Josef Punèocháø OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE V ELEKTRONICE 5 vydání
Kniha je úvodem do problematiky a není rozhodnì vyèerpávající To ani není možné Vždy pøi aplikacích operaèních zesilovaèù lze projít celou elektronikou Spolu s citovanou literaturou však dává dostateènou pøedstavu o tom, jak je tøeba (a možné) s nimi pracovat Vlastní teorie operaèních zesilovaèù napì ových bude uvádìna pouze v nezbytnì nutné míøe Hlavní pozornost je vìnována aplikacím Ètenáø s hlubším zájmem však nalezne potøebnou teorii ve svìtovì uznávané knize Ing Jiøího Dostála, CSc : Operaèní zesilovaèe [4] Znaèná pozornost je však vìnována principùm moderních zesilovacích struktur Matematický aparát je používán v míøe nutné pro pochopení základních aplikací operaèních zesilovaèù a èetné pøíklady a úkoly ozøejmí jeho použití Doufám, že kniha poslouží konstruktérùm elektronických obvodù, studentùm elektronických oborù i vyspìlým zájemcùm z øad amatérských elektronikù V Rožnovì pod Radhoštìm 28 11 2001 autor Josef Punèocháø OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE V ELEKTRONICE 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 jsou zveøejnìna 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 Josef Punèocháø, Praha 1996 2002 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe v elektronice BEN - technická literatura, Praha 2002 5 vydání ISBN 80-7300-058-X
OBSAH PØEDMLUVA... 11 I. ÚVOD DO PROBLEMATIKY... 13 1. Proè operaèní zesilovaè... 13 2. Rozdílový operaèní zesilovaè napì ový... 14 3. Ideální operaèní zesilovaè... 14 4. Neinvertující zapojení s ideálním operaèním zesilovaèem... 17 5. Neinvertující zapojení s neideálním operaèním zesilovaèem... 20 6. Jak ovliòuje neinvertující zapojení operaèního zesilovaèe pøedcházející obvody?... 23 7. Invertující zapojení operaèního zesilovaèe... 24 8. Jak ovlivòuje invertující zapojení operaèního zesilovaèe pøedcházející obvody?... 28 9. Co se skrývá v symbolické znaèce?... 29 10. Jak skuteènì zesiluje?... 31 11. Když nejsou tranzistory stejné... 33 12. Za co mùže korekèní kapacita?... 35 13. Základní údaje v katalogu... 39 14. Závìreèná poznámka... 42 II. REÁLNÝ OPERAÈNÍ ZESILOVAÈ... 44 15. Lineární parametry a model OZ... 44 16. Nelineární a dynamické parametry, provozní vlastnosti... 49 17. Kmitoètové vlastnosti zesilovaèe... 52 18. Pøíklady konstrukce reálného operaèního zesilovaèe... 56 18.1. Bipolární operaèní zesilovaèe... 57 18.2. Operaèní zesilovaèe s tranzistory øízenými polem... 59 19. Rozdìlení operaèních zesilovaèù... 61 III. ZPÌTNÁ VAZBA, STABILITA A KOREKCE... 63 20. Zpìtná vazba a Nyquistovo kritérium stability... 63 20.1 Korekce operaèních zesilovaèù... 71 20.2. Korekce na vstupu OZ... 72 20.3 Korekce ve vnitøních bodech OZ... 73 20.4 Korekce kapacity zátìže... 74 20.5 Výbìr korekce... 76 21. Vliv záporné zpìtné vazby na vlastnosti zesilovaèe... 78 21.1 Zmìna zesílení A z se zmìnou A... 82 21.2 Potlaèení vlivu šumù a poruch... 83 Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe - BEN technická literatura 5
