Oh, vyvažování. Operační zesilovače pro začátečníky. Tranzistorové operační zesilovače

Často vzpomínám na své první seznámení s operačním zesilovačem (op-amp). Vždy jsem věděl, že tyto tajemné trojúhelníky na schématech se mi budou v životě hodit. Dlouhé bezesné noci strávené studiem jejich principu fungování však k ničemu nevedly. Existuje mnoho článků na toto téma, ale zdá se mi, že úplné základy nejsou zřejmé. Pokusím se přiblížit trochu z druhé strany a rozptýlit strašlivá tajemství OS.

Zkusme přijít na to, jaké „operace“ náš operační zesilovač zesiluje.

Problém: Existuje zdroj signálu, například signál z mikrofonu nebo kytarového snímače. Pokud je mikrofon připojen přímo ke sluchátkům, pak s největší pravděpodobností nic neuslyšíte, v nejlepším případě půjde o sotva postřehnutelný zvuk.

Představte si místo mikrofonu člověka, který se snaží zvednout těžkou desku, samozřejmě mu to nejde, stejně jako mikrofon není schopen otřást reproduktorem. Ale pokud tato osoba použije malou sílu k ovládání jeřábu, pak bude schopna zvednout jakýkoli náklad v rámci kapacity jeřábu. Tito. jeřáb v tomto případě zesilovač. Analogem nosnosti jeřábu je výkon zesilovače. Význam zisku by měl být jasný z obrázku. Frekvence a průběh zůstávají stejné, mění se pouze amplituda.

Nyní víme, že aby bylo možné slyšet zvuk z reproduktorů, je potřeba zesilovač. Sice nevíme, jak to funguje a co je uvnitř, ale už víme, že musí existovat nohy, na které je přiváděn signál, který chceme zesílit Uin, a také nohy, ze kterých je zesílený signál Uout odstraněn. .

Otázkou je, na jaké napětí lze signál zesílit? Řeknete: „Chci zesílit 220V na 1000000V“, ale to není možné, proč? Protože původní signál je zesílen externím zdrojem. Vnějším zdrojem bude napájecí napětí operačního zesilovače. Stejně tak jeřáb neumí zvednout břemeno nad jeho výšku (souhlasíme, že ne :)). Proto napětí na výstupu operačního zesilovače nemůže překročit napájecí napětí. Ve skutečnosti je to dokonce o něco méně než napájecí napětí. Například pro LM324 je napájecí napětí od 3 do 32V.

Nyní víme, že operační zesilovač potřebuje externí napájení, nakreslíme tyto nohy

Mimochodem, jsme zvyklí, že naše napájení je unipolární + 5V a zem. Zde je jemný bod, pokud chcete zesílit signál, který má záporné hodnoty,

pak se musíte připojit k -Upit, konkrétně ke zdroji záporného napětí, a ne k zemi. Pokud připojíte zem, ukáže se, že zde není zdroj napětí a „spodní“ (záporná) část signálu nebude zesílena, tzn. část signálu bude „odříznuta“, více o tom v příkladu.

Podobně, pokud je signál zesílen více než napájecí napětí, pak v těch místech, kde signál převyšuje napájecí napětí, dojde k „odříznutí“ signálu, tzn. místo sinusoidy uvidíme něco takového

Hlavní otázkou zůstává, jak nastavit gain? Velmi jednoduché - dělič napětí. Nejprve ale přejděme k reálnějšímu zápisu. Každý operační zesilovač má alespoň 5 větví - 2 výkonové, které byly zmíněny výše, invertovaný vstup (-), neinvertovaný vstup (+) a výstup.

Proto podle toho, na který vstup je původní signál přiveden, se rozlišují dva typy spínání: neinvertující zesilovač

Zisk, který se rovná K=(R4/R3)+1. V tomto případě K=4. V tomto případě se výstupní tvar vlny nemění.

A invertující, se ziskem K=-(R2/R1). Pro toto schéma K=3. Výstupní signál bude ve fázi se vstupem.

Přejděme od slov k činům. Jako výchozí signál byl vzat meandr o frekvenci 1 kHz. Signál má kladné i záporné hodnoty (uprostřed obrazovky je 0). Amplituda signálu 50mV.

Op-amp (L324) zapojím podle schématu neinvertujícího zesilovače. Jídlo je unipolární. Na výstupu operačního zesilovače je signál stejného tvaru, ale s větší amplitudou. Asi není úplně jasné, proč má signál takovou amplitudu a proč se posunul nahoru.

Zkusme na to přijít. Amplituda původního signálu je 50mV, R4=30k, R3=10k, dosadíme do vzorce 50*(30/10+1)=200mV, velmi podobný tomu, co je vidět na osciloskopu. Proč se signál posunul nahoru? Připomeňme nevýhodu unipolárního napájení, nic pod 0 nelze zesílit, takže signál je při 0 odříznut.

Nyní si představte, že kdyby byl na napájecí kolík připojen zdroj záporného napětí, řekněme -5V, amplituda signálu by se zdvojnásobila!!! Výrazně by se tedy zvýšil i objem.

Vlastně se jedná o malou předmluvu, před zahájením studia OÚ je vše výše uvedené jen kapka v moři, pokud se vám to líbilo, napište, postupně zvládneme další aplikace OÚ vč. a praktické plány.

Hlavním aktivním prvkem moderních analogových obvodů je operační zesilovač - komplexní obvod vyrobený v integrovaném provedení (tj. integrovaný obvod). Pojem „operační zesilovač“ (zkráceně op-amp) se historicky vrací k elektronkovým analogovým počítačům (AVM) - zařízením, která umožňují reprezentovat některé neelektrické procesy jako změny v čase elektrických veličin (proudů, napětí); jinými slovy, „operace“ se provádějí s proudy a napětími v AVM. Hlavními součástmi AVM jsou zesilovače, jejichž přenosové koeficienty lze za provozu rychle měnit (pomocí propojek a potenciometrů). Byly to tyto zesilovače, které jako první dostaly název „provozní“.

Oblast použití OU se nyní výrazně rozšířila,

změnila se i technologie jejich výroby. Hlavní výhoda však zůstala zachována - možnost rychle a bez vysokých nákladů změnit nejen zisk zesilovače, ale obecně změnit účel a funkci elektronického obvodu. Zpravidla se používá běžný zesilovač v kombinaci se dvěma nebo třemi přídavnými prvky: rezistory, kapacitami, diodami atd. Povaha zapojení těchto přídavných prvků, jak bude ukázáno v této části, určuje základní vlastnosti výsledný elektronický obvod. Změna pouze jednoho prvku dramaticky změní funkci a účel obvodu.

Pokud je operační zesilovač vyroben ve formě integrovaného obvodu, pak má speciální označení a označení. Takže ve schématech zapojení je operační zesilovač znázorněn ve formě obrázku znázorněného na Obr. 5.1. Obrázek vlevo ukazuje vstupy operačního zesilovače, vpravo výstup. Jak vidíte, operační zesilovač má dva vstupy, které se liší tím, jak se mění fáze signálu při průchodu zesilovačem. Vstup, kdy je přiveden signál s fázovým posunem 0°, se nazývá neinvertující (na obr. 5.1 má znaménko „+“). Druhý vstup operačního zesilovače se nazývá invertující, protože signál, který je na něj přiveden, získává v operačním zesilovači fázový posun o 180° (na obr. 5.1 je vstup označen „-“). Samozřejmě je možné hovořit o fázovém posunu pouze tehdy, když jsou harmonické signály přenášeny přes OS; volba vstupu však ovlivňuje i průchod konstantních napětí operačním zesilovačem - takový signál zůstává znaménko, pokud je aplikován na neinvertující vstup, a mění znaménko, pokud je aplikován na invertující vstup.

Na diagramech, vedle obrázku označujícího OS, obvykle dávají písmena DA, který odpovídá analogovému mikroobvodu (na rozdíl od digitálního, tj. „diskrétního“ mikroobvodu, který má označení písmenem DD). Operační zesilovače (mikroobvody) vyráběné průmyslem Ruské federace jsou série (řada 140, řada 544 atd.); známkou toho, že nějaký druh mikroobvodu je operační zesilovač, jsou písmena UD (méně často - UT), například 140UD8A. Zjednodušené blokové schéma takového operačního zesilovače je znázorněno na Obr. 5.2. Jak je patrné z obrázku, v obvodu jsou čtyři hlavní bloky: diferenciální zesilovač DU (1), lineární zesilovač LU (2), omezovací zesilovač UO (3) a emitorový sledovač EP (4). Dálkové ovládání zajišťuje zesílení rozdílu dvou signálů přicházejících na neinvertující a invertující vstupy operačního zesilovače (resp.
A
). LU se skládá z několika zesilovacích stupňů a má obrovský celkový zisk. Přítomnost UO umožňuje použití OA jako převodníku tvaru signálu, rozšiřuje rozsah jejich aplikace. Svorkovnice operačního zesilovače - emitorový sledovač - plní funkci odporového transformátoru a určuje hodnotu výstupní impedance operačního zesilovače R ty x. Obvykle R you x má řád jednotek kiloohmů, pro jednotlivé typy operačních zesilovačů - stovky ohmů. Bez hodnoty EP R you x by bylo větší: takže díky přítomnosti ED je operační zesilovač chráněn před posunem zátěží s nízkým odporem.

