http://www.coptkm.cz/ Operační zesilovač (dále OZ) OZ má složité vnitřní zapojení a byl původně vyvinut pro analogové počítače, kde měl zpracovávat základní matematické operace. V současné době je jeho využití všestranné a je použitelný ke zpracování stejnosměrných i střídavých napětí. OZ je integrovaný obvod s funkcí zesilovače, který se některými svými parametry blíží ideálnímu operačnímu zesilovači, který by měl mít tyto vlastnosti: - nekonečně velké (napěťové a proudové) zesílení (skutečný A = 0 6 ) - nekonečně velký vstupní odpor (skutečný = 00 M) - nulový výstupní odpor (skutečný = 0 Ω) - frekvenční nezávislost (skutečný f = 80 MHz) - nekonečně velké potlačení součtového signálu, (skutečný CM = 0 db) (signálu společného oběma vstupům) OZ má dva vstupy:
- vstup invertující (označen -) vstupní napětí je zesilováno v protifázi vzhledem k výstupnímu napětí - vstup neinvertující (označen +) vstupní napětí je zesilováno ve fázi vzhledem k výstupnímu napětí - jeden výstup OZ jsou napájené ze dvou zdrojů zapojených do série s vyvedenou nulou spojenou s kostrou. Je to napájení symetrickým napětím. Existují však i zapojení pro nesymetrické napájení. Při napájení symetrickém pokud je na vstupu nulové napětí je nulové napětí také na výstupu. Při napájení nesymetrickém pokud je na vstupu nulové napětí je na výstupu poloviční napětí zdroje. OZ se setkáváme s těmito výrazy: = A - napěťové zesílení se zpětnou vazbou = A o - napěťové zesílení (rozdílové) bez zpětné vazby = CM - Common Mode ejection potlačení shodného signálu přivedeného na oba vstupy současně = offset - pokud je na obou vstupech O V (nula voltů) pak také na výstupu musí být OV. Když tomu tak není, pak existuje napěťová či proudová nesymetrie na vstupu proto, aby se dosáhlo na výstupu nulového napětí. Nenulové výstupní napětí při nulovém vstupním napětí. Této nesymetrii říkáme offset. Některé OZ mají vývody pro vnější připojení proměnného rezistoru určeného ke kompenzaci offsetu. Je to umožněno tím, že offset je konstantní. = drift - tepelný drift se vyjadřuje součinitelem tepelné závislosti vstupní napěťové
nebo proudové nesymetrie. Je to tedy poměr změny napěťové nebo proudové nesouměrnosti vstupů k teplotnímu intervalu, ve kterém tato změna nastala. Lze tedy říci, že časová nestálost. = slew rate rychlost přeběhu max. rychlost neboli časová změna napětí bez zkreslení. Operační zesilovače mají velmi velké zesílení (běžně 00 000). Pokud OZ nemá zavedenou ZV, pak má obrovské zesílení a jeho výstup je ve stavu saturace. Vysoké zesílení u OZ je však provázeno zúžením šířky zesilovaného pásma. Zesílení klesá především u vysokých frekvencí. Pokud zesilujeme signál do cca 0 khz (slyšitelné pásmo) pak zesílení obvykle nepřesáhne 50 a u šířky MHz již OZ přestává zesilovat. Použití a základní zapojení operačních zesilovačů: Invertující zesilovač Je jedno z nejčastějších zapojení. Neinvertující vstup (+) je uzemněn a signál přivádíme přes na invertující vstup (-). určuje vstupní odpor OZ. Na výstupu je zesílený signál. ezistor je zpětnovazební (záporná zpětná vazba snižující velké zesílení OZ). Zapojení invertujícího zesilovače
Praktické zapojení invertujícího zesilovače na nepájivém poli Napětí na výstupu bude: =. Záporné znaménko potvrzuje, že výstupní napětí je oproti vstupnímu posunuto o 80 o je tedy obrácené inverzní.
