Elektronika

Maturitní otázky

OPERAČNÍ ZESILOVAČE

29.Operační zesilovače

Za operační zesilovače považujeme zesilovače, které mají následující vlastnosti:

-          velmi velké napěťové zesílení

-          velký vstupní odpor

-          malý výstupní odpor

-          frekvenční pásmo od nuly

V současné době vyrábí elektrotechnický průmysl celou řadu operačních zesilovačů v integrovaném provedení, takže jejich použití se dostalo na úroveň použití běžných součástek. Většina těchto operačních zesilovačů má dva vstupy:

-          invertující vstup - signál přivedený na tento vstup se objeví na výstupu fázově otočen o 180°

-          neinvertující vstup - signál z tohoto vstupu se přenese na výstup ve stejné fázi.

 U operačních zesilovačů používáme tyto základní obvody:

-          obvody pro nastavení klidového pracovního bodu - buď se používají odporové děliče, nebo se využívají kompenzační zapojení tranzistorů.

-          obvody pro potlačení driftů a soufázových složek diferenciálních vstupů.

Na vstupech operačních zesilovačů se používají diferenciální zesilovače. To je takové zapojení tranzistorů, které umožní získat na výstupu signál úměrný rozdílu dvou vstupních signálů. Základní uspořádání symetrického diferenciálního zesilovače:

Základní uspořádání                                          náhradní obvod difer. zesil.

Zapojení se skládá ze dvou tranzistorů (předpokládáme se stejnými charakteristikami), vázanými společným emitorovým obvodem R_g. Pracovní body tranzistorů jsou nastaveny tak, aby oba tranzistory byly ve vodivém stavu. Bez vstupních napětí jsou klidové proudy obou tranzistorů stejné, na kolektorových odporech jsou stejná napětí a výstupní napětí U_a = 0.

 U zapojení rozlišujeme dva případy:

1) zesílení rozdílového signálu

2) zesílení součtového signálu   

Součtové vstupní napětí vzniká v důsledku nesymetrie na společném emitorovém obvodu R_g. Indexy u zesílení jsou odvozeny z anglického názvosloví (d = differential mode, c = common mode).

Měřítkem jakosti rozdílového zesilovače je tzv. činitel potlačení součtového signálu, který je dán vztahem , udává se v dB a čím je hodnota H větší, tím je zesilovač kvalitnější.

Výsledné napětí diferenciálního zesilovače je dáno vztahem

 Druhý člen v rovnici je nežádoucí a lze odvodit, že je nepřímo úměrný společnému odporu R_g. Proto se nahrazuje tento odpor zdrojem proudu, vytvářeným tranzistorem s konstantním proudem v bázi, který se chová jako dynamický odpor 1/h_22e. Příklad zapojení takového rozdílového zesilovače je uveden na obr., kde diody D₁, D₂ slouží k tepelné kompenzaci napětí U_BE, které je teplotně závislé.

Základní zapojení operačních zesilovačů

Základní zapojení operačních zesilovačů se dělí na invertující zapojení a neinvertující zapojení.

 Invertující zapojení :

 Předpokládejme ideální operační zesilovač, tj. zesilovač s A_u ® ¥,

 R_vst ® ¥, R_výst ® 0.

 Ze zdroje U₁ protéká přes impedanci Z₁ proud i₁ do uzlu A a protože do zesilovače nic neteče, teče celý proud přes zpětnovazební impedanci na výstup. Na zpětnovazební impedanci se tedy vytvoří napětí U₂ = -i₁Z₀.

 Můžeme psát pro bod A:    , kde U_g je napětí v bodě A.

 Protože  je     pro A_u ® ¥.

Je vidět, že při dostatečně velkém zesílení je přenos invertujícího zapojení dán pouze zpětnovazební a vstupní impedancí a nezávisí na nestabilitách zesilovače. Zpětná vazba musí být vždy vedena na invertující vstup (označovaný „-“), aby byla záporná. Impedance Z mohou být obecné impedance. Má-li pracovat zapojení jako invertor, zvolíme Z₁=R₁ a Z₀=R₀. Potom pro R₁=R₀ je přenos roven -1, pro R₀ < R₁ je přenos <1 a pro R₀ > R₁ je přenos > 1 a zapojení pracuje jako zesilovač vstupního signálu. Zesílení zapojení je omezeno pouze vstupním odporem zesilovače, který v praxi není nekonečný a protože R₀ musí být < R_vst;; prakticky je zesílení omezeno hodnotou R₀ = 100kW.

Neinvertující zapojení -principielní zapojení:      

Zpětná vazba přes odpor R₀ je opět vedena na invertující vstup a vstupní odpor R₁ je připojen na zem. Vstupní signál přivádíme na neinvertující vstup. Odpor R₂ se přidává pouze z důvodů, aby vstupní odpor zapojení byl definovaný.

 Opět vycházíme z rovnosti napětí na obou vstupech. Protože proud tekoucí do operačního zesilovače je nulový, tvoří rezistory R₀ a R₁ nezatížený dělič napětí a platí

  . Odtud napěťové zesílení .

 U neinvertujícího zapojení nedochází k otočení fáze vstupního napětí a zesílení je vždy větší nebo rovno 1.