Blokové schéma (obr. 5.2) je zjednodušené a obsahuje pouze hlavní bloky OS. Spolu s dálkovým ovládáním, LU, UO a EP obsahuje typický obvod operačního zesilovače jednotku přizpůsobení úrovně stejnosměrného napětí (pro zajištění konstantního zesílení signálu), jednotku ochrany proti zkratu a napájecí obvody. Napájení operačního zesilovače je zpravidla bipolární symetrické, tj. jsou použity dva zdroje s napětím E 1 a E 2 a E 1 = – E 2 .

Základní parametry a vlastnosti OS. Jako u každého zesilovače jsou důležitými parametry pro operační zesilovač amplitudová (přenosová) charakteristika, zesílení, amplitudově-frekvenční charakteristika (AFC), fázově-frekvenční charakteristika (PFC) a také vstupní a výstupní odpory. Je zřejmé, že protože operační zesilovač má dva vstupy, pak každý z uvedených parametrů, kromě R out, je třeba uvažovat zvlášť pro případ, kdy je zesílený signál přiváděn na invertující vstup (s invertujícím spínáním), a pro případ, kdy je použit neinvertující vstup (s neinvertujícím spínáním). Výše uvedený soubor parametrů charakterizuje zesilovač v lineárním režimu, tj. s "malým" signálem. Pokud se při průchodu signálu operačním zesilovačem změní jeho tvar v důsledku nelineárního zkreslení, pak musíte použít jiné parametry, které popisují výstupní signál jako puls. Jedná se o rychlost přeběhu výstupního signálu, amplitudu pulzů, tvar čela pulzu a jeho trvání. Parametry operačního zesilovače pro "malé" a "velké" signály spolu úzce souvisejí, protože se vztahují ke stejnému zesilovači. Zvažte hlavní parametry a vlastnosti OS.

1. přenosová charakteristika OU - závislost amplitudy výstupního signálu U mimo amplitudu vstupního signálu.

V elektronice se tato závislost mnohem častěji nazývá amplitudová charakteristika, nicméně ve vztahu k operačnímu zesilovači se používá specifická terminologie. Možná ten rozdíl v terminologii směřuje

upozornit na rozdíl v metodách měření: u tranzistorových a elektronkových zesilovačů se konstantní signál zpravidla nezesiluje a amplitudová charakteristika se bere na frekvenci signálu F  0. Naopak v op-amp se snaží změřit přenosovou charakteristiku při F = 0. Vzhledem k posledně uvedenému je přenosová charakteristika měřena při obou polaritách U vstup

Přenosové charakteristiky operačního zesilovače v normálním provozu jsou uvedeny na Obr. 5.3. Zde 1 je přenosová charakteristika, když je vstupní signál přiveden na neinvertující vstup ( U v x =
); 2 - je to stejné při aplikaci na invertující vstup ( U v x =
). Spiknutí - U v x . max< U v x< < U při x max odpovídá lineárnímu zesílení, při | U v x | > U v x max jsou nelineární zkreslení, signál je omezen "shora". Můžeme přibližně předpokládat, že úrovně omezení jsou rovny + E A - E, A U v x . max= E/NA, Kde NA je zisk OA.

2. Získat OU NA lze určit podle sklonu lineárního řezu přenosové charakteristiky: kvantitativně se rovná tečně úhlu α (obr. 5.3). Všimněte si, že přenosové charakteristiky (obr. 5.3) jsou kvalitativní: při zohlednění skutečných hodnot zesílení mají přenosové charakteristiky průmyslových vzorků OS téměř vertikální lineární úseky.

3. Amplitudo-frekvenční charakteristika. V operačních zesilovačích jsou u naprosté většiny vzorků vlastnosti shodné pro invertující i neinvertující vměstky (např. faktory zesílení pro oba vměstky jsou v absolutní hodnotě stejné). Identita vlastností operačního zesilovače pro různé inkluze nám umožňuje uvažovat ne dvě, ale jednu jedinou frekvenční odezvu (stejně jako fázovou odezvu). Frekvenční odezva typického operačního zesilovače je znázorněna na Obr. 5.4.

4. Fázová odezva. I když s invertujícím zahrnutím operačního zesilovače by měl být fázový posun mezi vstupním a výstupním signálem roven 180 ° a s neinvertujícím 0 ° ve skutečnosti ve skutečných vzorcích

5. Vstupní a výstupní odpory. Vzhledem ke shodě vlastností operačního zesilovače s invertujícími a neinvertujícími inkluzemi jsou hodnoty vstupních odporů na obou vstupech zesilovače (resp.
A
) jsou prakticky stejné a pohybují se od stovek kiloohmů až po jednotky nebo desítky megaohmů (op-amp typu 140UD8A má dokonce R v x = 109 Ohm). Pořadí hodnot R jste x specifikovali dříve: výstupní odpory operačního zesilovače se pohybují od jednotek kiloohmů až po stovky ohmů.

6. Velká rychlost přeběhu signálu je komplexní parametr, který pokrývá jak amplitudu pulzního signálu na výstupu operačního zesilovače, tak dobu náběhu. Protože mluvíme o velkém signálu, který v procesu zesilování získává amplitudu blízkou E(obr. 5.4), pak, označující dobu trvání fronty až τ fr, pro rychlost a vzestup signálu, který zapisujeme   2 E/τ fr. Význam  úzce souvisí s frekvenčními vlastnostmi operačního zesilovače: to je zřejmé, protože τ fr ~ 1/ F PROTI. gr, kde F PROTI. gr je horní mezní frekvence.

Nevýhody operačních zesilovačů. Hlavní nevýhody OS jsou:

– snížení zesílení při připojení nízkoodporové zátěže;

–posun přenosové charakteristiky od počátku souřadnic (nerovnováha);

Zvažte tyto jevy a opatření pro boj s nimi.

1. Snížení zesílení při připojení zátěže. Navzdory skutečnosti, že operační zesilovač obsahuje emitorový sledovač a R Výsledkem je snížení výkonu, přesto zůstává poměrně velký: při připojení zátěže s odporem v řádu jednotek nebo desítek ohmů dochází k negativním jevům: snížení zesílení a zároveň, úroveň maximálního výstupního signálu.

Graficky jsou tyto efekty znázorněny na Obr. 5.5: Přenosová charakteristika 1 odpovídá klidovému režimu (odpor zátěže R n  ), charakteristiky 2 a 3 odpovídají zatížením s R n 2 > R n 3.

Aby se omezily negativní důsledky uvažovaného jevu, používá se zařazení dalších opakovačů, ve kterých R ven  R n.

Zároveň si všimneme, že pokud je celý složitý elektronický obvod sestaven z kaskád založených na operačním zesilovači, pak je v tomto případě pro každý operační zesilovač (kromě operačního zesilovače konečného stupně) režim nečinnosti automaticky zajištěno pro zátěž: koneckonců zátěž operačního zesilovače je také operační zesilovač s R mnohonásobně (o dva až tři řády) překračující R ven. Vývojáři operačního zesilovače se tedy postarali o kombinaci obvodů na nich založených.

2. Posun přenosové charakteristiky od počátku (nerovnováha). Přítomnost dvou zdrojů energie a ne vždy stejného napětí často způsobuje posun v přenosové charakteristice operačního zesilovače od původu. Tento jev se často označuje jako nerovnováha. Nerovnováha může mít i jiné důvody. Jev nevyváženosti ilustruje graf na Obr. 5.6. Zde je nesymetrické napětí označeno jako Δ U.

Posun přenosové charakteristiky od počátku vede k následujícím negativním důsledkům:

–pro změnu úrovně výstupního signálu při zesílení konstantního signálu;

– k vzhledu nežádoucího „podstavce“ při zesílení malého střídavého signálu;

- k výskytu nelineárních zkreslení při zesilování střídavého signálu s amplitudou blízkou E/NA.

Možné jsou i další negativní důsledky nevyváženosti: je zvláště nebezpečná u sčítaček konstantních signálů, protože v tomto případě dochází k chybě sčítání.

Boj proti nerovnováze spočívá v kompenzaci napětí Δ U. Pokud je operační zesilovač zapojen tak, že pouze jeden vstup slouží k dodávání užitečného signálu, pak pro kompenzaci nerovnováhy můžete odpojit druhý vstup od země a přivést na něj napětí stejné hodnoty a opačného znaménko k napětí Δ U.

Zvažme tuto metodu podrobněji. Jak bylo uvedeno dříve, první uzel operačního zesilovače je diferenciální zesilovač, jehož činnost je popsána vzorcem U ty x = NA DU (
–
). Předpokládejme, že je použit neinvertující operační zesilovač. V tomto případě je invertující vstup připojen k zemi,
= 0: U ty x = NA DU
. Pokud dojde k nerovnováze, je tento vzorec nesprávný a musí být nahrazen jiným: U ty x = NA DU (
– Δ U).

