Operační zesilovač

Z PanWiki

Operační zesilovač (zkratka OZ) je elektronický obvod fungující jako diferenciální napěťový zesilovač s vysokým ziskem a stejnosměrnou vnitřní vazbou. Má invertující (označovaný -) a neinvertující (označovaný +) vstup a obvykle jednoduchý výstup. Některé speciální operační zesilovače ale bývají vybaveny diferenciálním výstupem.

Vzhledem k vysokému zisku jsou obvody konstruované s operačními zesilovači většinou vybavené zápornou zpětnou vazbou, která téměř výhradně určuje jejich chování. S operačním zesilovačem pak pro zjednodušení výpočtů pracujeme jako s ideálním operačním zesilovačem.

Obsah 1 Historie 2 Ideální operační zesilovač 3 Reálný operační zesilovač 4 Vnitřní zapojení 5 Příklad zapojení OZ se vstupními tranzistory JFET 6 Podívejte se také na

Historie

Operační zesilovače byly původně vyvinuty pro realizaci matematických operací (odtud jejich název) v éře analogových počítačů. Nicméně ukázalo se, že tyto obvody mají daleko širší uplatnění. První operační zesilovače byly konstruované z elektronek a později se přešlo na diskrétní polovodičové součástky. Dnešní operační zesilovače jsou téměř výhradně konstruované jako integrované obvody, přičemž často jeden takový obvod sdružuje několik OZ.

První integrované operační zesilovače pocházejí z konce 60. let. Vůbec první byl obvod Fairchild μA709, ale ten byl brzy vytlačen obvodem μA741, který je naprostou klasikou ve světě operačních zesilovačů a vyrábí ho mnoho firem v mnoha provedeních dodnes. Oba dva uvedené a řada dalších OZ jsou konstruovány pouze z bipolárních tranzistorů.

Teprve v 70. letech se začaly v OZ používat unipolární tranzistory FET a v 80. letech tranzistory MOSFET. Tyto součástky výrazně zlepšují parametry OZ, takže se téměř blíží ideálnímu OZ. Konstrukce mnohých OZ vybavených unipolárními tranzistory ovšem stále vychází z klasického obvodu 741, u něhož je pouze několik bipolárních tranzistorů zaměněno za unipolární.

Ideální operační zesilovač

Výstupní napětí operačního zesilovače se vypočítá jako:

U_out = (U₊ - U_-) . G

kde

• U_out je výstupní napětí
• U₊ je napětí na neinvertujícím vstupu
• U_- je napětí na invertujícím vstupu
• G je zisk operačního zesilovače

Ideální operační zesilovač má následující vlastnosti:

• nekonečný zisk G
• nekonečnou šířku pásma (zesiluje od nulové do nekonečné frekvence)
• nekonečný vstupní odpor obou vstupů
• nulový výstupní odpor
• nulový šum
• nulové offsetové napětí (jsou-li napětí na vstupech shodná, je na výstupu skutečně přesně nulové napětí)

Reálný operační zesilovač

Parametry reálných operačních zesilovačů se od ideálních rozcházejí v několika oblastech.

Stejnosměrné parametry

• Zisk není nekonečný - projevuje se to zejména v obvodech, které mají mít zisk blížící se vnitřnímu zisku OZ.
• Vstupní odpor není nekonečný - to omezuje maximální použitelné odpory zpětnovazebních obvodů.
• Nenulový výstupní odpor - zpravidla nehraje roli protože dříve se projeví výkonové limity součástky
• Nenulový vstupní proud - do vstupů teče řádově desítka nA u bipolárních a jednotky pikoampér u unipolárních OZ.
• Nenulové offsetové napětí - při shodě napětí na vstupu není nulové napětí na výstupu. U přesných obvodů se musí offset kompenzovat vnějšími součástkami nebo má OZ speciální kompenzační vstupy.

Střídavé parametry

• Konečná šířka pásma - vnitřní zisk OZ se snižuje se zvyšující se frekvencí, takže OZ dokáže zesilovat pouze do určité frekvence.
• Vstupní kapacita - hraje vliv zejména u vysokofrekvenčních obvodů postavených z OZ.

Nelinearity

• Saturace - výstupní napětí je omezené (zpravidla dosahuje hodnot blížících se napájecímu napětí)
• Rychlost přeběhu - rychlost změny výstupního napětí není nekonečná. Zpravidla je omezena vnitřními kapacitami obvodu.
• Nelineární přenosová funkce - výstupní napětí není přesně lineárně závislé na vstupním.

Výkonové parametry

• Omezený výstupní výkon - běžné operační zesilovače dávají pouze velmi malý výstupní výkon. Konstruují se ovšem i speciální OZ s vyššm výkonem použitelné například jako koncové stupně menších audiozesilovačů.
• Omezený výstupní proud - maximální výstupní proud běžných OZ dosahuje obvykle řádově hodnot kolem 20 mA.

Vnitřní zapojení

Operační zesilovač se zpravidla skládá z následujících bloků:

• Vstupní diferenciální zesilovač (modře orámovaná část) - zajišťuje nízkošumové předzesílení rozdílového signálu a vysoký vstupní odpor
• Napěťový zesilovač (purpurově orámovaná část) - zajišťuje vysoký zisk OZ
• Výstupní zesilovač (azurově orámovaná část) - zajišťuje nizký výstupní odpor a dostatečný výstupní proud

Červeně orámované části tvoří tzv. proudová zrcadla, která zlepšují parametry OZ.

Příklad zapojení OZ se vstupními tranzistory JFET

• Červená oblast – vstupní rozdílový zesilovač
• Oranžová oblast – střední stupeň s velkým napěťovým zesílením
• Zelená oblast – koncový stupeň
• Fialová část – zdroj referenčního napětí

Tranzistor T16 je zdrojem proudu IDSS, kterým je napájen parametrický stabilizátor napětí tvořený Zenerovou diodou.
Tranzistor T15 tvoří zdroj proudu odvozený od napětí na Zenerově diodě, který protéká aktivní diodou T14.
Aktivní dioda T14 je zdrojem reference pro proudová zrcadla a T1 a T9.
Tranzistor T1 je zdrojem proudu nahrazujícím společný odpor rozdílového zesilovače tvořeného tranzistory T2 a T3 s aktivními kolektorovými odpory T4 a T5.
Tranzistor T6 reguluje napětí v bázích tarnzistorů T4 a T5 tak, aby zůstávaly v aktivním režimu pro velký rozsah vstupních napětí.
Tranzistor T7 je emitorový sledovač, který navazuje další stupně velkou vstupní impedancí na vstupní rozdílový zesilovač.
Tranzistor T8 tvoří stupeň s velkým napěťovým zesílením. Kolektorový odpor tohoto tranzistoru je tvořen obvody posunu potenciálu s malým dynamickým odporem a zdrojem proudu T9 s velkým dydnamickým odporem.
Tranzistory T12 a T13 tvoří komplementární výstupní obvod s posunem potenciálu posouvačem tvořeným T10 a T11.

Podívejte se také na

Zapojení s operačním zesilovačemcz:Operační zesilovač