Jaroslav Doleèek MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY Operaèní zesilovaèe a komparátory 5. díl Praha 2007

Jaroslav Doleèek Moderní uèebnice elektroniky 5. díl Operaèní zesilovaèe a komparátory 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 a informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Veškerá práva vyhrazena. Ing. Jaroslav Doleèek, 2007 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Jaroslav Doleèek, MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY BEN technická literatura, Praha 2007 ISBN 80-7300-187-X

STRUÈNÝ OBSAH obsah 1. dílu Základní pojmy, R, L, C 1 ZÁKLADNÍ ELEKTRICKÉ VELIÈINY A POJMY 2 IDEÁLNÍ ELEMENTÁRNÍ AKTIVNÍ A PASIVNÍ LINEÁRNÍ PRVKY 3 ODPOROVÉ OBVODY A VÝKONOVÉ PØIZPÙSOBENÍ 4 EKVIVALENCE PASIVNÍCH JEDNOBRANÙ 5 ANALÝZA LINEÁRNÍCH ELEKTRONICKÝCH OBVODÙ 6 SLOŽENÉ JEDNOBRANY OBSAHUJÍCÍ IDEÁLNÍ OBVODOVÉ PRVKY 7 PØENOSOVÉ VLASTNOSTI DVOJBRANÙ 8 REÁLNÉ LINEÁRNÍ SOUÈÁSTKY ELEKTRONICKÝCH OBVODÙ 9 PØÍLOHA MATICE A DETERMINANT obsah 2. dílu Polovodièe a elektronky 1 POLOVODIÈOVÉ SOUÈÁSTKY S JEDNÍM PØECHODEM PN 2 TRANZISTORY A POLOVODIÈOVÉ VÝKONOVÉ A SPÍNACÍ PRVKY 3 ELEKTRONKY 4 POLOVODIÈOVÉ SOUÈÁSTKY BEZ PØECHODU PN obsah 3. dílu Optoelektronika 1 OPTOELEKTRONIKA 2 DIODY LED 3 LASEROVÉ DIODY (LD) 4 DETEKTORY SVÌTELNÉHO ZÁØENÍ 5 OPTOELEKTRONICKÉ VAZEBNÍ ÈLENY OPTRONY 6 ZOBRAZOVACÍ JEDNOTKY 7 OBRAZOVÉ SENZORY 8 OPTICKÁ VLÁKNA obsah 4. dílu Zesilovaèe a filtry 1 PØENOSOVÉ VLASTNOSTI PASIVNÍCH LINEÁRNÍCH KOMPLEXNÍCH JEDNOBRANÙ A DVOJBRANÙ 2 PASIVNÍ KMITOÈTOVÉ FILTRY 1. A 2. ØÁDU 3 ANALÝZA ÈASOVÌ PROMÌNNÝCH SIGNÁLÙ 4 ZESILOVAÈE obsah 5. dílu Zesilovaèe a komparátory 1 ZESILOVAÈE 2 OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE (OZ) 3 PØÍSTROJOVÉ (MÌØICÍ) ZESILOVAÈE 4 NAPÌ OVÉ KOMPARÁTORY 5 AUDIO ZESILOVAÈE

PODROBNÝ OBSAH 1 ZESILOVAÈE... 9 1.1 Úvod... 10 1.2 Pøehled integrovaných zesilovaèù... 11 2 OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE (OZ) (OPERATIONAL... 13 2.1 Struènì z historie operaèních zesilovaèù... 14 2.2 Co je operaèní zesilovaè... 16 2.3 Ideální operaèní zesilovaè s napì ovou zpìtnou vazbou (voltage feedback amplifiers, VFA)... 19 2.3.1 Hlavní vlastnosti ideálního OZ... 19 2.3.2 Základní zapojení ideálního operaèního zesilovaèe1... 22 2.3.2.1 Neinvertující zapojení zesilovacího stupnì s OZ (Non-Inverting Op Amp)... 24 2.3.2.2 Invertující zapojení zesilovacího stupnì s OZ... 28 2.3.2.3 Rozdílový (diferenèní) zesilovaè (Differential Op Amp)... 33 2.3.2.4 Operaèní zesilovaè jako invertující souètový zesilovaè (Voltage Adder)... 36 2.3.2.5 Složený zpìtnovazební obvod... 38 2.3.2.6 Obecný tvar invertujícího zapojení OZ... 41 2.4 Reálný operaèní zesilovaè s napì ovou zpìtnou vazbou... 54 2.4.1 Zjednodušené schéma zapojení... 54 2.4.2 Pøehled technologií monolitických operaèních zesilovaèù... 57 2.4.2.1 Bipolární operaèní zesilovaèe... 57 2.4.2.2 CMOS operaèní zesilovaèe... 60 2.4.2.3 Operaèní zesilovaèe BiFET... 60 2.4.2.4 Operaèní zesilovaèe BiCMOS a BiMOS... 61 2.4.3 Dùležité vlastnosti reálného operaèního zesilovaèe... 61 2.4.3.1 Zjednodušený model operaèního zesilovaèe... 61 2.4.3.2 Vliv záporné zpìtné vazby na velikost vstupní a výstupní impedance invertujícího a neinvertujícího zapojení OZ... 64 2.4.3.3 Kladná a záporná saturace... 66 2.4.3.4 Vliv koneèné hodnoty zesílení otevøené smyèky... 66 2.4.3.5 Potlaèení souhlasného napìtí (Common mode Rejection Ratio CMRR)... 73 2.4.3.6 Citlivost na zmìnu napájecího napìtí (PSRR power supply rejection ratio, ksvr supply-voltage rejection ratio)... 75 4 J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 5. DÍL A