To ukazuje, že "návrat" k přímo úměrnému vztahu U od vás x
možné s
= – Δ U, tj. U ty x = NA DU (
– Δ U –
) = = NA DU (
– Δ U + Δ U) = NA DU
.

Kompenzační napětí je obvykle přiváděno z napájecího zdroje přes potenciometr; jiný způsob je použít vstupní proud já v samotném OÚ. V druhém případě je mezi vstup operačního zesilovače, který neslouží k dodávání užitečného signálu, a zemí zapojen potenciometr (tzv. vyvažovací odpor), jehož úbytek napětí, na kterém při vstupním proudu toků operačního zesilovače se rovná Δ U.

Schémata, která implementují dva uvažované způsoby řešení nerovnováhy, jsou znázorněna na Obr. 5.7 (jelikož se v praxi častěji používá invertující zařazení operačního zesilovače, odpovídají i tyto obvody invertujícímu zařazení). Je třeba poznamenat, že jev nevyváženosti není konstantní, hodnota Δ U se mění pod vlivem mnoha faktorů, a proto je nutné režim operačního zesilovače pravidelně sledovat a urychleně měnit kompenzační napětí.

Při zvažování parametrů operačního zesilovače bylo zjištěno, že při vysokých frekvencích dochází na jedné straně k poklesu NA a na druhé straně zvýšení hodnoty Δφ NA. Pokud předpokládáme, že hodnoty γ a Δφ  γ nezávisí na frekvenci a Δφ  γ = 0 (to platí pro mnoho obvodů založených na operačním zesilovači), pak na nízkých a středních frekvencích (kde Δφ NA = 180°, když je operační zesilovač zapnutý invertně), není splněna podmínka fázové vyváženosti a nedochází ke generování. S rostoucí frekvencí Δφ NA zvyšuje a může dosáhnout 360° a větších hodnot. Ke generování však dochází pouze tehdy, když je na těchto frekvencích splněna podmínka amplitudové rovnováhy, tj. NA> 1/y.

Obvodová implementace korekce operačního zesilovače je obvykle následující: nepokrývá

celý zesilovač a jeden nebo více stupňů - jeden nebo více vnějších prvků (kondenzátory, odpory) jsou připojeny ke speciálním kolíkům mikroobvodu. Nejběžnější jsou unipolární, bipolární korekce, s fázovým posunem a s fázovým zpožděním. Jednopólová korekce spočívá v paralelním zapojení části zesilovacích stupňů kapacity operačního zesilovače S K (obr. 5.9). Tato kapacita posunuje zesilovač při vysokých frekvencích a snižuje zisk operačního zesilovače.

Schéma bipolární korekce je znázorněno na Obr. 5.10, A: skládá se ze dvou kondenzátorů S 1 a S 2 a rezistorem R 3 a S 2 10 S 1. Činnost obvodu je různá při různých frekvencích: při dostatečně nízkých frekvencích F odpor S 2 je velký a signál obvodem neprochází, obvod nemá žádný korekční účinek. S rostoucí frekvencí odpor S 1 klesá a bipolární korekční obvod se změní na unipolární korekční obvod a funkce S K splňuje ekvivalentní kapacitu S e = S 1 S 2 /(S 1 + S 2). Proto můžeme předpokládat, že schéma

bipolární korekce se skládá z frekvenčně řízeného klíče a jednopólového korekčního obvodu, který zapíná. Na Obr. 5.10, b amplitudově-frekvenční charakteristiky operačního zesilovače jsou zobrazeny bez korekce (1), při použití jednopólových (2) a dvoupólových (3) korekcí.

Korekční schéma s fázovým předstihem (obr. 5.11, A) je zapojen do série s použitým vstupem operačního zesilovače a obsahuje rezistor R 1 a kondenzátor S. Podstatou tohoto zapojení je zavedení přídavného rozlišovacího obvodu do zesilovače C – R v x OU, kde R v x OU - vstupní impedance operačního zesilovače. V tomto případě kompenzace fázového posunu probíhá v zesilovači Δφ NA fázový posun v korekčním obvodu, protože Δφ NA a jádro Δφ mají různá znaménka (obr. 5.11, b, kde křivka 1 je graf Δφ NA, 2 – graf jádra Δφ, 3 – jejich součty).

Obvod korekce fázového předstihu, stejně jako rozlišovací obvod, je horní propust; v důsledku toho se snižuje zesílení zesilovače na nízkých kmitočtech, což je nevýhoda (aby zisk nebyl na kmitočtu F = 0 je nula, S 5 bočníkový odpor R 1).

Obvod pro korekci fázového zpoždění (obr. 5.12) je zapojen mezi dva vstupy operačního zesilovače a obsahuje rezistor a kondenzátor. Odpor korekčního obvodu při vysokých frekvencích klesá a shuntuje vstup zesilovače, což je ekvivalentní poklesu v NA pro vysokofrekvenční harmonické spektra signálu.

Poznámka. Pojmy „fázový předstih“ a „fázové zpoždění“ v názvech korekčních schémat lze vysvětlit porovnáním Δφ NA v OS bez korekce a se zapojením jednoho či druhého korekčního okruhu. Například při zapojení diferenciačního obvodu (obr. 5.10, A) fázový posun nabývá kladného sčítání. Řetěz R 1 – C má složitý odpor se zápornou imaginární částí, proto připojení tohoto obvodu na vstup operačního zesilovače, kromě posunu vstupního odporu na vysokých frekvencích, způsobuje negativní sčítání fázového posunu na stejných frekvencích. Pokud si nyní představíme například harmonický signál procházející operačním zesilovačem jako rotující vektor v komplexní rovině, pak přítomnost kladné fáze aditivace znamená, že vektor rotuje před signálovým vektorem s menší fází. Vektor signálu, který má ve fázi zápornou „aditivaci“, se otáčí se zpožděním.

Operační zesilovač je elektronický napěťový zesilovač s vysokým ziskem, který má diferenciální vstup a obvykle jeden výstup. Výstupní napětí může stokrát nebo dokonce tisíckrát převýšit rozdíl napětí na vstupech.

Operační zesilovače pocházejí z analogových počítačů, kde se používaly v mnoha lineárních, nelineárních a frekvenčně závislých obvodech. Výkon obvodů operačních zesilovačů je určován pouze vnějšími součástmi a malou teplotní závislostí nebo odchylkami během výroby, díky čemuž jsou operační zesilovače velmi oblíbeným prvkem v návrhu elektronických obvodů.

Operační zesilovače jsou nejoblíbenější zařízení mezi moderními elektronickými součástkami, své uplatnění nacházejí ve spotřební elektronice, průmyslu i ve vědeckých přístrojích. Mnoho standardních integrovaných obvodů operačních zesilovačů stojí jen několik centů. Ale některé nízkoobjemové, hybridní nebo integrované operační zesilovače se speciálními funkcemi mohou stát až sto dolarů. Operační zesilovače se obvykle vyrábějí jako samostatné součástky a mohou být i prvky složitějších elektronických obvodů.

Operační zesilovač je druh diferenciálního zesilovače. Další varianty diferenciálního zesilovače jsou:

Plně diferenciální zesilovač (tento přístroj je principiálně podobný operačnímu zesilovači, ale má dva výstupy);
Přístrojový zesilovač (obvykle se skládá ze tří operačních zesilovačů);
Izolovaný zesilovač (tento zesilovač je podobný přístrojovému zesilovači, ale snese tak vysoká napětí, že může zničit běžný operační zesilovač);
Zesilovač se zápornou zpětnou vazbou (obvykle obsahuje jeden nebo dva operační zesilovače a odporový obvod zpětné vazby).

Svorky napájecího zdroje (V S+ a V S-) mohou být označeny odlišně. Navzdory odlišnému označení zůstává jejich funkce stejná – poskytování dodatečné energie pro zesílení signálu. Tyto závěry často nejsou na schématech znázorněny, aby nedošlo k zahlcení výkresu, a jejich přítomnost je buď označena samostatně, nebo by měla být z diagramu zřejmá.

Označení na schématu

Princip fungování

Diferenciální vstupy zesilovače se skládají ze dvou výstupů - V + a V -, ideální operační zesilovač zesiluje pouze rozdíl napětí mezi těmito dvěma vstupy, tento rozdíl se nazývá diferenciální vstupní napětí. Napětí na výstupu operačního zesilovače je určeno vzorcem

V out \u003d A OL (V + - V -)

kde V+ je napětí na neinvertujícím (přímém) vstupu, V- je napětí na invertujícím (inverzním) vstupu a AOL je zesílení zesilovače se zpětnou vazbou v otevřené smyčce (tj. neexistuje žádná zpětná vazba od výstup na vstup).

