Jaroslav Belza OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE pro obyèejné smrtelníky Praha 2004
Tato praktická pøíruèka o operaèních zesilovaèích má sloužit nejen pro amatérskou, ale i pro poloprofesionální praxi, nebo shrnuje vše podstatné o operaèních zesilovaèích. Je vhodná i jako moderní uèebnice pro støední školy vyzdvihuje principy zapojení a konkrétní øešení jednotlivých problémù. Proto také v knize nenajdete rozsáhlé vzorce a složitá matematická odvození, tìmi se zabývá odbornìjší literatura. Kniha je urèena jako úvodní informace zvláštì pro ty, kteøí chtìjí do problematiky operaèních zesilovaèù teprve postupnì pronikat a které odrazují rozsáhlá díla. Zbìhlým konstruktérùm jistì kniha poslouží jako inspirace a pøehledný zdroj informací o problematice operaèních zesilovaèù. Jaroslav Belza Operaèní zesilovaèe pro obyèejné smrtelníky 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. 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 Ing. Jaroslav Belza, Praha 2004 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Jaroslav Belza: Operaèní zesilovaèe pro obyèejné smrtelníky BEN technická literatura, Praha 2004 1. vydání ISBN 80-7300-115-2
OBSAH 1. Úvod... 7 Pár slov na zaèátek o operaèních zesilovaèích Pár slov o autorovi a o knize Znaèky a zkratky, se kterými se èasto setkáte 2. Co je operaèní zesilovaè a trocha teorie... 11 Jak OZ funguje Základní pojmy Potlaèení souètového signálu kmitoètová kompenzace rychlost pøebìhu vstupní napì ová nesymetrie vstupní proudová nesymetrie Obvody s operaèními zesilovaèi 3. Napájení OZ... 21 Symetrické napájecí napìtí Zásady blokování napájecího napìtí kondenzátory 4. Zesilovaèe... 23 Invertující a neinvertující zesilovaè Sledovaè Rozdílový zesilovaè Nastavitelné zesílení Pøístrojový zesilovaè Izolující zesilovaè Oddìlovací zesilovaè 5. Syntetické indukènosti a gyrátory... 35 Prescottùv syntetický induktor Syntetický induktor s jedním OZ Pásmové zádrže se syntetickým induktorem Univerzální zapojení pro realizaci impedanèních invertorù a konvertorù
6. Aktivní filtry... 43 Porovnání Besselových, Butterworthových a Èebyševových filtrù Dolní propusti, horní propusti, pásmové propusti a pásmové zádrže Konstanty pro výpoèet filtrù Laditelné pásmové propusti a zádrže Obvody pro posuv fáze Pásmová propust a pásmová zádrž pro 50 Hz 7. Oscilátory harmonických signálù... 61 Oscilátory s Wienovým èlenem Oscilátory se stabilizací amplitudy Oscilátory s pøemostìným èlánkem T Oscilátory se širokým pøeladìním Nízkofrekvenèní generátor RC 8. Multivibrátory a generátory tvarových kmitù... 69 Komparátor s hysterezí (Schmittùv klopný obvod) Astabilní a monostabilní multivibrátory Integrátor Generátory tvarových kmitù 9. Tvarovaèe signálu... 79 Tvarování harmonického signálu Tvarovaèe trojúhelník sinus 10. Usmìròovaèe a pøevodníky na absolutní hodnotu... 83 Jednocestné a dvoucestné usmìròovaèe Pøevodníky na absolutní hodnotu Indikátor úrovnì nízkofrekvenèního signálu Mìøiè mezivrcholové úrovnì signálu Usmìròovaèe pro ruèková mìøidla Milivoltmetry 11. Logaritmické zesilovaèe... 95 Základní zapojení Logaritmický a delogaritmický pøevodník Logaritmický zesilovaè Logaritmátor 4 JAROSLAV BELZA: OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE A
12. Pøevodníky... 101 Napìtí kmitoèet Teplota napìtí Teplota kmitoèet Napìtí støída Proud napìtí Napìtí proud (zdroj proudu) Intenzita osvìtlení kmitoèet 13. Rozšíøení rozsahu výstupních napìtí a proudù... 123 Koncový stupeò pracující ve tøídì AB Rùzné typy koncových stupòù Zvìtšení výstupního proudu paralelním øazením OZ Rozkmitový stupeò pro zvìtšení výstupního napìtí 14. OZ v napájecích zdrojích... 131 Zdroj referenèního napìtí s OZ Stabilizované zdroje s OZ Symetrický zdroj napìtí Umìlý støed napájecího napìtí Zdroj záporného napìtí 15. OZ v nf technice... 137 Pøedzesilovaè pro gramofon Zesilovaè pro magnetofon Korekèní pøedzesilovaèe Vícepásmové nízkofrekvenèní korektory Filtr pro zdùraznìní øeèi Obvod pro rozšíøení báze stereofonního signálu Rùzné nf zesilovaèe Obvod pro ochranu reproduktorù Indikátor vybuzení a pøebuzení 16. OZ v mìøicích pøístrojích a zkoušeèkách... 159 Mìøení odporù a vodivostí Mìøení zesilovacího èinitele tranzistorù Mìøení teploty Mìøení malých stejnosmìrných napìtí Automatické pøepínání rozsahù Zkratomìr Tester operaèních zesilovaèù A JAROSLAV BELZA: OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE 5
