koneèným zesílením rozpojené smyèky Chyba zpùsobená dopøedným pøenosem Chyba zpùsobená souhlasnou vstupní kapacitou Kompenzace dynamických chyb 213 viii JIØÍ DOSTÁL: OPERÈNÍ ZESILOVÈE

9 6.4 Mìøení chyb Mìøení statických chyb Mìøení dynamických chyb 219 Shrnutí 221 Literatura Dynamické chyby v èasové oblasti Doba ustálení Exponenciální skoková odezva Vliv mezní rychlosti pøebìhu Vliv zesílení operaèního obvodu Frekvenèní dvojèe Kvalitativní vysvìtlení dlouhého dobìhu Lineární analýza Kapacita sèítacího uzlu Ustálení napì ového invertoru Kompenzace kapacity sèítacího uzlu Rychlostní chyba Rychlostní chyba neinvertujícího zesilovaèe Rychlostní chyba integrátoru Mìøení doby ustálení 253 Shrnutí 260 Literatura Vstupní a výstupní impedance Blackmanùv impedanèní vztah Vstupní impedance Proudová a napì ová definice vstupní impedance Pøíklady výpoètu vstupní impedance Výstupní impedance Proudová a napì ová definice výstupní impedance Pøíklady výpoètu výstupní impedance 274 Shrnutí 277 Literatura 278 OBSH ix

10 9. Ofset Základní vztahy Výstupní a vstupní rušení operaèního obvodu Šumové zesílení a zpìtnovazební faktor Zjednodušený výpoèet výstupního a vstupního rušení Ofset operaèního obvodu Ofset jednoduchých operaèních obvodù Napì ový invertor Odporové vyvážení operaèního obvodu Interakce zesílení a ofsetu. Pøevážený invertor Sumátor I/V pøevodník Odporový T-èlánek Napì ový sledovaè Neinvertující zesilovaè Proudový zesilovaè Derivátor nalogová pamì Integrátor Rozdílový zesilovaè Mìøicí zesilovaè Logaritmický zesilovaè Ofset zpùsobený zpìtnovazební sítí Termoelektrická napìtí Napì ové úbytky Svodové proudy Nulování ofsetu Nulování napì ové složky Nulování proudové složky 328 Shrnutí 328 Literatura Šum Filtrace šumu Šumová šíøka pásma Jednopólová dolní propust 337 x JIØÍ DOSTÁL: OPERÈNÍ ZESILOVÈE

11 Násobná dolní propust m-tého øádu Butterworthova dolní propust m-tého øádu Jednoduchá pásmová propust Filtrace barevného šumu Nízkofrekvenèní šum Šum napì ového sledovaèe Vliv souhlasné vstupní kapacity Teoretická mez mìøení šumového proudu Šum I/V pøevodníku Vliv kapacit operaèního obvodu Širokopásmový šum Šum napì ového invertoru Rezonanèní posílení šumu Interferenèní šum 363 Shrnutí 365 Literatura Stabilita Zpìtnovazební stabilita bsolutní stabilita. Nyquistovo kritérium stability Relativní stabilita. Fázová a amplitudová bezpeènost Odvozené ukazatele relativní stability. Rezonanèní pøevýšení a pomìrný pøekmit Operaèní obvod n -tého øádu Operaèní obvod druhého øádu Výstupní kapacitní zátìž Frekvenèní kompenzace Kompenzace derivátoru Izolace kapacitní zátìže Kompenzace kapacity sèítacího uzlu Operaèní obvod s boosterem Kompenzace operaèního zesilovaèe Blokování napájecích pøívodù Praktická stabilizace operaèního obvodu 414 Shrnutí 415 Literatura 417 OBSH xi