Operační zesilovač bez negativní zpětné vazby (komparátor)

Hodnota zesílení čipů operačních zesilovačů je obvykle velká - 100 000 nebo více, proto poměrně malý rozdíl napětí mezi vstupy V + a V - povede k napětí téměř rovnému napájecímu napětí na výstupu zesilovače. To se nazývá nasycení zesilovač. Hodnota zesílení A OL má technologický rozptyl, proto byste neměli jako diferenciální zesilovač používat jeden operační zesilovač, doporučuje se použít obvod tří zesilovačů. Bez negativní zpětné vazby a možná s pozitivní zpětnou vazbou bude operační zesilovač fungovat jako komparátor. Pokud je invertující vstup připojen ke společnému vodiči (nulový potenciál) přímo nebo přes odpor a napětí V in aplikované na neinvertující vstup je kladné, pak bude výstupní napětí maximálně kladné. Pokud na vstup přivedete záporné napětí V, bude výstupní napětí co možná nejvíce záporné. Protože z výstupu na vstupy není zpětná vazba, bude takový zpětnovazební obvod s otevřenou smyčkou fungovat jako komparátor, zesílení obvodu se bude rovnat zesílení operačního zesilovače A OL .

Operační zesilovač s negativní zpětnou vazbou (neinvertující zesilovač)

Aby byla činnost operačního zesilovače předvídatelná, používá se negativní zpětná vazba, která vzniká přivedením části napětí z výstupu zesilovače na jeho invertující vstup. Tato uzavřená zpětná vazba výrazně snižuje zisk zesilovače. Při použití negativní zpětné vazby závisí celkové zesílení obvodu mnohem více na parametrech zpětnovazebního obvodu než na parametrech operačního zesilovače. Pokud zpětnovazební obvod obsahuje součástky s relativně stabilními parametry, pak změny parametrů operačního zesilovače výrazně neovlivňují charakteristiku obvodu. Přenosová charakteristika obvodu operačního zesilovače je určena matematicky přenosovou funkcí. Návrh obvodů s danou přenosovou funkcí s operačními zesilovači patří do oblasti radioelektroniky. Přenosová funkce je důležitým faktorem ve většině obvodů, které používají operační zesilovače, jako jsou analogové počítače. Vysoká vstupní impedance vstupů a nízká výstupní impedance výstupu jsou také užitečné vlastnosti operačních zesilovačů.

Například, pokud je negativní zpětná vazba přidána k neinvertujícímu zesilovači (viz obrázek vpravo) pomocí děliče napětí Rf, Rg, pak to sníží zesílení obvodu. Rovnováha bude obnovena, když výstupní napětí V out bude dostatečné pro změnu napětí na invertujícím vstupu na napětí V in . Zesílení celého obvodu je určeno vzorcem 1 + R f / R g . Pokud jsou například napětí V na \u003d 1 volt a odpory Rf a Rg stejné (Rf \u003d Rg), bude na výstupu V out přítomno napětí 2 volty, hodnota tohoto napětí je právě dostatečné k tomu, aby bylo zajištěno, že na invertující vstup V - bylo přijato napětí 1 volt. Protože rezistory Rf a Rg tvoří zpětnovazební obvod připojený z výstupu na vstup, získá se obvod s uzavřenou zpětnovazební smyčkou. Celkový zisk obvodu V out / V in se nazývá zisk v uzavřené smyčce A CL . Protože zpětná vazba je negativní, v tomto případě A CL< A OL .

Můžeme se na to podívat z druhé strany, když učiníme dva předpoklady:
Za prvé, když operační zesilovač pracuje v lineárním režimu, rozdíl napětí mezi jeho neinvertujícími (+) a invertujícími (-) svorkami je tak malý, že jej lze zanedbat.
Za druhé budeme považovat vstupní impedance obou vstupů (+) a (-) za velmi vysoké (několik megaohmů pro moderní operační zesilovače).
Když je tedy obvod znázorněný na obrázku vpravo provozován jako neinvertující lineární zesilovač, napětí V, které se objeví na vstupech (+) a (-), bude mít za následek proud i, protékající rezistorem R g , hodnota V v /R g . Podle Kirchhoffova zákona, který říká, že součet proudů tekoucích do uzlu je roven součtu proudů tekoucích z tohoto uzlu, a protože vstupní odpor (-) je téměř nekonečný, lze předpokládat, že téměř všechny proudu i, protékající rezistorem Rf vytváří výstupní napětí rovné V in + i * R f . Nahrazením výrazů ve vzorci lze snadno určit zisk tohoto typu obvodu.

i = Vin/Rg

V out = V in + i * R f = V in + (V in / R g * R f) = V in + (V v * R f) / R g = V in * (1+ Rf / R g )

G = V out / V in

G = 1 + Rf/Rg

Specifikace operačních zesilovačů

Ideální operační zesilovač

Ekvivalentní obvod operačního zesilovače, ve kterém jsou modelovány některé neideální odporové parametry

Ideální operační zesilovač může pracovat při jakémkoli vstupním napětí a má následující vlastnosti:

Zisk v otevřené smyčce je roven nekonečnu (teoretická analýza předpokládá, že zisk v otevřené smyčce A OL má tendenci k nekonečnu).
Rozsah výstupních napětí V out je roven nekonečnu (v praxi je rozsah výstupních napětí omezen hodnotou napájecího napětí V s+ a V s-).
Nekonečně široká šířka pásma (tj. frekvenční odezva je dokonale plochá s nulovým fázovým posunem).
Nekonečně velký vstupní odpor (R in = ∞, z V + do V - neteče žádný proud).
Nulový vstupní proud (tj. nepředpokládají se žádné svodové nebo předpětí).
Nulové předpětí, tzn. když jsou vstupy propojeny V + = V - , pak je na výstupu virtuální nula (V out = 0).
Nekonečně vysoká rychlost přeběhu výstupního napětí (tj. rychlost změny výstupního napětí není omezena) a nekonečně velká kapacita (napětí a proud nejsou omezeny na všech frekvencích).
Nulový výstupní odpor (R out = 0, takže výstupní napětí se při změně výstupního proudu nemění).
Žádný vnitřní hluk.
Nekonečně vysoký stupeň odmítnutí společného režimu.
Nekonečně vysoký stupeň potlačení zvlnění napájecího napětí.

Tyto vlastnosti se scvrkají na dvě „zlatá pravidla“:

Výstup operačního zesilovače má tendenci zajistit, že rozdíl mezi vstupními napětími bude nulový.
Oba vstupy operačního zesilovače neodebírají žádný proud.

První pravidlo platí pro operační zesilovač v uzavřené smyčce záporné zpětné vazby. Tato pravidla jsou obvykle aplikována na analýzu a návrh obvodů s operačními zesilovači v první aproximaci.

V praxi nelze plně dosáhnout žádné z ideálních vlastností, proto je třeba dělat různé kompromisy. V závislosti na požadovaných parametrech jsou při modelování skutečného operačního zesilovače zohledněny některé neideality použitím ekvivalentních obvodů rezistorů a kondenzátorů v jeho modelu. Návrhář může tyto nežádoucí, ale reálné efekty začlenit do obecných charakteristik navrženého obvodu. Vliv některých parametrů může být zanedbatelný, zatímco jiné parametry mohou omezovat celkovou charakteristiku obvodu.

Skutečný operační zesilovač

Na rozdíl od ideálního má skutečný operační zesilovač neideálnost různých parametrů.