17. OZ v indikátorech, testerech a spínaèích... 173 Komparátory Okénkový diskriminátor Testery a indikátory napìtí Svìtelné a dotykové spínaèe 18. OZ v dalších zapojeních... 187 Nabíjeèe akumulátorù Vybíjeèe akumulátorù Regulátory otáèek Svìtelná závora 19. Optoizolaèní zesilovaèe... 197 Izolaèní zesilovaè Izolaèní zesilovaèe se speciálními optoèleny Pøehledy 20. OZ v datech... 205 Pøehled parametrù nìkterých bìžných OZ Zapojení vývodù pouzder Nebìžná mìøení bìžných operaèních zesilovaèù 21. Literatura... 221 Knihy a èasopisy Internetové odkazy a elektronické dokumenty 22. Rejstøík... 229 Odborné termíny Souèástky (integrované obvody, optoèleny a senzory) Knihy nakladatelství BEN technická literatura... 239 Knihy na problematiku operaèních zesilovaèù Kontakty na naše specializované prodejny Pár slov o nás 6 JAROSLAV BELZA: OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE A
OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE pro obyèejné smrtelníky ÚVOD n n n Pár slov na zaèátek o operaèních zesilovaèích 1 Pár slov o autorovi a o knize Znaèky a zkratky, se kterými se èasto setkáte 7
Pár slov na zaèátek o operaèních zesilovaèích Operaèní zesilovaè (OZ) není nijak nová souèástka. Pùvodnì byl používán jako základní prvek analogových poèítaèù a nároèných mìøicích systémù. I když analogové poèítaèe se dnes již prakticky nepoužívají digitální zpracování signálù je výhodnìjší nalezneme operaèní zesilovaè v nejrùznìjších elektronických pøístrojích. První operaèní zesilovaèe byly samozøejmì sestavené z diskrétních souèástek. První zmínky o operaèních zesilovaèích jsou z let 1947 a 1948 a ve svých zaèátcích byly OZ osazeny elektronkami, pozdìji tranzistory. Takové operaèní zesilovaèe byly samozøejmì rozmìrné a drahé. Jejich základ tvoøil stejnosmìrný zesilovaè a pro zlepšení dynamických vlastností byly doplnìny jednou nebo dvìma paralelními cestami pro zpracování signálù støedních a vysokých kmitoètù. Zapojení tranzistorového operaèního zesilovaèe je uvedeno napø. v [1]. Masové rozšíøení však operaèní zesilovaèe zaznamenaly až po roce 1965, kdy se po zlepšení planární technologie podaøilo umístit celý zesilovaè na jeden èip v monolitickém integrovaném obvodu. Vlastnosti prvních monolitických operaèních zesilovaèù nebyly nijak skvìlé. Proto byly vyrábìny i operaèní zesilovaèe jako hybridní obvody, v nichž se pro zlepšení vlastností èipy doplòovaly dalšími souèástkami. Typickým pøípadem je pøipojení tranzistorù øízených polem na vstup OZ. Výhodné vlastnosti OZ pøedurèily pro mnohé aplikace, v nichž se døíve používala zapojení z diskrétních souèástek. Jeden z nejbìžnìjších operaèních zesilovaèù ètyønásobný OZ typu LM324 lze dnes zakoupit za maloobchodní cenu pod 10 Kè. Pak lze použít operaèní zesilovaè i v místì, kde nahradí tøeba jen jediný tranzistor a nìkolik rezistorù zapojení bude pak nejen jednodušší, ale i levnìjší. Dnes se vyrábí na celém svìtì témìø nespoèetné množství nejrùznìjších typù operaèních zesilovaèù. V nabídce výrobcù elektronických souèástek lze nalézt OZ specializované pro nejrùznìjší použití; napø. OZ pro malá napájecí napìtí (od 1 V), s malým pøíkonem (odbìr proudu od jednotek µa), OZ pro výkonové obvody (výstupní proud øádu jednotek A), OZ s velmi malou vstupní napì ovou nesymetrií, OZ pracující s kmitoèty až stovek MHz, atd. Zcela bìžnì se vyrábìjí operaèní zesilovaèe