Operačné zosilňovače

Parametre ideálneho zosilňovača

•Zosilnenie Au=∞.

•Zosilnenie musí byť nezávislé na velkosti výstupného prúdu.

•Vstupné prúdy kladného a záporného vstupu sú nulové.

•Nekonečne veľká vstupná impedancia.

•Nulová výstupná impedancia.

•Zosilňuje sa celé frekvenčné pásmo signálov.

Skutočný operačný zosilňovač

•Skutočný zosilňovač je nelineárny prvok. Zosilnenie má 20 000 až 2 000 000.

•Vstupný odpor – od MΩ do TΩ.

 

Kompenzácia napäťovej nesymetrie

Riešením napäťovej nesymetrie vstupov je posunúť pracovné body tranzistorov pomocou potenciometra a tým nastaviť napäťovú nesymetriu

na 0 mV. 

OZ pre bežné použitie

výstupné napätie : ± (10 až 12) V

výstupné prúdy : ± (5 až 20) mA

zosilnenie A0 : 80 až 110 dB

medzná prevádzková frekvencia fT : 1 až 2 MHz                

rýchlosť priebehu S : 0,3 až 10 V / μs

napäťová nesymetria vstupov UI0 : 5 mV pre bipolárne OZ

                                               50 mV pre OZ s JFET

Napr.: MAA501, MAA741, MAC 156, μA741, TL071

 

 

OZ prístrojové - precízne

zosilnenie Au : >100dB

napäťová nesymetria vstupov UI0 : pod 3 mV pre bežnejšie          

                                                        pod 50 μV pre špeciálne

vstupný prúd IIB : pod 100 nA pre bipolárne OZ

                   pod 25 pA pre OZ s JFET

ostatné vlastnosti sú zrovnateľné s prvou skupinou 

používajú sa v meracích prístrojoch

 

Napr.: MAA725, LM308, μA720

 

 

OZ rýchle

medzná prevádzková frekvencia fT : 20 až 700 MHz

rýchlosť priebehu S : 20 až 1000 V / μs

ostatné vlastnosti môžu byť zrovnateľné s prvou skupinou

 

Napr.: MAC157, OPA654, CA3100 

OZ pre veľké napätia Uo

výstupné napätie : ± (30 až 150) V

ostatné vlastnosti sú zrovnateľné s prvou skupinou 

 

Napr.: LM344, OPA445

OZ pre veľké výkony

výstupný výkon väčší ako 1 W

výstupný prúd väčší ako 100 mA

 

Napr.: MDA2020, TDA2020, LM380, OPA301

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Použitie

Pri nekonečnom zosilnení je možné pri použití zápornej spätnej väzby prakticky eliminovať nelinearitu každého zosilňovača.

Prvky s operačným zosilňovačom sú také presné, že je s nimi možné vykonávať matematické operácie, preto sa aj tak volajú.

Matematické operácie:

  • Násobenie konštantou (jednoduchý zosilovač)
  • Násobenie číslom
  • Sčítanie/odčítanie dvoch čísel
  • Delenie
  • Integrál (podľa času)
  • Derivácia (podľa času)
  • Exponenciálna funkcia
  • Logaritmus

S operačným zosilňovačom sa dajú robiť aj iné obvody, na ktoré nikdy nebol plánovaný, napr.:

  • Schmittov klopný obvod
  • Multivibrátor (astabilný aj monostabilný)
  • Oscilátor
  • ...

Dá sa s ním aj porovnávať napätie, či je rovnaké, ale na ten účel bol vyvinutý jednoduchší variant operačného zosilňovača, ktorá sa nazýva komparátor.

Konštrukcia

Klasický operačný zosilňovač má dva vstupy, + a -. To sú vlastne vstupy do diferenčného zosilňovača. Po ňom nasleduje dvojitý (alebo aj trojitý) kaskádový zosilňovač a prúd zo vstupu býva ešte zosilnený zosilňovačom v Darlingtonovom zapojení. Vznikne tak obrovské prúdové zosilnenie.

Problém je, že sa zosilňuje aj chyba, preto prvý stupeň býva čo najpresnejší a najprecíznejší.

V modernejších typoch sa už namiesto bipolárnych tranzistorov používajú JFET alebo MOSFET. Tieto tranzistory už eliminovali skoro všetky problémy klasických bipolárnych operačných zosilňovačov.

Obmedzenia

Saturácia

Nekonečné zosilnenie neznamená, že je na výstupe nekonečno, ale to, že reaguje na (skoro) nekonečne malý vstup a výstup prejde do maximálnej alebo minimálnej hodnoty podľa polarity rozdielového napätia na vstupe.

Viac ako pod minimum alebo nad maximum výstup ísť nemôže. Keď sa dosiahne minimum alebo maximum, hovoríme, že zosilňovač je saturovaný.

 

Mŕtve pásmo

Toto maximum/minimum je o niečo menšie/väčšie ako napájanie. Vznikne tak mŕtve pásmo (mŕtvola), ktoré robí problémy hlavne v kombinácii s TTL obvodmi. Dnes však už existujúrail-to-rail operačné zosilňovače, ktoré mŕtvolu nemajú.

 

Rýchlosť

Klasické operačné zosilňovače boli pomalé. Obyčajne fT ležala pri 100 kHz, to znamená, že pri 100 kHz mali zosilnenie namiesto maxima len 1. Zosilnenie klesa so stupajucou frekvenciou signalu.

Moderné operačné zosilňovače sú rýchlejšie, ale plné zosilnenie majú tiež len pri ~10 MHz.

 

Malý prúdový výstup

Väčšinou cca. 10 mA, dá sa ale zvýšiť emitorovým sledovačom.