Neideální parametry pro stejnosměrný proud

Konečný zisk Ideální operační zesilovač s otevřenou smyčkou má nekonečný zisk, zatímco skutečný zesilovač má konečný zisk. Typické hodnoty DC s otevřenou smyčkou pro tento parametr se pohybují od 100 000 do více než milionu. Protože toto zesílení je velmi velké, bude zesílení obvodu určeno výhradně zesílením záporné zpětné vazby (tj. zesílení obvodu nebude záviset na zisku s otevřenou smyčkou operačního zesilovače). Pokud je požadováno, aby zesílení obvodu s uzavřenou zpětnovazební smyčkou bylo velmi velké, pak pro to musí být zesílení zpětné vazby velmi malé, takže v tomto případě se operační zesilovač již nebude chovat ideálně. Koncová vstupní impedance Diferenciální vstupní impedance operačního zesilovače je definována jako odpor mezi jeho dvěma vstupy; Vstupní impedance běžného režimu je odpor mezi kterýmkoli ze vstupů a zemí. Operační zesilovače se vstupem FET mají často na svých vstupech ochranné obvody, které zabraňují překročení určité prahové hodnoty vstupního napětí, takže vstupní impedance takových zařízení může být v některých testech velmi nízká. Ale protože se tyto operační zesilovače obvykle používají v obvodech s hlubokou zpětnou vazbou, zůstávají tyto ochranné obvody nevyužity. Předpětí a svodové proudy, popsané níže, jsou mnohem důležitější při navrhování obvodů operačních zesilovačů. Nenulová výstupní impedance Nízká výstupní impedance je velmi důležitá pro zátěže s nízkou impedancí, protože pokles napětí na výstupní impedanci může být významný. Proto výstupní impedance zesilovače omezuje maximální dosažitelný výstupní výkon. V obvodech se zápornou napěťovou zpětnou vazbou je výstupní impedance zesilovače snížena. Při použití operačních zesilovačů v lineárních obvodech lze tedy dosáhnout velmi nízké výstupní impedance. Negativní zpětná vazba však nemůže snížit limity zátěže R (odpor zátěže) a R out (výstupní odpor operačního zesilovače) na možné maximální a minimální výstupní napětí - může pouze snížit chyby v tomto rozsahu napětí. Nízká výstupní impedance obvykle vyžaduje vysoké klidové proudy pro výstupní stupně operačního zesilovače, což má za následek zvýšenou ztrátu výkonu, takže v obvodech s nízkým výkonem je třeba obětovat nízkou výstupní impedanci. Vstupní proud Kvůli přítomnosti předpětí nebo svodových proudů vstupuje do vstupů malé množství proudu (obvykle ≈ 10 nanoampérů pro operační zesilovače BJT ve vstupních stupních, desítky pikoampů pro přední konce FET a několik pikoampů pro přední konce MOS). Když jsou v obvodu použity rezistory nebo vysokoimpedanční zdroje signálu, malé množství proudu může vytvořit poměrně velký pokles napětí. Pokud jsou vstupní proudy stejné a odpory připojené k oběma vstupům jsou stejné, pak v tomto případě budou napětí na vstupech stejná. Vzhledem k tomu, že pro činnost operačního zesilovače je důležitý rozdíl napětí mezi vstupy, tato shodná napětí na vstupech neovlivní činnost obvodu (pokud ovšem operační zesilovač dobře nepotlačuje signál společného režimu). Obvykle jsou však tyto vstupní proudy (nebo vstupní odpory na vstupech) mírně odlišné, takže dochází k malému předpětí (nejedná se však o předpětí popsané v odstavci níže). Toto offsetové napětí může vytvořit offset nebo drift v operačním zesilovači. Často se ve schématu používají nastavovací orgány, které to kompenzují. Některé operační zesilovače mají kolíky pro připojení externího trimru, který dokáže vyvážit vstupy a odstranit tento offset. Některé operační zesilovače mohou automaticky kompenzovat offset napětí. Vstupní předpětí Toto napětí požadované na vstupech operačního zesilovače k nastavení výstupního napětí na nulu souvisí s nesouladem vstupních předpětí. Ideální zesilovač nemá žádné vstupní předpětí. Ale ve skutečných operačních zesilovačích je toto napětí přítomno, protože většina zesilovačů má na vstupu neideální diferenciální stupeň. Vstupní offset napětí vytváří dva problémy: za prvé, kvůli vysokému napěťovému zesílení je téměř zaručeno, že výstup zesilovače se při provozu bez záporné zpětné vazby nasytí, i když jsou oba vstupy spojeny dohromady. Za druhé, při uzavřené smyčce se zápornou zpětnou vazbou se vstupní předpětí bude zvyšovat se signálem, což může způsobit problémy u vysoce přesných stejnosměrných zesilovačů nebo pokud je vstupní signál velmi slabý. Zisk v běžném režimu Ideální operační zesilovač zesiluje pouze rozdíl napětí mezi vstupy a zcela ruší všechna napětí společná pro oba vstupy. Diferenciální vstupní stupeň skutečných operačních zesilovačů však není nikdy dokonalý, což má za následek určité zesílení pro stejná napětí aplikovaná na oba vstupy. Velikost tohoto nedostatku se měří poměrem odmítnutí společného režimu. Minimalizace zisku v běžném režimu je obvykle důležitá v obvodech neinvertujících zesilovačů s vysokým ziskem. Snímač výstupního proudu Výstupní záchytný proud je maximální povolený záchytný proud pro koncový stupeň. Někteří výrobci zobrazují výstupní napětí versus tok proudu v grafu, abyste získali představu o výstupním napětí, když do výstupního stupně zesilovače proudí proud z externího zdroje. Teplotní závislost Všechny parametry se mění se změnou teploty. Zvláště důležitým parametrem je teplotní drift vstupního předpětí. Potlačení zvlnění napájecího napětí Výstupní signál ideálního operačního zesilovače bude zcela nezávislý na zvlnění napájecího napětí na jeho napájecích pinech. Každý skutečný operační zesilovač má určitý poměr potlačení zvlnění napájecího napětí, který udává, jak moc je toto zvlnění potlačeno. Použití výkonových bypass kondenzátorů může tento parametr zlepšit u mnoha zařízení, včetně operačních zesilovačů. Unášení Parametry skutečných operačních zesilovačů se pomalu mění s časem, změnami teploty atd. Hluky I při absenci signálu na vstupu zesilovače náhodně mění napětí na výstupu. To může být způsobeno tepelným šumem nebo blikáním, které je vlastní zařízení. Při použití v obvodech s vysokým ziskem nebo širokopásmovým obvodem se hluk stává velmi důležitým faktorem, který je třeba vzít v úvahu.

Neideální parametry pro střídavý proud

Zesílení operačního zesilovače vypočítané z DC není použitelné pro vysoké frekvence. Při navrhování obvodů operačních zesilovačů pro vysokofrekvenční provoz je třeba vzít v úvahu složitější úvahy.

Konec šířky pásma Všechny zesilovače mají omezený frekvenční rozsah. K prvnímu přiblížení má operační zesilovač frekvenční odezvu integrátoru se ziskem. To znamená, že zisk typického operačního zesilovače je nepřímo úměrný frekvenci a je charakterizován součinem šířky pásma zisku f T. Například operační zesilovač s f T = 1 MHz může mít zisk pět při 200 kHz a ziskem jednoty při 1 MHz. Frekvenční odezva operačního zesilovače spolu s velmi vysokým stejnosměrným ziskem dává frekvenční odezvu podobnou dolní propusti prvního řádu s vysokým stejnosměrným ziskem a nízkou mezní frekvencí (f T děleno ziskem). Konečná šířka pásma operačního zesilovače může být zdrojem několika problémů, včetně:

Stabilita. Fázový rozdíl mezi vstupním a výstupním signálem souvisí s omezením šířky pásma, takže v některých zpětnovazebních obvodech to může vést k samobuzení. Pokud je například sinusový signál na výstupu, který by měl být sečten mimo fázi se vstupním signálem, zpožděn o 180°, pak bude přidán ve fázi se vstupním signálem, tzn. vzniká pozitivní zpětná vazba. V těchto případech lze zpětnovazební smyčku stabilizovat aplikací frekvenčního kompenzačního obvodu, který zvyšuje zesílení nebo fázový posun, když je zpětná vazba otevřená. Tuto kompenzaci lze realizovat pomocí externích komponent. Tuto kompenzaci lze také implementovat uvnitř operačního zesilovače přidáním dominantního pólu, který dostatečně zeslabuje zisk na vysokých frekvencích. Umístění tohoto pólu může být nastaveno interně výrobcem čipu nebo může být upraveno pomocí specifických metod pro každý operační zesilovač. Typicky dominantní pól dále snižuje šířku pásma operačního zesilovače. Když je požadován vysoký zisk v uzavřené smyčce, kompenzace frekvence často není potřeba, protože požadovaný zisk v otevřené smyčce je poměrně nízký. Operační zesilovače s vyšší šířkou pásma lze proto použít v obvodech s vysokým ziskem v uzavřené smyčce.
Šum, zkreslení a další efekty. Snížení šířky pásma také snižuje zisk zpětnovazební smyčky na vysokých frekvencích, což vede ke zvýšení zkreslení, šumu, výstupní impedance a také snižuje fázovou linearitu výstupního signálu s rostoucí frekvencí.

Vstupní kapacita Vstupní kapacita je důležitým parametrem při provozu na vysokých frekvencích, protože snižuje zisk zesilovače s otevřenou smyčkou. Zisk v běžném režimu Cm. .

Nelineární parametry

Nasycení Rozsah výstupního napětí operačního zesilovače je omezen na hodnoty blízké hodnotám napájecích napětí. Když výstupní napětí dosáhne těchto hodnot, pak se zesilovač saturuje, je to z následujících důvodů:

Pokud je použit bipolární zdroj, pak při vysokém napěťovém zesílení musí být signál zesílen tak, aby jeho amplituda musela překročit kladné napájecí napětí nebo být menší než záporné napájecí napětí, což není možné, protože výstupní napětí nemůže překročit tyto limity.
Při použití jednoho zdroje se buď může stát to samé jako při použití bipolárního zdroje, nebo může mít vstupní signál tak nízké napětí vůči zemi, že zesílení zesilovače nebude dostatečné pro jeho zvýšení nad spodní práh.

Omezená rychlost přeběhu Rychlost změny napětí na výstupu zesilovače je konečná, obvykle se měří ve voltech za mikrosekundu. Když je dosaženo maximální možné rychlosti přeběhu na vstupu, přestane se rychlost přeběhu na výstupu zvyšovat. Rychlost přeběhu je obvykle omezena přítomností vnitřních kapacit v operačním zesilovači, tyto kapacity jsou zvláště vysoké tam, kde se používá vnitřní vyrovnání. Nelineární závislost výstupního napětí na vstupním Výstupní napětí nemusí být přesně úměrné rozdílu napětí na vstupech. V praktických obvodech je tento efekt velmi slabý, pokud je použita silná negativní zpětná vazba.

Limity proudu a napětí

Omezení výstupního proudu Výstupní proud nemůže být nekonečný. V praxi je většina operačních zesilovačů navržena tak, aby omezila výstupní proud na určitou hodnotu, čímž se zabránilo poškození operačního zesilovače a zátěže. Moderní modely operačních zesilovačů jsou tolerantnější k nadproudu než ty dřívější a některé moderní modely operačních zesilovačů jsou schopny vydržet výstupní zkrat bez poškození. Omezení ztrátového výkonu Teplo se odvádí na výstupní impedanci operačního zesilovače, kterým protéká proud. Pokud operační zesilovač odvádí příliš mnoho tepla, jeho teplota stoupne nad kritickou hodnotu. V tomto případě může fungovat ochrana proti přehřátí nebo selže operační zesilovač.

Moderní FET a MOSFET operační zesilovače se svým výkonem mnohem blíží ideálním operačním zesilovačům než bipolární tranzistorové modely, když je důležitá vstupní impedance a vstupní předpětí. Operační zesilovače BJT se nejlépe používají, když je požadováno nižší vstupní offsetové napětí a často nižší hladina šumu. Operační zesilovače FET a MOSFET v obvodech s omezenou šířkou pásma, které pracují při pokojové teplotě, obecně fungují lépe.

Přestože se design různých modelů čipů od různých výrobců může lišit, všechny operační zesilovače mají v zásadě stejnou vnitřní strukturu, která se skládá ze tří stupňů:

Diferenciální zesilovač – určený k zesílení signálu, má nízkou úroveň vlastního šumu, vysokou vstupní impedanci a obvykle diferenciální výstup.
Napěťový zesilovač - Poskytuje zesílení vysokonapěťového signálu, má jednopólovou frekvenční odezvu a obvykle má jeden výstup.
Výstupní zesilovač - Poskytuje vysokou nosnost, nízkou výstupní impedanci, omezení proudu a ochranu proti zkratu.

Integrované obvody operačních zesilovačů jsou obvykle středně složité. Typickým příkladem je široce rozšířený operační zesilovač čip 741 (sovětský analog je K140UD7), vyvinutý společností Fairchild Semiconductor po předchozím modelu LM301. Základní architektura zesilovače 741 je stejná jako u modelu 301.

Vstupní fáze

Jako vstupní stupeň je použit diferenciální zesilovač se složitým předpětím, jehož aktivní zátěží je proudové zrcadlo.

Diferenciální zesilovač

Diferenciální zesilovač je implementován na dvoustupňové kaskádě, která splňuje protichůdné požadavky. První stupeň se skládá z n-p-n emitorových sledovačů na tranzistorech Q1 a Q2, což umožňuje získat vysokou vstupní impedanci. Druhý stupeň je založen na p-n-p tranzistorech Q3 a Q4, zapojených podle společného základního obvodu, což umožňuje zbavit se škodlivých vlivů Millerova jevu, posunout úroveň napětí dolů a poskytnout dostatečné napěťové zesílení pro další stupeň - zesilovač třídy "A". Použití p-n-p tranzistorů také pomáhá zvýšit průrazné napětí Vbe (základně-emitorové n-p-n tranzistory Q1 a Q2 mají průrazné napětí asi 7 voltů a průrazné napětí p-n-p tranzistorů Q3 a Q4 je asi 50 voltů).

Předpojaté řetězy

Emitory klasického diferenciálního stupně s emitorovými vazbami jsou napájeny předpětím ze stabilního zdroje proudu. Obvod záporné zpětné vazby nutí tranzistory, aby fungovaly jako regulátory napětí a nutí je měnit napětí Vbe tak, aby proud mohl protékat přechodem kolektor-emitor. V důsledku toho se klidový proud stává nezávislým na stejnosměrném převodovém poměru (β) tranzistorů.

Signály z emitorů tranzistorů Q1, Q2 jsou přiváděny do emitorů tranzistorů Q3, Q4. Jejich kolektory jsou oddělené a nelze je použít k napájení klidového proudu ze stabilního zdroje proudu, protože samy fungují jako zdroje proudu. Klidový proud lze tedy aplikovat na báze pouze jejich připojením ke zdroji proudu. Aby se předešlo závislosti na koeficientu stejnosměrného přenosu tranzistorů, používá se negativní zpětná vazba. K tomu je celý klidový proud odražen proudovým zrcadlem vytvořeným na tranzistorech Q8, Q9 a negativní zpětnovazební signál je odebírán z kolektoru tranzistoru Q9. To přinutí tranzistory Q1-Q4 změnit své napětí báze-emitor Vbe tak, aby jimi protékal potřebný klidový proud. Výsledkem je stejný efekt jako u klasické dvojice tranzistorů vázaných s emitorem – velikost klidového proudu se stává nezávislou na součiniteli stejnosměrného přenosu (β) tranzistorů. Tento obvod generuje základní proud požadované velikosti v závislosti na β, aby se získal β-nezávislý kolektorový proud. Napájecí zdroj se záporným napětím se obvykle používá pro generování základních předpětí. Tyto proudy jdou od společných k bázím tranzistorů. Aby však bylo dosaženo nejvyšší možné vstupní impedance, nejsou smyčky předpětí báze interně uzavřeny mezi bází a společným obvodem, protože se očekává, že tyto obvody budou uzavřeny prostřednictvím výstupní impedance signálu. zdroj k zemi. Zdroj signálu tedy musí být galvanicky propojen se společným vodičem, aby jím mohly protékat předpětí a také musí mít dostatečně nízký odpor (desítky či stovky kiloohmů), aby na něm nedocházelo k výraznému poklesu napětí. Jinak můžete mezi bázemi tranzistorů Q1, Q2 a společným vodičem zapojit odpory.

Hodnota klidového proudu se nastavuje rezistorem 39 kΩ, který je společný pro obě proudová zrcadla Q12-Q13 a Q10-Q11. Tento proud se používá jako reference pro jiné proudy předpětí obvodu. Vznikají tranzistory Q10, Q11, ve kterých malá část kolektorového proudu I ref tranzistoru Q10 protéká rezistorem 5 kΩ. Tento malý kolektorový proud protékající kolektorem tranzistoru Q10 je referenční proud báze pro tranzistory Q3 a Q4, jakož i pro kolektor tranzistoru Q9. Proudové zrcadlo na tranzistorech Q8 a Q9 se pomocí negativní zpětné vazby snaží, aby se kolektorový proud tranzistoru Q9 rovnal kolektorovému proudu tranzistorů Q3 a Q4. Kolektorové napětí tranzistoru Q9 se bude měnit, dokud poměr proudů báze tranzistorů Q3 a Q4 k jejich kolektorovým proudům nebude roven β. Proto je celkový proud báze tranzistorů Q3 a Q4 (jedná se o proud stejného řádu jako vstupní proudy mikroobvodu) malou částí nízkého proudu tranzistoru Q10.

Klidový proud je tedy nastavován proudovým zrcadlem na tranzistorech Q10, Q11 bez použití proudové negativní zpětné vazby. Tato proudová zpětná vazba pouze stabilizuje kolektorové napětí tranzistoru Q9 (a báze tranzistorů Q3, Q4). Kromě toho obvod zpětné vazby také izoluje zbytek obvodu od signálů v běžném režimu nastavením základního napětí tranzistorů Q3, Q4 přísně o 2V BE nižší, než je nejvyšší z obou vstupních napětí.

Diferenciální zesilovač tvořený tranzistory Q1-Q4 je připojen k aktivní zátěži založené na vylepšeném proudovém zrcadle na tranzistorech Q5...Q7, které převádí proudy vstupního diferenciálního signálu na napětí a zde jsou oba vstupní signály použity k vytvoření toto napětí, které dává výrazné zvýšení výztuže. Toho je dosaženo přidáním vstupních signálů pomocí proudových zrcadel, v tomto případě je kolektor tranzistoru Q5 připojen ke kolektoru tranzistoru Q3 (levý výstup diferenciálního zesilovače) a výstup proudového zrcadla - kolektor tranzistoru Q6 je připojen k pravému výstupu diferenciálního zesilovače - kolektoru tranzistoru Q4. Tranzistor Q7 zvyšuje přesnost proudového zrcadla snížením proudu odebíraného z tranzistoru Q3 pro buzení bází tranzistorů Q5 a Q6.