s tranzistory øízenými polem (JFET a MOSFET) ve vstupních obvodech, OZ s velmi malým šumem a zkreslením, vhodné i do elektroakustických zaøízení nejvyšší kvality apod. Operaèní zesilovaè se stal èasto jen ve zjednodušené formì nedílnou souèástí mnoha dalších integrovaných obvodù. Poslední pøehled základních zapojení s OZ byl na stránkách Amatérského radia otištìn naposled v [2] a [3]. Pro všechny konstruktéry elektronických zaøízení jsem proto pøipravil pøehled základních zapojení a vìøím, že se jim tato publikace stane praktickou pøíruèkou. Tato publikace shrnuje podstatné èásti z [4] a [5]. Použitá zapojení byla vybrána z nejrùznìjších èasopisù a knih. Z tuzemských je to hlavnì Sdìlovací technika a Amatérské radio od roku 1965. Seznam použitých pramenù by byl znaènì rozsáhlý proto se v seznamu literatury omezím jen na ty nejdùležitìjší. 8 JAROSLAV BELZA: OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE A
Pár slov o autorovi a o knize Jak je na pøedchozí stránce øeèeno, kniha vznikla na základì dvou èísel èasopisu Konstrukèní elektronika, vydaných v roce 1996 a 1997. Nejen nápad nakladatelství BEN technická literatura, ale i pozitivní ohlasy ètenáøù na výše zmínìné autorovo dílo a také volání odborné veøejnosti po lehèeji stravitelných informacích o operaèních zesilovaèích to vše pøimìlo autora k novému, souhrnému uspoøádání do podoby uceleného knižního vydání. Je vùbec velkým úspìchem, že se to nakonec podaøilo. Zejména vzhledem k tomu, že autor je velmi vytížený èlovìk ze strany nakladatelství nepomohlo ani pøemlouvání, ani nátlak, zøejmì kniha mìla svùj èas trvalo to skuteènì necelé ètyøi roky. Tímto bychom se zároveò chtìli omluvit netrpìlivým ètenáøùm, kteøí nás v redakci obèas popichovali svými výhružnými, odsuzujícími a nìkdy i velmi nepøíjemnými pøipomínkami. redakce nakladatelství BEN technická literatura A JAROSLAV BELZA: OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE 9
Znaèky a zkratky, se kterými se èasto setkáte znaèka anglický význam èeský význam A u zesílení A vd, A V Large Signal Voltage Gain zesílení pro velké signály (a velmi nízký kmitoèet) B OM viz PBW C IN Input Capacitance vstupní kapacita CMR Common-Mode Rejection Ratio potlaèení souhlasných signálù na vstupu CMRR viz CMR DP dolní propust e n Equivalent Input Noise voltage ekvivalentní vstupní šumové napìtí GBP Gain Bandwidth Product kmitoèet, pøi kterém se zesílení zmenší na 1 Small Signal Bandwidth Unity Gain GBWviz GBP HP horní propust I CC Supply Current napájecí proud I ib Input Bias Current vstupní proud I io Input Offset Current vstupní proudová nesymetrie I o Output Short Circuit Current výstupní zkratový proud (proud teèe z IO) I sink Output Sink Current výstupní zkratový proud (proud teèe do IO) PP pásmová propust PBWPower Bandwidth Maximum-output-swing bandwidth nejvyšší kmitoèet, pøi kterém lze ještì využít maximální rozkmit výstupního napìtí P tot Power Dissipation výkonová ztráta (pouzdra) PSRR Power Supply Rejection Ratio potlaèení vlivu napájecího napìtí R IN Input Resistance vstupní odpor SVR Power Supply Rejection Ratio potlaèení vlivu napájecího napìtí V+, V CC Supply voltage napájecí napìtí V i Input Voltage vstupní napìtí V icm Input Common-Mode Voltage Range rozsah vstupních napìtí V io, V OS Input Offset Voltage vstupní napì ová nesymetrie V OH High Level Output Voltage kladné výstupní saturaèní napìtí V OL Low Level Output Voltage záporné výstupní saturaèní napìtí V OUT Maximum Output Voltage Swing max. rozkmit výstupního napìtí V O1 /V O2 Amplifier to Amplifier Coupling Channel Separation oddìlení u vícenásobných OZ SR Slew Rate rychlost pøebìhu THD Total Harmonic Distortion celkové harmonické zkreslení T oper Operating Free-air Temperature Range pracovní teplota T stg Storage Temperature Range skladovací teplota 10 JAROSLAV BELZA: OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE A