Elektronika

Maturitní otázky

APLIKACE OPERAČNÍCH ZESILOVAČŮ

30.Aplikace operačních zesilovačů

Aplikace jako invertující a neinvertující zesilovač je vypracována v otázce číslo 29. Další možnosti jsou následující:

1) Zdroje konstantního napětí

Výhodou zapojení, která používají jak invertující tak i neinvertující zapojení je, že referenční zdroj je zatěžován konstantním proudem a zpětnovazebním odporem  R_N lze nastavit žádanou úroveň výstupního napětí

2) Zdroje konstantního proudu

Zesilovač reguluje výstupní napětí tak, aby přes zátěž protékal vždy proud rovný vstupnímu proudu.  V prvních dvou zapojeních je zátěž zapojena v obvodu zpětné vazby. Nevýhodou je, že ani jeden konec zátěže nesmí být uzemněn. Tuto nevýhodu odstraňuje zapojení třetí.

3) Rozdílový zesilovač

 Na vstupy přivádíme napětí U₁ a U₂. Pro výstupní napětí lze psát:

zvolíme-li R₃ = R₁, a R₄ = R₂, dostaneme

4) Sumační zesilovač

Sumaci provádíme na jednom vstupu. Pro výstupní napětí platí vztah

, a pro R₁ = R₂ = ... = R_N = R platí

5) Integrační zesilovač

Pro přenos platí ,      kde w₀=1/CR

Přenos v dB je .

6) Derivační zesilovač

 Přenos je opět určen výrazem ,

kde w₀ = 1/CR_N.

Přenos v dB je A_u = 20log w/w₀

7) PI regulátor

Zapojení, které je v nazýváno PI (proporcionálně-integračním) regulátorem

Pro přenos platí

    pro

V decibelech

Průběh přenosu v závislosti na frekvenci :

Až do frekvence w = w₀ má závislost integrační charakter a klesá se směrnicí 6dB/okt. Při vyšších frekvencích se přestane druhý člen uplatňovat a přenos má konstantní hodnotu 20log(R_N/R₁). Uvedené hodnoty platí pro asymptotickou aproximaci závislosti.

8) Proporcionálně integračně derivační (PID) regulátor

Zatím neuvažujme odpory R₂ a R₃. Přenos je potom dán vztahem

Přenos má 3 členy: první má integrační charakter, druhý proporcionální (nezávislý na frekvenci) a třetí derivační. Průběh přenosu v závislosti na frekvenci je uveden na obr. Lomové frekvence jsou w₁ = 1/R₁C_N a w₂ = 1/R_NC₁.

Takto použité zapojení má dvě nevýhody:

-          velké zesílení integračního členu při malých frekvencích způsobuje nízkofrekvenční nestability zapojení

-          velké zesílení derivačního členu s rostoucí frekvencí vede k nežádoucímu zesilování šumů.

Proto se používá omezování zesílení jak v oblasti nízkých tak i vysokých frekvencí, což se provádí rezistory R₃ (při nízkých) a R₄ (při vysokých frekvencích). Volíme-li R₃ » R_N a R₂ « R₁ dostaneme omezení střídavých signálů při frekvencích f₀ = 1/2pR₃C_N  a f₃ = 1/2pR₂C₁.

9) Logaritmický zesilovač

Logaritmický zesilovač dává výstupní napětí úměrné logaritmu vstupního napětí. Logaritmickou charakteristiku získáme pomocí polovodičových diod nebo tranzistorů.

Rezistorem protéká proud i = U_vst/R₁. Tento proud protéká rovněž diodou D. Mezi napětím na diodě (které je současně výstupním napětím zesilovače) a proudem platí Shockleyho  vztah  , kde U_T = kT/q je t.zv. teplotní napětí, které se rovná 26mV při 20°C,

 přičemž k = 1,38.10^-23 J/K  ... Bolzmanova konstanta

         T = absolutní teplota v Kelvinech

         q = 1,6.10^-19 C ... elementární náboj

Pro výstupní signál dostaneme vztah

Zapojení se používá v případech, že vstupní signál se mění v rozmezí více dekadických řádů a požadujeme výstupní signál v rozmezí jednoho řádu. Zapojení s diodou pracuje v rozsahu cca 3 řádů na vstupu. Mění-li se vstupní signál přesně logaritmicky, mění se výstupní signál lineárně.

Požadujeme-li činnost přes více dekadických řádů, používá se jako exponenciální prvek tranzistor. Principielní zapojení je na obr. Zde pro proud tranzistoru lze napsat vztah   a pro výstupní napětí

.

Při použití tranzistorů lze dosáhnout dynamický rozsah až 9 dekád vstupního napětí. Operační zesilovač ale musí mít malý drift a malé vstupní proudy pro plné využití rozsahu. Tyto zesilovače se v praxi ještě doplňují o obvody, potlačující sklon obvodu ke kmitání a o obvody pro kompenzaci teplotních závislostí.

10) Exponenciální zesilovač

Pracuje na stejném principu jako zesilovač logaritmický s tím rozdílem, že exponenciální prvek je zde zapojen na místě impedance Z₁ a ve zpětné vazbě je ohmický rezistor R₂. Tím přes zpětnovazební rezistor teče exponenciálně se měnící vstupní proud, který na něm vytváří exponenciálně proměnné výstupní napětí.  Tudíž

  . Exponenciální zesilovače se používají k odlogaritmování zlogaritmovaného signálu, nebo pro realizaci exponenciálních funkcí typu .