21.3 Vliv zpìtné vazby na zkreslení... 84 21.4 Vliv zpìtné vazby na vstupní impedanci... 84 21.5 Vliv zpìtné vazby na výstupní impedanci... 86 21.6 Aplikace na operaèní zesilovaèe... 88 IV. DYNAMICKÉ VLASTNOSTI OZ A JEJICH SOUVISLOST S ÈINITELEM NELINEÁRNÍHO ZKRESLENÍ... 97 22. Omezení proudu - pøíèina koneèné rychlosti pøebìhu i zkreslení... 98 23. Kritérium pro urèení rychlosti pøebìhu pro zesilovaèe N... 100 V. ŠUMY OPERAÈNÍCH ZESILOVAÈÙ... 103 24. Seèítání šumù... 103 25. Šumová šíøka pásma... 105 26. Druhy šumu... 106 27. Výpoèet výstupního šumového napìtí a reálné OZ... 108 28. Šumy poruch... 110 29. Princip konstrukce zesilovaèù s malými šumy... 113 VI. ZÁSADY PRO PRÁCI S OPERAÈNÍMI ZESILOVAÈI... 117 30. Statická elektøina... 117 31. Ochrana vstupù a výstupù... 118 32. Napájení OZ... 120 33. Ošetøení napájecích napìtí a zásady zemnìní... 121 34. Kompenzace parazitních kapacit spojù... 130 35. Kompenzace napì ové a proudové nesymetrie vstupù... 131 36. Zvìtšení proudového a napì ového rozsahu... 133 37. Rozšíøení pracovní oblasti pomocí stejného zesilovaèe... 136 37.1 Rozšíøení frekvenèního rozsahu... 137 37.2 Zvìtšení výstupního proudu... 139 38. Výbìr operaèního zesilovaèe... 141 39. Boucherotùv èlen... 141 39.1 Transport náboje pøes kapacitu... 142 39.2 Klidový proud I CCO, pøíèné pøepínací proudy... 145 39.3 Mìøení zesilovaèù bez zátìže... 146 39.4 Závìr... 148 VII. ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ S OPERAÈNÍMI ZESILOVAÈI... 152 40. Invertující a neinvertující zesilovaè... 152 Úkol 40.1 Stanovení pøenosu neinvertujícího zesilovaèe... 158 Úkol 40.2 Ztrátový výkon a oteplení pøechodu... 160 Úkol 40.3 rekvenèní závislost zesílení a doba nábìhu t n... 161 6 Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe - BEN technická literatura
Úkol 40.4 Urèení korekèní kapacity... 162 Úkol 40.5 Výpoèet korekèní kapacity... 166 Úkol 40.6 Úhel fázové rezervy... 167 41. Souètový invertující zesilovaè... 168 42. Rozdílový zesilovaè... 168 Úkol 42.1 Souèasná realizace souètu a rozdílu... 171 43. Rozdílový zesilovaè s velkým vstupním odporem (pøístrojový)... 173 44. Integraèní zesilovaè... 174 Úkol 44.1 Integraèní obvod s vybitím... 177 45. Derivaèní zesilovaè... 180 46. Logaritmický zesilovaè... 182 Úkol 46.1 Stabilita logaritmického zesilovaèe... 183 47. Exponenciální pøevodník zpìtnovazební... 187 Úkol 47.1 Realizace exponenciálního pøevodníku... 188 48. Obvod umocòování napìtí... 189 49. Zesilovaè s exponenciálním øízením zesílení... 190 50. unkèní generátor... 191 51. Analogová násobièka... 192 52. Jednocestný usmìròovaè... 195 53. Precizní dvoucestný usmìròovaè... 196 54. Rychlý jednocestný usmìròovaè... 198 55. Doba rozpojení diodového typu zpìtné vazby operaèního zesilovaèe... 199 56. Vrcholový detektor... 210 57. Precizní omezovaè... 211 Úkol 57.1 Oboustranný omezovaè... 213 Úkol 57.2 Symetrický omezovaè... 214 58. Obnovitel stejnosmìrné složky øízený napìtím... 215 59. Zdroje napìtí... 218 Úkol 59.1 Stabilizátor napìtí (zvìtšený výstupní proud, omezení proudu)... 221 Úkol 59.2 Stabilizátor napìtí... 223 Úkol 59.3 Èíslicovì øízený zdroj napìtí... 227 Úkol 59.4 Stabilizátor napìtí s omezením výkonové ztráty... 228 Úkol 59.5 Vleèný (sledovací) stabilizátor napìtí... 231 60. Zdroje proudu... 233 Úkol 60.1 Zdroj proudu s uzemnìnou zátìží... 236 Úkol 60.2 Zdroj proudu pro malé hodnoty výstupního proudu... 238 Úkol 60.3 Zdroj proudu s uzemnìnou zátìží (Howlandùv)... 240 61. Komparátory... 242 Úkol 61.1 Schmittùv klopný obvod... 248 62. Pøevodníky proud - napìtí... 250 63. Amplitudový selektor... 251 Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe - BEN technická literatura 7
