Operační zesilovače. U výst U - U +

Podobné dokumenty
OPERA Č NÍ ZESILOVA Č E

PŘEVOD DAT. Zobrazení dat

Operační zesilovač (dále OZ)

1.6 Operační zesilovače II.

(s výjimkou komparátoru v zapojení č. 5) se vyhněte saturaci výstupního napětí. Volte tedy

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

Fyzikální praktikum 3 Operační zesilovač

2. NELINEÁRNÍ APLIKACE OPERAČNÍCH ZESILOVAČŮ

Základní zapojení s OZ. Vlastnosti a parametry operačních zesilovačů

Zpětná vazba a linearita zesílení

Praktické výpočty s komplexními čísly (především absolutní hodnota a fázový úhel) viz např. vstupní test ve skriptech.

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

Operační zesilovač, jeho vlastnosti a využití:

Pokud není uvedeno jinak, uvedený materiál je z vlastních zdrojů autora

Teorie úlohy: Operační zesilovač je elektronický obvod, který se využívá v měřící, výpočetní a regulační technice. Má napěťové zesílení alespoň A u

10. Operační zesilovače a jejich aplikace, parametry OZ. Vlastnosti lineárních operačních sítí a sítí s nelineární zpětnou vazbou

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Generátory měřicího signálu

ISŠ Nova Paka, Kumburska 846, Nova Paka Automatizace Dynamické vlastnosti členů členy a regulátory

1. Navrhněte a prakticky realizujte pomocí odporových a kapacitních dekáda derivační obvod se zadanou časovou konstantu: τ 2 = 320µs

A/D převodníky, D/A převodníky, modulace

Operační zesilovač. 1 Teoretická část

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

PŘEDNÁŠKA 1 - OBSAH. Přednáška 1 - Obsah

2.POPIS MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU Měřeným předmětem je operační zesilovač. Pro měření byla použita souprava s operačním zesilovačem, kde napájení bylo 5V

Studium tranzistorového zesilovače

[Otázky Autoelektrikář + Mechanik elektronických zařízení 1.část] Na rezistoru je napětí 25 V a teče jím proud 50 ma. Rezistor má hodnotu.

POZNÁMKY K ZADÁNÍ PREZENTACÍ - 17BBEO - TÉMA 2

Studium klopných obvodů

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Vlastnosti regulátorů

Zesilovače biologických signálů, PPG. A6M31LET Lékařská technika Zdeněk Horčík, Jan Havlík Katedra teorie obvodů

Title: IX 6 11:27 (1 of 6)

OPERAČNÍ ZESILOVAČE. Teoretický základ

18A - PRINCIPY ČÍSLICOVÝCH MĚŘICÍCH PŘÍSTROJŮ Voltmetry, A/D převodníky - principy, vlastnosti, Kmitoměry, čítače, fázoměry, Q- metry

popsat činnost základních zapojení operačních usměrňovačů samostatně změřit zadanou úlohu

Prvky a obvody elektronických přístrojů II

2.POPIS MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU Měřeným předmětem je operační zesilovač. Pro měření byla použita souprava s operačním zesilovačem, kde napájení bylo 5V

Měření vlastností lineárních stabilizátorů. Návod k přípravku pro laboratorní cvičení v předmětu EOS.

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Číslicový Voltmetr s ICL7107

Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Ing. Miroslav Krýdl Tematická oblast ELEKTRONIKA

Zesilovače. Ing. M. Bešta

- + C 2 A B V 1 V 2 - U cc

LC oscilátory s transformátorovou vazbou

elektrické filtry Jiří Petržela aktivní prvky v elektrických filtrech

Elektronické praktikum EPR1

Nízkofrekvenční (do 1 MHz) Vysokofrekvenční (stovky MHz až jednotky GHz) Generátory cm vln (až desítky GHz)

Zvyšování kvality výuky technických oborů

e, přičemž R Pro termistor, který máte k dispozici, platí rovnice

Schmittův klopný obvod

Kompenzovaný vstupní dělič Analogový nízkofrekvenční milivoltmetr

Punčochář, J.: OPERAČNÍ ZESILOVAČE V ANALOGOVÝCH SYSTÉMECH 1

Přednáška 4 - Obsah. 1 Základní koncept přesného návrhu Koncept přesného operačního zesilovače... 1

Analogově-číslicové převodníky ( A/D )

V následujícím obvodě určete metodou postupného zjednodušování hodnoty zadaných proudů, napětí a výkonů. Zadáno: U Z = 30 V R 6 = 30 Ω R 3 = 40 Ω R 3

Manuální, technická a elektrozručnost

Obr. 1 Činnost omezovače amplitudy

Na trh byl uveden v roce 1971 firmou Signetics. Uvádí se, že označení 555 je odvozeno od tří rezistorů s hodnotou 5 kω.