Provoz operačního zesilovače

Diferenciální režim

Napětí zdrojů signálu přivedené na vstupy procházejí dvěma "diodovými" řetězci tvořenými přechody báze-emitor tranzistorů Q1, Q3 a Q2, Q4 do přechodu bází tranzistorů Q3, Q4. Pokud se vstupní napětí mírně změní (napětí na jednom vstupu se zvýší a na druhém sníží), pak se napětí na bázích tranzistorů Q3, Q4 téměř nezmění a celkový proud báze zůstane nezměněn. Dojde pouze k přerozdělení proudů mezi bázemi tranzistorů Q3, Q4, celkový klidový proud zůstane stejný, kolektorové proudy budou přerozděleny ve stejných poměrech jako proudy báze.

Proudové zrcadlo invertuje kolektorový proud, signál se vrátí zpět do báze tranzistoru Q4. Na přechodu tranzistorů Q4 a Q6 se odečítají proudy tranzistorů Q3 a Q4. Tyto proudy jsou v tomto případě mimo fázi (v případě rozdílového signálu). V důsledku odečtení proudů se tedy proudy sečtou (ΔI - (-ΔI) = 2ΔI) a převod z dvoufázového signálu na jednofázový proběhne beze ztrát. V obvodu s otevřenou smyčkou je napětí získané na přechodu tranzistorů Q4 a Q6 určeno výsledkem odečtení proudů a celkového odporu obvodu (paralelní kolektorové odpory tranzistorů Q4 a Q6). Protože jsou tyto odpory pro signálové proudy vysoké (tranzistory Q4 a Q6 se chovají jako generátory proudu), bude zisk tohoto stupně při otevřené zpětnovazební smyčce velmi vysoký.

Jinými slovy, tranzistor Q6 si můžete představit jako kopii tranzistoru Q3 a kombinaci tranzistorů Q4 a Q6 si můžete představit jako nastavitelný dělič napětí, sestávající ze dvou napěťově řízených odporů. U diferenciálních vstupů se budou odpory těchto rezistorů značně lišit v opačných směrech, ale celkový odpor děliče napětí zůstane stejný (podobně jako potenciometr s pohyblivým kontaktem). V důsledku toho se proud nemění, ale dochází k silné změně napětí ve středním bodě. Protože se odpory mění stejně, ale v opačných směrech, výsledná změna napětí bude dvojnásobkem jednotlivých změn napětí.

Základní proudy na vstupech nejsou nulové, takže efektivní vstupní impedance 741 operačního zesilovače je asi 2 mΩ. Piny "nastavení nuly" lze použít k paralelnímu připojení externích rezistorů s vnitřními rezistory 1 kΩ (zde se obvykle připojuje potenciometr) pro vyrovnání proudů tranzistorů Q5, Q6, čímž se nepřímo upraví výstupní signál při přivedení nulových signálů na vstupy.

Odmítnutí společného režimu

Pokud se vstupní napětí mění synchronně, pak negativní zpětná vazba nutí napětí na bázích tranzistorů Q3, Q4 opakovat (s ofsetem rovným dvojnásobku poklesu napětí na přechodech báze-emitor tranzistorů) změny vstupního napětí. Výstupní tranzistor Q10 proudového zrcadla Q10, Q11 udržuje celkový proud protékající tranzistory Q8, Q9 konstantní a nezávislý na změnách napětí. Kolektorové proudy tranzistorů Q3, Q4 a tím i výstupní napětí ve středu mezi tranzistory Q4 a Q6 zůstávají nezměněny.

Následná negativní zpětná vazba účinně zvyšuje vstupní impedanci operačního zesilovače v režimu potlačení společného režimu.

Kaskáda zesilovačů pracující ve třídě "A"

Kaskáda, vyrobená na tranzistorech Q15, Q19 Q22, pracuje ve třídě "A". Proudové zrcadlo, vyrobené na tranzistorech Q12, Q13, napájí tento stupeň stabilním proudem, nezávislým na kolísání výstupního napětí v širokém rozsahu. Kaskáda je založena na dvou npn tranzistorech, Q15 a Q19, tvořících tzv. složený darlingtonův tranzistor, v jehož kolektoru je využito dynamické zátěže v podobě zdroje proudu pro získání vysokého zisku. Tranzistor Q22 chrání zesilovací stupeň před saturací posunutím báze tranzistoru Q15, to znamená, že funguje jako Bakerův obvod.

Kondenzátor 30 pF v zesilovacím stupni je obvod se selektivní ekvalizací zpětné vazby, který umožňuje stabilizaci operačního zesilovače při provozu v obvodech s uzavřenou smyčkou. Toto obvodové řešení se nazývá „Millerova kompenzace“, princip připomíná práci integrátoru na operačním zesilovači. Tento návrh obvodu je také známý jako "korekce dominantního pólu", protože do frekvenční charakteristiky je zaveden dominantní pól, který potlačuje ostatní póly ve frekvenční odezvě, když je smyčka zpětné vazby otevřená. Frekvence tohoto pólu může být u zesilovače 741 menší než 10 Hz a při této frekvenci pól zavádí útlum -3 dB do frekvenční charakteristiky s otevřenou smyčkou. Použití této vnitřní kompenzace je nutné pro získání absolutní stability zesilovače při provozu s nereaktivní negativní zpětnou vazbou v případě, kdy je zesílení operačního zesilovače větší nebo rovné jednotce. Není tedy nutné používat externí korekci pro zajištění stejné stability v různých provozních režimech, což značně zjednodušuje použití operačního zesilovače. Operační zesilovače, ve kterých není žádná vnitřní korekce, například K140UD1A, mohou vyžadovat použití externí korekce nebo zesílení větší než jedna s uzavřenou zpětnovazební smyčkou.

Obvod předpětí výstupního stupně

Tranzistor Q16 spolu se dvěma odpory tvoří obvod s předpětím úrovně, známý také jako „gumová dioda“, „tranzistorová zenerova dioda“ nebo násobič napětí přechodu báze-emitor (VBE). V tomto obvodu funguje tranzistor Q16 jako regulátor napětí, protože zajišťuje konstantní pokles napětí na svém přechodu kolektor-emitor pro všechny proudy protékající tímto stupněm. Toho je dosaženo zavedením negativní zpětné vazby mezi kolektor a bázi ve formě dvourezistorového děliče napětí s dělicím faktorem β = 7,5 kΩ / (4,5 kΩ + 7,5 kΩ) = 0,625. Předpokládejme, že proud báze tranzistoru je nulový, takže negativní zpětná vazba nutí tranzistor zvyšovat napětí kolektor-emitor na přibližně jeden volt, dokud napětí báze-emitor nedosáhne typické hodnoty bipolárního tranzistoru 0,6 voltu. Tento obvod se používá k předpětí výstupních tranzistorů a zároveň snižuje nelineární zkreslení. V obvodech některých nízkofrekvenčních zesilovačů k tomu slouží dvojice sériově zapojených diod.

Tento obvod předpětí lze považovat za zesilovač se zápornou zpětnou vazbou se vstupním stejnosměrným napětím 0,625 voltů a faktorem zpětné vazby β = 0,625 (respektive zesílení bude 1/β = 1,6). Stejný obvod, ale s β = 1, se používá k nastavení pracovního proudu v klasickém bipolárním tranzistorovém proudovém zrcadlovém obvodu.

Výstupní stupeň

Koncový stupeň (tranzistory Q14, Q17, Q20) je push-pull emitorový sledovač pracující ve třídě "AB", předpětí tohoto stupně je nastaveno obvodem předpětí na úrovni tranzistoru Q16 a dvěma rezistory připojenými k základně tohoto stupně. tranzistor. Signál do výstupních tranzistorů Q14, Q20 je přiváděn z kolektorů tranzistorů Q13 a Q19. Změny v předpětí v důsledku změn teploty nebo v důsledku změn parametrů tranzistoru mohou vést k nelineárnímu zkreslení a změně klidového proudu operačního zesilovače. Výstupní napětí zesilovače leží v rozsahu asi o jeden volt menší než napájecí napětí (tj. V - +1 až V + -1), je dáno částečně napětím báze-emitor výstupních tranzistorů Q14 a Q20. .

25 ohmový odpor ve výstupním stupni funguje jako proudový snímač pro omezení maximálního povoleného proudu tohoto stupně, v 741 operačním zesilovači tento odpor omezuje výstupní proud emitorového sledovače Q14 na 25 mA. Proudové omezení pro dolní emitorový sledovač je realizováno pomocí 50 Ohm rezistoru instalovaného v emitorovém obvodu tranzistoru Q19, pomocí tranzistoru Q22 se napětí na bázi tranzistoru Q15 snižuje, když se úbytek napětí na rezistoru zvyšuje nad kritickou hodnotu. Pozdější operační zesilovače modelu 741 mohou používat mírně odlišnou metodu omezení výstupního proudu.

Na rozdíl od ideálního operačního zesilovače není výstupní impedance modelu 741 nulová, ale s negativní zpětnou vazbou na nízkých frekvencích se stává téměř nulovou.

Několik úvah o operačním zesilovači 741

Poznámka: Operační zesilovače Model 741 byly historicky používány v audio a dalších aplikacích s vysokou citlivostí, ale tento zesilovač se dnes používá zřídka kvůli nižší hladině šumu moderních modelů operačních zesilovačů. Kromě velkého šumu může 741 a další starší modely mít špatné potlačení běžného režimu a často zachycují hučení sítě a další šum.