2.4.4 Dùležité stejnosmìrné parametry OZ... 75 2.4.4.1 Vstupní napì ová nesymetrie, vstupní napì ový offset UIO (Input Offset Voltage VIO, VOS)... 75 2.4.4.2 Vstupní klidové proudy (Input Bias Currents, IB)... 77 2.4.4.3 Vstupní proudová nesymetrie (vstupní proudový offset) (input offset current IIO, IOS)... 79 2.4.4.4 Celková chyba výstupního napìtí zpùsobená vstupní napì ovou nesymetrií a vstupními klidovými proudy... 81 2.4.5 Kmitoètové a pøechodné charakteristiky operaèních zesilovaèù... 84 2.4.5.1 Vnìjší kompenzace kmitoètové charakteristiky OZ... 90 2.4.5.2 Vliv kapacit na vstupu a výstupu OZ na jeho stabilitu... 92 2.4.5.3 Rychlost pøebìhu SR (Slew Rate)... 97 2.4.6 Šumy v zapojeních s operaèními zesilovaèi... 101 2.5 Ideální operaèní zesilovaè s proudovou zpìtnou vazbou transimpedanèní zesilovaè (current feedback amplifier, CFA, též CFB op amps)... 107 2.5.1 Princip zesilovaèe s proudovou zpìtnou vazbou (CFA)... 107 2.5.2 Hlavní vlastnosti ideálního zesilovaèe s proudovou zpìtnou vazbou. 108 2.5.3 Základní zapojení OZ s proudovou zpìtnou vazbou... 109 2.5.3.1 Neinvertující zapojení OZ s proudovou zpìtnou vazbou... 110 2.5.3.2 Invertující zapojení OZ s proudovou zpìtnou vazbou... 111 2.6 Reálný operaèní zesilovaè s proudovou zpìtnou vazbou... 112 2.6.1 Kmitoètové charakteristiky CFA... 114 2.6.2 Porovnání hlavních vlastností operaèních zesilovaèù s napì ovou (VFA) a s proudovou (CFA) zpìtnou vazbou 122 2.7 Operaèní zesilovaèe pro nízká napájecí napìtí... 125 2.7.1 Operaèní zesilovaèe s nesymetrickým (jednopólovým) napájením (Single Supply Op Amp)... 126 2.7.1.1 Stejnosmìrná vazba zdroje signálu se vstupem zesilovaèe... 127 2.7.1.2 Støídavá vazba zdroje signálu se vstupem zesilovaèe... 134 2.7.2 Operaèní zesilovaèe se zvìtšenými mezemi vstupního a výstupního napìtí (rail to rail R R, r to r)... 136 2.8 Rozdìlení operaèních zesilovaèù... 141 2.8.1 Dìlení OZ podle typu zpìtné vazby... 142 2.8.2 Dìlení OZ podle použité technologii... 142 A J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 5. DÍL 5