64. Indikátor napìtí (okénkový diskriminátor)... 252 65. Zesilovaèe s nastavitelným zesílením... 253 66. Nastavení amplitudy a polarity signálu jediným potenciometrem... 256 Úkol 66.1 Pøepínaè polarity zesílení... 261 Úkol 66.2 Analogový spínaè s nulovým výstupním odporem... 262 67. Multiplexor (pøepínaè) analogových signálù... 263 68. Vzorkovací zesilovaè... 265 69. Mùstkový zesilovaè... 267 70. Kapacitní násobiè (øízený)... 269 71. Syntetická indukènost (gyrátor)... 270 72. Lineární pøevodník teploty na napìtí... 271 Úkol 72.1 Lineární pøevodník teploty na napìtí... 272 73. Dvouvodièový snímaè (èidlo)... 274 74. Optoelektronický pøevodník... 275 75. Monostabilní obvod... 276 76. Astabilní obvody... 277 Úkol 76.1 Generátor obdélníkového napìtí s nastavitelnou støídou... 288 Úkol 76.2 Èíslicovì (napì ovì) øízený generátor pilového napìtí... 289 77. Kompresní zesilovaèe... 292 78. Generátory harmonických signálù (oscilátory)... 293 78.1 Generátor s fázovým posuvem 180 ve zpìtnovazební smyèce... 304 79. Pøevodníky napìtí - frekvence... 307 80. Základní mìøicí zapojení operaèních zesilovaèù... 316 Úkol 80.1 Zapojení pro urèení U IO, I IB, I... IO 316 Úkol 80.2 Vliv omezení výstupního proudu (I omax ) na výstupní napìtí.. 318 Úkol 80.3 Zapojení pro urèení zesílení bez zpìtné vazby - A u... 318 Úkol 80.4 Zapojení pro urèení vlivu zmìn napájecího napìtí... 319 Úkol 80.5 Ekvivalentní napìtí vstupního šumu... 320 Úkol 80.6 Pøeslech mezi zesilovaèi... 321 81. Mìøení ss proudového zesílení tranzistorù... 322 VIII. OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE V TECHNICE N... 326 VIIIa. ILTRY S OZ (AKTIVNÍ ILTRY)... 326 82. Popis pøenosových charakteristik... 326 82.1 Dolní propusti (aproximace)... 329 Butterworthova aproximace (Butterworthovy filtry)... 329 Èebyševova aproximace (Èebyševovy filtry)... 332 Besselova aproximace (Besselovy filtry, Thomsonovy)... 335 82.2 Minimální øád dolní propusti... 337 82.3 Horní propusti (aproximace)... 338 83. Realizace pøenosových funkcí typu DP 1. a 2. øádu a øazení do kaskád... 340 Úkol 83.1 Aktivní dolní propust 1. øádu (integrátor)... 348 8 Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe - BEN technická literatura
Úkol 83.2 Dolní propust 2. øádu (zesilovaè invertující - - s koneèným zesílením K - filtr Sallen - Key)... 351 Úkol 83.3 Butterworthova dolní propust 2. øádu... 355 Úkol 83.4 Èíslicovì øízená dolní propust... 356 84. Realizace pøenosových funkcí typu HP 1. a 2. øádu a øazení do kaskád... 358 Úkol 84.1 Horní propust (derivátor)... 364 Úkol 84.2 Horní propust 2. øádu... 365 Úkol 84.3 Èíslicovì øízená horní propust... 367 85. Jiné typy filtrù... 368 86. Realizace PP 2. øádu... 372 87. Vliv prvního pólu operaèního zesilovaèe na vlastnosti pásmové propusti (s invertujícím zesilovaèem)... 373 87.1 Analýza zapojení... 374 87.2 Zatížení výstupu zesilovaèe, vstupní impedance... 376 87.3 Zapojení s reálnými operaèními zesilovaèi... 377 87.4 Postup návrhu pøi C3 = C4 = C... 380 87.5 Postup návrhu pøi C3 C4, R2 =... 382 87.6 Závìr... 382 Úkol 87.1 Èíslicovì øízená pásmová propust a dolní propust 2. øádu.. 385 Úkol 87.2 Napìtím øízená pásmová propust a dolní propust 2. øádu. 387 88. Pásmové zádrže... 388 89. Realizace filtrù 2. øádu se tøemi (ètyømi) OZ (state variable)... 391 90. ázovací èlánky... 398 91. Pásmová propust s vazbou typu bootstrap... 400 91.1 Princip èinnosti pásmové propusti... 400 91.2 Stabilita struktury... 403 91.3 Realizace pásmové propusti s operaèními zesilovaèi... 404 92. Korektory... 409 VIIIb. VÝKONOVÉ ZESILOVAÈE... 413 IX. ZÁKLADNÍ STRUKTURY ZESILOVAÈÙ... 416 93. Diferenèní napì ový operaèní zesilovaè - shrnutí... 416 94. Nortonùv zesilovaè... 419 95. Zesilovaèe s proudovou zpìtnou vazbou... 428 96. Srovnání struktur... 434 97. Transkonduktanèní zesilovaè - OTA... 435 97.1 Základní schéma... 435 97.2 Linearizaèní diody... 438 97.3 Oddìlovací zesilovaè... 439 97.4 Oblast použití OTA... 440 98. Current conveyor druhé generace CCII... 447 Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe - BEN technická literatura 9