12 12. Dobré laboratorní praktiky Vývojové praktiky Funkèní návrh Zapojení funkèního vzoru Zkoušení funkèního vzoru Dotažení funkèního vzoru Vypracování výrobních podkladù Hledání závad Stejnosmìrné závady Støídavé závady 427 Shrnutí 428 Literatura 428. Souhrnné tabulky Ideální vlastnosti Zpìtnovazební faktor Zesílení Statická chyba Vstupní impedance Výstupní impedance Ofset (nevyvážený obvod) Ofset (vyvážený obvod) 448 B. Operaèní zesilovaè s proudovou zpìtnou vazbou 455 B.1 Napì ová a proudová zpìtná vazba 455 B.2 Neinvertující zesilovaè 463 B.3 Kapacity zpìtnovazební sítì 469 B.4 Ofset a šum 477 Literatura 477 C. Elektromagnetická kompatibilita (EMC) 481 C.1 Normy EMC 481 C.2 Usmìrnìné vysokofrekvenèní rušení 483 C.3 Konstrukce odolného operaèního obvodu 487 Rejstøík 479 xii JIØÍ DOSTÁL: OPERÈNÍ ZESILOVÈE

13 Pøedmluva Tato kniha je vìnována operaènímu zesilovaèi nejtvárnìjšímu zesilovaèi, jaký byl vynalezen. Neponechává bez povšimnutí snad žádnou otázku, která mùže provázet použití operaèního zesilovaèe v praktické situaci, a nabízí pøimìøenou odpovìï. Výklad se nezøíká matematiky, pomáhá-li k pochopení, a doplòuje ji komentáøem a praktickým doporuèením, v oèekávání, že tento zpùsob pøiblíží knihu širšímu okruhu ètenáøù. Látka knihy je rozdìlena do dvanácti kapitol ve dvou èástech. První tøi kapitoly první èásti se týkají samotného operaèního zesilovaèe, jeho vlastností a konstrukce v míøe pøedpokládaného zájmu. Druhá èást, tìžištì knihy, je psána jako konfrontace operaèního obvodu s ideálním vzorem. Každá kapitola se soustøeïuje na jeden zpùsob jeho skuteèného projevu pøi idealizaci ostatních: na statické a dynamické chyby ve frekvenèní a v èasové oblasti, na vstupní a výstupní impedanci, na ofset, šum a stabilitu. Poslední kapitola shrnuje osvìdèené laboratorní praktiky. Výklad doplòuje na 250 obrázkù, grafù a oscilogramù a každou kapitolu uzavírá struèné shrnutí. Pøíležitostné použití knihy usnadòuje osm souhrnných tabulek, ve kterých jsou soustøedìny výpoètové vzorce nejèastìjších operaèních obvodù. Formou dodatku je zmínìn operaèní zesilovaè s proudovou zpìtnou vazbou. Kniha je revidovaným vydáním døívìjšího textu (J. Dostál, Operaèní zesilovaèe, SNTL, Praha, 1981). Vznikla soubìžnì s mým pùsobením ve Výzkumném ústavu matematických strojù v Praze ( ) a tìží hodnì z jeho myšlenkového a hmotného zázemí. Je také odrazem podnìtù, které jsem pøijímal od svých pøátel ve výzkumných ústavech a v prùmyslu. Pøímo se na její podobì podílel doc. Ing. Miroslav Pacák, CSc. ( ) z Ústavu fyzikální chemie a elektrochemie J. Heyrovského ÈSV v Praze, který ji èetl v rukopise a svými radami a výhradami se zasloužil o její vìcnou a jazykovou stránku. K souèasné podobì knihy velmi pøispìl svými poznámkami a doplòky Robert. Pease z National Semiconductor Corp., Santa Clara, California, který se podílel na pøípravì rukopisu anglického vydání knihy (J. Dostál, Operational mplifiers, 2nd ed., Butterworth-Heinemann, Boston, 1993). Pøi koneèné úpravì rukopisu byly využity mnohé dobré pøipomínky recenzenta doc. Dr. Ing. Josefa Punèocháøe z Fakulty elektrotechniky a informatiky VŠB TU Ostrava. Je mi milou povinností podìkovat Liboru Kubicovi z nakladatelství BEN technická literatura za vstøícný pøístup pøi zdlouhavé pøípravì rukopisu. Obzvláštní podìkování náleží redaktoru Janu Paroulkovi za obtížnou sazbu knihy. Praha, prosinec 2004 Jiøí Dostál PØEDMLUV xiii

14