Operační zesilovače


Poznámka: Komentář a doplňující informace jsou umístěný {v složených závorkách vytištěny kurzívou a zmenšeným písmem}.



Úvod k operačním zesilovačům:

Operační zesilovač je relativně složitý lineární integrovaný obvod, který zastává funkci stejnosměrného zesilovače, jehož vlastnosti se do jisté míry blíží ideálnímu zesilovači.

Vlastnosti ideálního obecného zesilovače:

- nekonečný vstupní odpor, Rvst =

- nulový výstupní odpor, Rvýst = 0

- nekonečné napěťové a proudové zesílení, Au = , Ai =

- frekvenční a teplotní nezávislost

- nezávislost na napájení

- u OZ: nekonečně velké potlačení součtového signálu (signál společný oběma vstupům)


Reálný operační zesilovač těchto ideálních hodnot nemůže dosáhnout, ale pouze se jim přiblížit (při dnešní technologii výroby je toto přiblížení reálných a ideálních vlastností operačního zesilovače poměrně značné) (viz dále).

Vnějším připojením jedné nebo několika pasivních součástek a zejména zavedením silné záporné zpětné vazby, lze vhodně upravit vlastnosti operačního zesilovače a získat tak obvody rozmanitých vlastností, např. různé druhy zesilovačů, integrátor, derivační článek, generátor různých průběhů napětí, filtr, oscilátor, klopný obvod, apod.

Užití operačních zesilovačů: v nízkofrekvenčních i vysokofrekvenčních obvodech jako různé druhy zesilovačů, generátory, komparátory, demodulátory, násobičky, děličky, apod.



Základní údaje o operačních zesilovačích:

Běžný operační zesilovač pracuje jako rozdílový (diferenční) zesilovač, tj. má dva vstupy Uvst1 a Uvst2 a jeden výstup Uvýst. {Operační zesilovač může mít vstup i výstup bud symetrický, nebo nesymetrický. Nejčastěji se používá kombinace symetrický vstup a nesymetrický výstup.} Pro tento zesilovač je charakteristické, že zesiluje jen rozdíl potenciálů obou vstupů, tj. Uvst = Uvst1 - Uvst2 , přičemž potlačí každý signál, který je společný oběma vstupům. Vstup, který je ve fázi s výstupem se nazývá neinvertující (označený + ) a vstup, který je v protifází s výstupem se nazývá invertující (označený - ).



Operační zesilovače se zpravidla napájejí symetrickým zdrojem (dva zdroje o stejném napětí a opačné polaritě).

Další vývody operačního zesilovače slouží k připojení pomocných součástek (např. pro ovlivnění vlastností operačního zesilovače, pro kmitočtovou kompenzaci, atd.).


{Vnitřní strukturu operačního zesilovače obvykle tvoří 3 zesilovací stupně:

- vstupní obvod - obvykle tvořený rozdílovým zesilovačem se zdrojem konstantního proudu. Zesilovač je navržen tak, aby měl co největší potlačení součtových signálů, a aby jeho vstup byl chráněn před přepětím. Často se k zesilovači zapojuje člen RC pro fázovou kompenzaci zlepšující jeho stabilitu.

- zesilovací stupeň - jeden, nejvýše dva, zesilovací stupně s co největším zesílením napětí a potřebnými frekvenčními charakteristikami.

- koncový stupeň - tvoří ho většinou komplementární dvojice tranzistorů s malým výstupním odporem (většinou v zapojení SC).}











Vlastnosti operačních zesilovačů:

Reálný operační zesilovač nemůže dosáhnout ideálních hodnot, ale pouze se jim přiblížit (při dnešní technologii výroby je toto přiblížení reálných a ideálních vlastností operačního zesilovače poměrně značné).

Reálné vlastnosti operačního zesilovače:

- vstupní odpor Rvst = řádově 10 k až jednotky 10 M

- výstupní odpor Rvýst = řádově 10 až 100

- napěťové zesílení Au = řádově 104 až 106

- frekvenční a teplotní závislost

- závislost na napájecím napětí

- nedokonalé potlačení součtového signálu (signál společný oběma vstupům)

Operační zesilovače se sestavují ze stejnosměrně vázaných stupňů, a jsou proto schopny zesilovat i stejnosměrné napětí, tj. dolní kmitočet fd = 0; horní mezní kmitočet fh operačního zesilovače závisí na vnitřních parazitních kapacitách operačního zesilovače.

Operační zesilovače mají vlivem zpětné vazby, se kterou se většinou zapojují, sklon rozkmitat se (nebýt stabilní). Proto se provádí kmitočtová kompenzace přidáním vnějších kompenzačních obvodů (např. obvodů RC). {Podstata kompenzace spočívá v tom, že se zpětnovazební smyčka upraví tak, aby nebyla splněna podmínka vzniku vlastních kmitů.}

{U operačních zesilovačů je třeba ještě např. eliminovat napěťovou a proudovou nesymetrii, což se zpravidla provádí přidáním příslušných vnějších kompenzačních obvodů.}

Základní zapojení s operačními zesilovači:

I když nelze dosáhnout ideálních vlastností operačního zesilovače, tak se při analýze zapojení s operačními zesilovači pro zjednodušení vychází právě z ideálního operačního zesilovače. (Poznámka: V následujících schématech není zakresleno napájení, kmitočtová kompenzace a případné další pomocné obvody.)


Invertující zesilovač:

Vstupní signál přes rezistor R1 a zpětnovazební signál přes rezistor R2 (záporná zpětná vazba) se oba zavádí do invertujícího (-) vstupu.

Napěťový přenos se odvozuje z 1.Kirchhoffova zákona pro uzel na invertujícím vstupu. Řešením rovnice obdržíme vztah:

u2 R2

Au = ---------- = - ----------

u1 R1

{Vzhledem k tomu, že operační zesilovač udržuje nulové napětí mezi vstupy, je na invertujícím vstupu nulové napětí proti zemi (tzv. virtuální nula), z čehož plyne výše uvedený vztah.}

Za vztahu vyplynulo, že složka výstupního napětí má opačnou polaritu než odpovídající složka vstupního napětí. Rezistor Rs se vkládá do druhého vstupu pro lepší symetrii stejnosměrných podmínek práce obou vstupů.


Neinvertující zesilovač:

Vstupní signál je zaveden do neinvertujícího (+) vstupu a zpětnovazební signál (záporná zpětná vazba) je zaveden do invertujícího (-) vstupu.

Napěťový přenos (pro obr. A) se odvodí podobně jako v předchozím případě, takže obdržíme vztah:

u2 R2

Au = ---------- = 1 + ----------

u1 R1

Výstupní napětí je ve fázi se vstupním napětím. Rezistor Rs se vkládá do druhého vstupu pro lepší symetrii stejnosměrných podmínek práce obou vstupů.

Zvláštním případem neinvertujícího zesilovače je tzv. napěťový sledovač (obr. B). Jeho napěťový přenos je roven jedné, tj. Au = 1, neboť R1 = nebo R2 = 0.

dlabos.wz.cz