X. PERSPEKTIVNÍ OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE... 452 99. Nìkteré moderní OZ... 452 100. Zesilovaèe RAIL-TO-RAIL... 457 100.1 Základní obvodové principy... 458 XI. ZÁVÌREÈNÉ POZNÁMKY... 462 Operaèní zesilovaèe jako podsystém, programovatelná analogová pole... 462 Operaèní zesilovaè v teorii obvodù... 463 Vztah mezi èíslicovou a analogovou technikou... 465 K literatuøe... 466 Úplnì na závìr... 467 XII. LITERATURA... 468 XIII. REJSTØÍK... 478 PØÍLOHA Program VISIO, kterým byly kresleny obrázky v této knize... 486 Knihy nakladatelství BEN - technická literatura... 490 Prodejní místa BEN - technická literatura... 495 Pár slov o nakladatelství BEN - technická literatura... 496 10 Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe - BEN technická literatura
PØEDMLUVA Operaèní zesilovaèe dnes patøí k nejpoužívanìjším elektronickým prvkùm, pøestože se dožívají v roce 2002 asi 60 let [174]. Jejich použití se rok od roku rozšiøuje, stále se zlepšují, objevují se nové zajímavé aplikaèní možnosti. Efektivní využití operaèních zesilovaèù vyžaduje, aby byl konstruktér podrobnì seznámen s jejich vlastnostmi a základními aplikaèními principy. K tomu by mìla pøispìt i tato kniha, zamìøená na použití operaèních zesilovaèù v základních obvodových situacích - na popis základních obvodových principù. Problematika je rozdìlena do deseti èástí. V úvodní èásti jsou co nejsrozumitelnìjší formou vysvìtleny základní pojmy týkající se diferenèního operaèního zesilovaèe. Ve druhé èásti se ètenáø seznámí se základními vlastnostmi diferenèních operaèních zesilovaèù podrobnìji. Tøetí èást je vìnována otázkám zpìtné vazby, stability a korekce. Ve ètvrté èásti je poukázáno na souvislost mezi èinitelem nelineárního zkreslení a dynamickými vlastnostmi zesilovaèe. V páté èásti se ètenáø seznámí s problematikou šumù a v šesté èásti se zásadami pro práci s operaèními zesilovaèi. Sedmá a osmá èást jsou vìnovány analýze základních zapojení s operaèními zesilovaèi. Teoretické úvahy jsou doloženy èetnými pøíklady a øešenými úkoly. Devátá èást obsahuje popis principiálnì rùzných typù operaèních zesilovaèù a pøíklady jejich aplikací. Desátá èást popisuje nìkteré nejmodernìjší operaèní zesilovaèe pøedních svìtových výrobcù. Poslední èást poukazuje na souvislosti, které se jinam nevešly, ale urèitì stojí za zamyšlení. Kniha je rozsáhlým vstupem do problematiky, ale není rozhodnì vyèerpávající. To ani není možné. Vždy pøi aplikacích operaèních zesilovaèù lze projít celou elektronikou. Doufám však, že spolu s citovanou literaturou dává dostateènou pøedstavu o tom, jak je tøeba (a možné) s nimi pracovat. Vlastní teorie operaèních zesilovaèù bude uvádìna pouze pro moderní struktury. Hlavní pozornost je vìnována aplikacím. Ètenáø s hlubším zájmem nalezne potøebnou teorii ve svìtovì uznávané knize Ing. Jiøího Dostála, CSc.: Operaèní zesilovaèe [4]. Chtìl bych podìkovat nakladatelství BEN - technická literatura, které uvedlo tuto knihu do svìta, vèetnì rychle následujících dalších vydání. Dík patøí i ètenáøùm, kteøí vykoupili pøedchozí ètyøi vydání, a také mé ženì za trpìlivost. V Ostravì autor 28. 11. 2001 (VŠB-TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA akulta elektrotechniky a informatiky) Josef Punèocháø: Operaèní zesilovaèe - BEN technická literatura 11