OPERAČNÍ ZESILOVAČE. Teoretický základ

Petr Myška Datum úlohy: Ročník: první Datum protokolu:

4.1 OSCILÁTORY, IMPULSOVÉ OBVODY

Obrázek č. 1 : Operační zesilovač v zapojení jako neinvertující zesilovač

Analogově číslicové převodníky

Binární data. Číslicový systém. Binární data. Klávesnice Snímače polohy, dotykové displeje, myš Digitalizovaná data odvozená z analogového signálu

Určeno pro posluchače všech bakalářských studijních programů FS

Signál v čase a jeho spektrum

1.1 Pokyny pro měření

Název: Téma: Autor: Číslo: Prosinec Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická Brno, Sokolská 1

PŘEDNÁŠKA 2 - OBSAH. Přednáška 2 - Obsah

Projekt - Voltmetr. Přednáška 3 - část A3B38MMP, 2015 J. Fischer kat. měření, ČVUT - FEL, Praha. A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 1

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

Rezonanční řízení s regulací proudu

Dvoustupňový Operační Zesilovač

Základní vlastnosti číslicového voltmetru s měřicím usměrňovačem

U1, U2 vnější napětí dvojbranu I1, I2 vnější proudy dvojbranu

3. D/A a A/D převodníky

PŘECHODOVÝ JEV V RC OBVODU

6 Algebra blokových schémat

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

Měření vlastností střídavého zesilovače

Obvodové prvky a jejich

Zadání semestrálních prácí z předmětu Elektronické obvody. Jednodušší zadání

Přednáška 3 - Obsah. 2 Parazitní body effect u NMOS tranzistoru (CMOS proces) 2

Zvyšující DC-DC měnič

Měřicí řetězec. měřicí zesilovač. převod na napětí a přizpůsobení rozsahu převodníku

Maturitní témata. pro ústní část profilové maturitní zkoušky. Dne: Předseda předmětové komise: Ing. Demel Vlastimil

Fakulta biomedic ınsk eho inˇzen yrstv ı Elektronick e obvody 2016 prof. Ing. Jan Uhl ıˇr, CSc. 1

I. Současná analogová technika

Compact Matrix System

Měření vlastností stejnosměrných tranzistorových zesilovačů

11. Odporový snímač teploty, měřicí systém a bezkontaktní teploměr

Měřící přístroje a měření veličin

Impulsní regulátor ze změnou střídy ( 100 W, 0,6 99,2 % )

MATURITNÍ ZKOUŠKA Z ELEKTROTECHNICKÝCH MĚŘENÍ

ELEKTRONIKA. Maturitní témata 2018/ L/01 POČÍTAČOVÉ A ZABEZPEČOVACÍ SYSTÉMY

Základní vztahy v elektrických

Stabilizátory napětí a proudu

Zdroje napětí - usměrňovače

Spojité regulátory Zhotoveno ve školním roce: 2011/2012. Spojité regulátory. Jednoduché regulátory

Děliče napětí a zapojení tranzistoru

Transkript:

Operační zesilovače Analogové obvody zpracovávají signál spojitě se měnící v čase. Nejpoužívanější součástkou v současné době je operační zesilovač. Název operační pochází z dob, kdy se používal (v elektronkovém provedení) pro realizaci matematických operací v analogových počítačích. S příchodem tranzistorů a integrace se z něj stala výkonná a dostupná součástka s výbornými parametry. platnění nalezl v odvětvích od přístrojové, měřící a sdělovací techniky až po audiotechniku. Operační zesilovač (OZ) pracuje jako zesilovač napětí. Většinou se konstruuje v diferenční podobě. Má dva upy - neinvertující (+) a invertující (-). Zesiluje rozdíl napětí na těchto upech, tj. = A ( + ), kde A je napěťové zesílení. Je-li tedy na neinvertujícím upu kladnější napětí než na invertujícím, na upu zesilovače je kladné napětí. Má většinou symetrické napájení, tj. dvě napájecí svorky - pro kladné a záporné napájecí napětí (typicky až ±5V). Schématická značka je na obr... - + Obr.. Schématická značka operačního zesilovače Vnitřní architektura zesilovače je na obr... Diferenční zesilovač DIF zajišťuje velké rozdílové zesílení upních napětí +, - a co nejmenší zesílení součtového napětí. Zesilovač ZES má zajistit velké napěťové zesílení OZ, koncový stupeň KS pak dodání potřebného výkonu do zátěže. upy up + DIF ZES KS Obr.. Vnitřní bloková architektura operačního zesilovače OZ se používá pro své výhodné vlastnosti: velké zesílení A (až 0 6 ), malý upní odpor (řádově jednotky Ω ), velký upní odpor (řádově MΩ). Při výpočtech pracujeme s modelem - tzv. ideálním operačním zesilovačem, který má nekonečný upní odpor, nulový upní odpor a nekonečné zesílení. Nekonečný upní odpor má za následek, že upní proudy do zesilovače jsou nulové. Nulový upní odpor má za následek, že upní napětí neklesá při zatížení upu. Nekonečné napěťové zesílení způsobí (dá se dokázat matematicky), že v lineárních aplikacích se zápornou zpětnou vazbou závisí přenos (zesílení) celého obvodu jen na parametrech zpětné vazby a rozdíl napětí mezi upy = + je stlačen na nulu. Všechny tyto vlastnosti ideálního zesilovače zjednodušují výpočty. Převodní charakteristika samotného OZ (v tzv. otevřené smyčce) je na obr..3. V lineární části má charakteristika sklon roven zesílení A. Výstupní napětí nemůže překročit hodnotu napájecího

CC napětí. Proto, překročí-li absolutní hodnota rozdílu upních napětí hodnotu + =, A kde CC je hodnota napájecího napětí, je upní napětí rovno (téměř) napájecímu napětí a OZ je ve stavu saturace (nasycení). Např., při napájení ±0V a zesílení 0 6 stačí pro saturaci rozdíl upních napětí 0 µv. Takto se používá OZ ve funkci komparátoru upního napětí (např. v paralelních A/D převodnících). Jeden ze upů (např. invertující) připojíme na zem (0 V) a na druhou upní svorku přivedeme sledované napětí. Výstup OZ je pak v záporné saturaci, je-li upní napětí záporné; kladné napětí na upu se objeví, je-li upní napětí kladné. Nejčastější aplikace je porovnání upního napětí s konstantním napětím ref, kterému říkáme referenční. Toto referenční napětí připojíme na up místo uzemnění. Charakteristika komparátoru se příslušně posouvá po vodorovné ose a je na obr..4. Obr.. 3 Převodní charakteristika operačního zesilovače Obr..4 Operační zesilovač ve funkci komparátoru V oblastech okolo nulového, resp. referenčního, upního napětí může dojít ke kolísání upu (v lineární části charakteristiky), což se odstraňuje jednak speciálně vyrobeným