Kladnému vstupnímu napětí odpovídá záporné výstupní napětí a opačně. Aby OZ minimálně proudově zatěžoval vstupní napětí volíme velký, ale zase jen tak velký abychom dosáhli potřebného zesílení, neboť nemůže nabývat nepřijatelně velkých hodnot. Neinvertující vstup (+) vzhledem k vyrovnání vstupních proudů připojujeme na zem nikoliv přímo, ale přes další rezistor 3 (říká se mu kompenzační) jehož velikost je 3 =. + Invertující zesilovač nám umožní získat velká vstupní odpor a velký zisk při realizovatelných hodnotách rezistorů. Neinvertující zesilovač Zde je vstupní napětí přivedeno do neinvertujícího vstupu (+). Invertující vstup je připojen k odporovému děliči a (zpětnovazební). Zapojení neinvertujícího zesilovače
Praktické zapojení neinvertujícího zesilovače na nepájivém poli tohoto zesilovače platí = +. ozdíl v zesílení u neinvertujícího zesilovače v porovnání s invertujícím je zanedbatelný a nemůže být nikdy menší než. tohoto zapojení OZ je výstupní signál ve fázi se signálem vstupním (u rovnice není znaménko -). Důležitou dobrou vlastností neinvertujícího zesilovače je vysoký vstupní odpor. Pokud u neinvertujícího zesilovače vynecháme zpětnovazební rezistor a výstup spojíme přímo se vstupem, pak má tento OZ zesílení (nezesiluje), ale má velmi vysoký vstupní odpor (až několik desítek MΩ), přitom na výstupu je odpor minimální. Zapojení je využíváno výhodně jako impedanční převodník tam, kde elektronické obvody nemohou být byť i nepatrně zatěžovány.
ozdílový (diferenční) zesilovač Dvě vstupní napětí a se přivádí přes vstupní odpory a na vstupy OZ. ezistor 3 je zpětnovazební a dělič 4 zajišťuje shodné zesílení obou napětí. Na výstupu OZ se vyhodnocuje diference (rozdíl) úrovně obou vstupních napětí. Toto zapojení je velmi odolné proti rušení. Zapojení rozdílového zesilovače Praktické zapojení rozdílového zesilovače na nepájivém poli
Výstupní napětí se rovná 3 = ( ). diferenčního zesilovače musí být dodržena ještě jedna podmínka (a to velmi přesně) aby:. 4 =. 3 Komparátor komparátoru se srovnávají dvě napětí mezi sebou. Je-li napětí na invertujícím vstupu větší než na vstupu neinvertujícím, pak má výstupní napětí maximální zápornou hodnotu a při opačné situaci na vstupu má maximální kladnou hodnotu. Často je na neinvertující vstup připojeno referenční napětí a pak je na výstupu kladné nebo záporné napětí podle vstupního napětí na invertujícím vstupu. Poněvadž na výstupu OZ získáváme pouze dvě úrovně napětí, jsou komparátory využívané jako analogově digitální převodníky. Pokud je u komparátoru zavedena zpětná vazba (ZV), pak se komparátor vyznačuje hysterezí. Integrující zesilovač tohoto zapojení je v obvodu ZV namísto rezistoru zapojen kondenzátor (integrační kondenzátor). Na výstupu je napětí trojúhelníkového průběhu. Zapojení se využívá spolu s dalšími obvody jako generátor kmitočtu trojúhelníkového průběhu. = dt C
Zapojení integrujícího zesilovače
Praktické zapojení integrujícího členu na nepájivém pol Derivující zesilovač Zapojení je inverzní k zapojení předcházejícímu. Signál na výstupu je úměrný derivaci vstupního signálu. Podmínkou derivujícího zesilovače je f < π.c Zapojení derivujícího zesilovače
Praktické zapojení derivujícího členu na nepájivém poli Existuje ještě mnoho dalších zapojení s OZ např.: Schmittův klopný obvod, který střídavý signál třeba sinusového průběhu na vstupu mění v signál obdélníkový. OZ zapojený jako Schmittův klopný obvod. Kladná ZV je vedena z výstupu na neinvertující vstup Součtový (sumační) zesilovač na invertující vstup připojíme přes sčítací odpory několik vstupních napětí.
) ( 4 4 3 3 zp n x x X zp + + + = = = OZ zapojený jako sumační zesilovač. Neinvertující vstup může být také spojen se zemí ne přímo, ale přes kompenzační rezistor, který musí být menší, než kterýkoliv z rezistorů až 4 Praktické zapojení součtového zesilovače na nepájivém poli
Operační zesilovače jsou integrované obvody, které nalezly velmi široké praktické uplatnění v nepřeberném množství nejrůznějších aplikací. V současné době je i jejich cena nízká a návrhy elektronických obvodů s OZ jsou jednoduché.