2.8.3 Dìlení OZ podle parametrù... 144 2.9 Pøíklady aplikací operaèních zesilovaèù... 147 3 PØÍSTROJOVÉ (MÌØICÍ) ZESILOVAÈE... 155 3.1 Co je pøístrojový zesilovaè... 156 3.2 Rozdílové zesilovaèe... 157 3.2.1 Pøístrojový zesilovaè se tøemi operaèními zesilovaèi... 158 3.2.1.1 Potlaèení souhlasného signálu CMRR... 160 3.2.1.2 Vstupní napì ová nesymetrie... 161 3.2.2 Základní zapojení pøístrojového zesilovaèe složeného ze dvou operaèních zesilovaèù... 162 3.2.3 Zpùsoby nastavení zesílení pøístrojových zesilovaèù... 164 3.2.4 Pøístrojové zesilovaèe s autonulováním... 166 3.2.5 Hlavní vlastnosti pøístrojových zesilovaèù a jejich použití... 167 3.2.6 Monolitické diferenèní zesilovaèe... 168 3.3 Poznámky k aplikacím pøístrojových zesilovaèù... 169 3.4 Pøíklady použití pøístrojových zesilovaèù... 170 3.4.1 Pøíklad mìøení signálu z tenzometrického mùstku napájeného støídavým proudem... 170 3.4.2 Nesymetrické napájení pøístrojového zesilovaèe... 171 3.4.3 Aplikace AD628... 172 4 NAPÌ OVÉ KOMPARÁTORY... 175 4.1 Úvod... 176 4.2 Princip funkce napì ového komparátoru... 176 4.3 Obvodové uspoøádání napì ových komparátorù... 178 4.4 Komparaèní úroveò a hystereze... 180 4.4.1 Komparaèní úroveò... 180 4.4.2 Hystereze... 180 6 J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 5. DÍL A

4.4.3 Komparátor s hysterezí... 182 4.4.3.1 Invertující zapojení komparátoru s hysterezí... 182 4.4.3.2 Neinvertující zapojení komparátoru s hysterezí... 184 4.5 Operaèní zesilovaè ve funkci komparátoru... 186 4.6 Použití komparátorù... 188 5 AUDIO ZESILOVAÈE... 193 Audio pøedzesilovaèe... 194 Výkonové audio zesilovaèe... 195 DODATKY... 197 DODATEK A... 197 DODATEK B... 204 DODATEK C... 207 LITERATURA... 215 REJSTØÍK... 221 SLOVNÍÈEK... 222 A J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 5. DÍL 7

O KNIZE Hlavním zamìøením pátého dílu uèebnice je oblast operaèních zesilovaèù a jejich aplikací. Popisuje hlavní vlastnosti a pravidla pro používání operaèních zesilovaèù s napì ovou a s proudovou zpìtnou vazbou, vysvìtluje principy pøístrojových zesilovaèù a komparátorù, zmiòuje se o problematice audio zesilovaèù. Popisované obvody jsou základními stavebními prvky analogových a analogovì èíslicových obvodù. Text knihy je úvodem do problematiky, který má ètenáøi umožnit, aby získal pøedstavu o možnostech a zpùsobech øešení obvodù a systémù s uvedenými integrovanými obvody. Pøi správné aplikaci vede používání integrovaných obvodù ke zlepšování technických parametrù, ke zvyšování spolehlivosti, zmenšování rozmìrù, snižování energetické nároènosti a ceny elektronických zaøízení. V textu jsou uvedeny pøíklady obvodù s operaèními a pøístrojovými zesilovaèi a s komparátory spolu se zpùsoby jejich øešení. Aplikacím operaèních zesilovaèù a nìkterých speciálních integrovaných obvodù v oblasti aktivních filtrù, generátorù signálù, tvarovacích a dalších obvodù je vìnováno samostatné pokraèování této knihy. Publikace obsahuje množství obrázkù a názornì øešených pøíkladù. Mùže sloužit jako studijní pomùcka pro posluchaèe prùmyslových i vysokých škol, a také pro potøeby technické veøejnosti a elektrotechnikù amatérù. Softwarovou pomoc pøi øešení obvodù s operaèními zesilovaèi nabízejí jejich výrobci. Do jejich programù staèí zadat hlavní požadované parametry aplikace, naèež program nabídne typ operaèního zesilovaèe daného výrobce a jeho zapojení, nakreslí kmitoètové charakteristiky atd. Pro obecné øešení elektronických obvodù je možné z èeských programù uvést napø. program SNAP, jehož verzi 2.61 lze stáhnout z internetu na adrese www.webpark.cz/snap. Svìtovì rozšíøenými programy jsou napø. PSPICE, MICRO- SIM, TINA a další. 8 J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 5. DÍL A