zesilovačem se strmou charakteristikou (s co největším zesílením), jednak se používá zapojení komparátoru s hysterezí (viz zapojení s kladnou zpětnou vazbou). Zpětná vazba Zpětná vazba se v obvodech používá, chceme-li ovlivnit upním signálem upní signál, resp. podmínky na upu. Rozlišujeme dva typy zpětných vazeb - zápornou a kladnou. Záporná zpětná vazba upní signál zmenšuje (potlačuje), kladná naopak posiluje. Důsledkem je, že záporná zpětná vazba u zesilovačů zmenšuje zesílení, ale stabilizuje vlastnosti zesilovače. Dále zlepšuje (vyrovnává) jeho frekvenční charakteristiku a zvětšuje upní odpor. Kladná zpětná vazba působí opačně. aplikací s operačním zesilovačem rozeznáme typ vazby snadno - je-li upní signál přiveden na invertující up, jde o zápornou zpětnou vazbu. Protože samotný OZ má velké zesílení (v otevřené smyčce), v lineárních aplikacích (zesilovače) je právě potřebné zápornou zpětnou vazbu zavést. Při výpočtech budeme používat ideální operační zesilovač. Dá se dokázat, že v lineárních aplikacích se zápornou zpětnou vazbou nastaví ideální zesilovač svůj up tak, že napětí mezi upními svorkami je nulové a přenos obvodu závisí jen na parametrech zpětné vazby (díky jeho nekonečnému zesílení). Tato úvaha zjednodušuje výpočty. Vzhledem k vysokému zesílení reálných OZ je toto zjednodušení zanedbatelné. Zapojení se zápornou zpětnou vazbou Nejjednodušší aplikace se zápornou vazbou je invertující zesilovač napětí. Na obr..5 je jeho zapojení. Ideální operačního zesilovače má nekonečný upní odpor upních svorek vůči zemi, tudíž do invertujícího upu neteče žádný proud (i- = 0). Proto můžeme psát, že i = i. Pro proudy i a i platí podle Ohmova zákona: i =, i =. Protože pro ideální OZ R R platí + = 0V a zde je + = 0V, je také - = 0V (tzv. virtuální zem, virtuální nula). Po dosazení za - dostaneme pro proudy i =, i =. S přihlédnutím k i = i dostáváme R R R =. Odtud pro upní napětí =. Vidíme, že zapojení může fungovat R R R i jako zeslabovač upního signálu. Ze vztahu je ještě patrné, proč je zapojení nazýváno invertující - obrací polaritu upního napětí. Nevýhodou zapojení je malý upní odpor, který je díky virtuální nule na - roven Rup = = = R. Příliš velká hodnota rezistoru R a R i i up není u reálných zapojení vhodná, protože pak jsou proudy i, i malé a srovnatelné se upním proudem reálných zesilovačů. Pak již předpoklad i = i není správný. 3

i i - - A Obr..5: Invertující zesilovač Činnost zapojení je možné vysvětlit také následovně: pro kladné upní napětí je invertující up na vyšším potenciálu než neinvertující, tudíž upní napětí je záporné. Bez záporné zpětné vazby, kterou zde představuje rezistor R, by upní napětí bylo v saturaci pro velmi malá upní napětí (viz převodní charakteristika v otevřené smyčce). Právě přes zpětnovazební rezistor působí up zesilovače na uzel A tak, že snižuje napětí - v tomto uzlu - u ideálního zesilovače tak, aby byl rozdíl = + = 0, u reálného zesilovače je rozdíl v řádu µv ( =, což při zesílení A = 0 6 a = 0V je 0 µv). A i i 3 i Obr.6 Součtový zesilovač Jednoduchou úpravou zapojení získáme součtový zesilovač (obr..6). Díky virtuální nule platí pro proudy i, i, i3 vztahy i =, i =, i3 =. Protože upní proud do R R R3 neinvertujícího upu je nulový, můžeme psát i3 = i + i. Dosazením dostaneme pro upní R3 R3 napětí = +. Obvod realizuje váhový součet upních napětí, pro poměr R R R3 R3 hodnot rezistorů = = odpovídá upní napětí průměrné hodnotě z obou upních. R R Pro stejné hodnoty rezistorů jde o prostý součet. Přidáním dalších větví se zvětší počet sčítaných napětí. Zapojení se využívá v D/A převodnících. 4

Podobně jako invertující zesilovač vypadá integrátor, kde zpětnovazební rezistor je nahrazen kondenzátorem (obr..7). Zapojení se nazývá Millerův integrátor. Obvod realizuje matematickou operaci integrace upního napětí podle vztahu: = RC t 0 dτ Např., integrací konstantního napětí vznikne lineárně klesající napětí, tj. z obdélníkového průběhu vznikne pilovitý průběh. Rychlost klesání závisí na časové konstantě RC. Průběh je klesající z důvodu, že jde o invertující zapojení. Integrací lineárně rostoucího napětí vznikne parabolický průběh, integrace sinusového signálu je cosinus tj. signál se posune o 90. Na obrázku spolu se zapojením jsou i typické odezvy integrátoru na některé průběhy. Obr.7 Integrační zesilovač Prohozením kondenzátoru a rezistoru získáme derivační zesilovač, realizující derivaci d upního signálu: = RC. Derivační zesilovač např. z pilovitého průběhu vyrobí dt obdélníkový průběh (derivace lineárního průběhu napájení je konstanta), z obdélníkového průběhu sled impulsů. Schéma a odezvy jsou na obr..8. platí Obr.8 Derivační zesilovač Zapojení na obr..9 se nazývá neinvertující zesilovač. Pro napětí na invertujícím upu R =. Protože v lineárních aplikacích OZ platí + = - a + =, R + R dostáváme R +. Výhodou zapojení je jednak, že neinvertuje upní signál, R = 5

jednak velký upní odpor (je roven odporu neinvertujícího upu OZ vůči zemi, což jsou řádově MΩ). Obr.9 Neinvertující zesilovač Vypustíme-li odpor R (nahradíme jej vodičem, tj. nulovým odporem), je odpor R zbytečný, pouze zatěžuje up zesilovače. Dostáváme se tak k zapojení zvané sledovač (obr..0). Dosadíme-li R = 0 do vztahu pro zesílení, vychází =. Tzn., že sledovač na upu přesně kopíruje (sleduje) upní napětí. Zapojení má malý upní odpor a velký upní odpor. Používá se jako oddělovač tam, kde se nesmí zatížit up jiného obvodu, např. ve vzorkovacím obvodu. Obr.0 Sledovač V měřicí technice se často používá také převodník proud napětí (v přesnějších ampérmetrech); využívá invertující zapojení (obr..). Výstupní napětí je úměrné upnímu proudu I: = R i. Vzhledem k virtuální nule je upní odpor převodníku nulový. i Obr. Převodník proud - napětí Pro měření rozdílu dvou napětí se využívá zapojení na obr... Pro upní napětí platí 6

= (všimněte si, že všechny rezistory v zapojení mají stejnou hodnotu). Vstupní odpor tohoto zapojení je R. Pokud požadujeme upní odpor velký (v případě ideálního OZ nekonečný, prakticky jednotky až desítky MΩ), používá se přístrojový zesilovač. Jeho zesílení je R = ( )( + ) R Obr. Diferenční zesilovač Obr.3 Přístrojový zesilovač Zapojení s kladnou zpětnou vazbou Zapojením kladné zpětné vazby podle obr..4 získáme komparátor s hysterezí (okénkový komparátor). Je-li OZ v kladné saturaci 0, je na neinvertujícím upu napětí R =. Pro upní napětí menší než toto +, zůstává up OZ v kladné saturaci. + 0 R + R Stoupne-li upní napětí nad hodnotu +, OZ překlopí svůj up do záporné saturace 0. Tím pádem napětí na neinvertujícím upu změní polaritu a komparátor porovnává upní napětí R již s hodnotou =. Zpět do kladné saturace překlopí zesilovač tehdy, až když + 0 R + R upní napětí klesne pod tuto (zápornou) hodnotu napětí. Zapojení má výhodu, že pro pomalu se měnící signály a zašuměné signály zesilovač nekmitá, pohybuje-li se upní napětí okolo rozhodovací úrovně, tj. 0V. Chceme-li posunout rozhodovací úroveň na hodnotu roz, vložíme 7

mezi zem a rezistor R zdroj napětí o této hodnotě. Převodní charakteristika s okénkem je také připojeno na obrázku ke schématu. Obr.4 Komparátor s hysterezí Kombinací kladné a záporné zpětné vazby dostaneme generátor obdélníkového průběhu astabilní klopný obvod (obr..5). Je-li OZ v kladné saturaci 0, komparační napětí na R neinvertujícím upu je rovno =. Napětí na upu zesilovače zároveň nabíjí + 0 R + R kondenzátor C. Jakmile napětí na kondenzátoru dosáhne úrovně +, OZ překlopí do záporné saturace. Tím se změní komparační napětí na zápornou hodnotu. Zároveň se vybíjí kondenzátor, snižuje se na něm napětí, až dosáhne záporné rozhodovací úrovně. Pak opět OZ překlopí do kladné saturace, kondenzátor se nabíjí zase na kladné napětí. Celý děj se periodicky opakuje. Pro frekvenci upního napětí platí: f = R + 3 C ln {( R R ) R } Obr.5 Astabilní klopný obvod s OZ Srovnejte princip činnosti s oscilátorem s obvodem 744. 8

Literatura [] Kodeš J., Krejčiřík A., Vobecký J.: Elektronika - přednášky, skripta FEL ČVT, 994 [] Kodeš J., Krejčiřík A., Vobecký J., Záhlava V.: Elektronika - příklady, skripta FEL ČVT, 993 [3] Dvořáček J. a kol.: Kurs radiotechniky, SNTL 975 [4] Šimek T., Vysoký O.: Elektronické systémy, skripta FEL ČVT, 99 9