Model 741 operační zesilovač často znamená nějaký obecný operační zesilovač (např. µA741, LM301, 558, LM324, TBA221 nebo novější modely jako TL071). Popis koncového stupně zesilovače 741 je téměř stejný pro mnoho jiných modelů (které mohou mít zcela odlišné vstupní stupně), kromě:

Některé modely operačních zesilovačů jako µA748, LM301, LM308 nemají vnitřní korekci a vyžadují externí korekční kondenzátor pro provoz s uzavřenou smyčkou a nízkým ziskem.
U některých moderních modelů operačních zesilovačů se výstupní napětí může měnit v rozsahu od téměř záporného až po kladné napájecí napětí.

Klasifikace operačních zesilovačů

Operační zesilovače lze klasifikovat podle typu jejich konstrukce:

Diskrétní - vytvořené z jednotlivých tranzistorů nebo elektronek;
Chip - integrované operační zesilovače jsou nejčastější;
Hybridní - vytvořené na bázi hybridních mikroobvodů nízkého stupně integrace;

Integrované operační zesilovače lze klasifikovat mnoha různými způsoby, včetně:

Rozdělení na mikročipy vojenského, průmyslového nebo komerčního provedení, které se vyznačují spolehlivostí a odolností vůči vnějším faktorům (teplota, tlak, záření), a tedy i cenou. Příklad: Generický operační zesilovač LM301 je komerční verze LM101 a LM201 je průmyslová verze.
Klasifikace podle typu pouzdra - modely operačních zesilovačů v různých typech pouzder (plast, kov, keramika) mají také různou odolnost vůči vnějším faktorům. Kromě toho existují balíčky DIP a povrchová montáž (SMD).
Klasifikace podle přítomnosti nebo nepřítomnosti vnitřních korekčních obvodů. Operační zesilovače se mohou stát nestabilními v některých obvodech se zápornou zpětnou vazbou, aby se tomu zabránilo, používá se ke korekci amplitudově-frekvenční odezvy malý kondenzátor. Operační zesilovač s takto vestavěným kondenzátorem se nazývá vnitřně korigovaný operační zesilovač.
Jedno čipové pouzdro může obsahovat jeden, dva nebo čtyři operační zesilovače.
Rozsah vstupního (a/nebo výstupního) napětí od záporného po kladné napájecí napětí - operační zesilovač může pracovat se signály, jejichž hodnoty se blíží hodnotám napájecích napětí.
Operační zesilovače CMOS FET (jako je AD8603) poskytují velmi vysokou vstupní impedanci, vyšší než konvenční operační zesilovače FET, které zase mají vyšší vstupní impedanci než operační zesilovače BJT.
Existují tzv. „programovatelné“ operační zesilovače, u kterých lze pomocí externího rezistoru nastavit řadu parametrů, jako je klidový proud, zesílení, šířka pásma.
Výrobci často kategorizují operační zesilovače podle použití, jako je nízký šum, předzesilovače, široký rozsah a tak dále.

Použití operačních zesilovačů

Použití v návrzích elektronických systémů

Přiřazení kolíků operačního zesilovače modelu 741

Použití operačních zesilovačů jako bloků zjednodušuje vytváření obvodů a usnadňuje jejich čtení než použití diskrétních součástek (tranzistory, rezistory, kondenzátory). Při návrhu obvodů jsou operační zesilovače v první aproximaci považovány za ideální diferenciální součástky a teprve v dalších krocích jsou brány v úvahu všechny nedokonalosti a omezení těchto zařízení.

U všech obvodů zůstává obvod stejný. Specifikace udává účel obvodu a požadavky na něj s příslušnými tolerancemi. Například je vyžadováno 1000násobné zesílení s tolerancí 10 % a driftem 2 % v daném teplotním rozsahu, vstupní odpor alespoň 2 mΩ atd.

Počítačová simulace obvodů se často používá při návrhu, jako je program simulace obvodu LTSpice, který má některé modely komerčních operačních zesilovačů a dalších komponent. Pokud se v důsledku modelování ukáže, že některé parametry navrženého obvodu nelze implementovat, pak je v tomto případě nutné opravit specifikaci.

Po počítačové simulaci se sestaví a otestuje prototyp obvodu, v případě potřeby se na obvodu provedou změny, aby se zlepšil nebo aby se zajistilo, že obvod splňuje specifikaci. Obvod je také optimalizován pro snížení nákladů a zlepšení funkčnosti.

Použití operačních zesilovačů v obvodech bez použití zpětné vazby

Napěťový komparátor na operačním zesilovači 741 v obvodu s jediným zdrojem. V ref \u003d 6,6 V, amplituda vstupního signálu V v \u003d 8 V. Kondenzátor C1 slouží k potlačení rušení ze silového obvodu.

Operační zesilovač je v tomto případě použit jako napěťový komparátor. Obvod navržený primárně pro provoz jako komparátor se používá, když je potřeba vysoká rychlost nebo široký rozsah vstupního napětí, protože zesilovač se může rychle zotavit ze saturace.

Je-li jeden ze vstupů operačního zesilovače napájen příkladným napětím Vref, pak bude získán obvod detektoru úrovně signálu, to znamená, že operační zesilovač bude detekovat kladnou úroveň signálu. Pokud je detekovaný signál přiveden na přímý vstup, pak bude získán neinvertující obvod detektoru úrovně - když je vstupní napětí vyšší než referenční napětí, bude na výstupu nastaveno maximální kladné napětí. Pokud dojde k záměně detekovaného signálu a referenčního napětí, pak se v tomto případě na výstupu operačního zesilovače vytvoří napětí blízké zápornému napájecímu napětí - získá se invertující obvod detektoru úrovně.

Je-li příkladné nenapětí na vstupu zesilovače V ref = 0 V, pak dostaneme nulový detektor, který dokáže převést např. sinusový signál na obdélníkový.

Využití operačních zesilovačů v obvodech využívajících kladnou zpětnou vazbu

Generátor obdélníkových vln založený na operačním zesilovači s kladnými (R1, R3) a zápornými (R2, C1) zpětnovazebními obvody. Obvod kladné zpětné vazby kolem zesilovače jej přemění na Schmittův spouštěč. Pracovní frekvence je přibližně 150 Hz.

Operační zesilovače se používají i v obvodech s kladnou zpětnou vazbou, kdy je část výstupního signálu přivedena na neinvertující vstup. Typickým obvodem, který používá tuto konfiguraci, je obvod komparátoru hystereze, tzv. Schmittův spouštěč. V některých obvodech mohou být použity dva typy zpětné vazby současně - pozitivní i negativní, pokrývající stejný zesilovač, tato konfigurace se často používá v obvodech pilových generátorů a v obvodech aktivních filtrů.

V důsledku nízké rychlosti přeběhu a nepřítomnosti kladné zpětné vazby bude frekvenční odezva výše popsaného nulového detektoru s otevřenou smyčkou a detektoru úrovně signálu relativně nízkofrekvenční, tj. obvody budou mít relativně nízkou frekvenci. Můžete se pokusit pokrýt obvod kladnou zpětnou vazbou, ale to výrazně ovlivní přesnost operace při detekci okamžiku, kdy vstupní signál překročí nulu. Pokud použijete konvenční operační zesilovač typu 741, pak bude mít převodník sinusový na čtverec s největší pravděpodobností pracovní frekvenci nepřesahující 100 Hz.

Pro zvýšení rychlosti přeběhu signálu ve specializovaných komparačních obvodech je do koncových stupňů zavedena kladná zpětná vazba, proto se doporučuje, aby obvody detektoru úrovně nebyly prováděny na operačních zesilovačích, ale na mikroobvodech - komparátorech.

Použití operačního zesilovače v obvodu se zápornou zpětnou vazbou

V neinvertujícím zesilovacím obvodu se výstupní napětí mění ve stejném směru (klesá nebo stoupá) jako vstupní napětí.

Rovnice, která definuje zisk operačního zesilovače, je zapsána jako

V out \u003d A OL (V + - V -)

V tomto obvodu je parametr V- funkcí Vout, protože odpory R1 a R2 tvoří obvod se zápornou zpětnou vazbou. Navíc jsou tyto odpory děličem napětí a jelikož je připojen na V - vstup, který je vysokoodporový, dělič napětí není prakticky zatížen. Proto:

V - = β * V out

Kde β = R1 / (R1 + R2)

Dosazením tohoto výrazu do rovnice zesílení operačního zesilovače dostaneme:

V out \u003d A OL (V in - β * V out)

Transformace výsledného výrazu s ohledem na V out, dostaneme:

V out = V in * (1 / (β + 1/A OL))

Li A OL je velmi velký, pak se rovnice zjednoduší:

V out ≈ V in / β = V in / (R1 / (R1 + R2)) = V in * (1 + R2/R1)

Upozorňujeme, že signál na přímý vstup operačního zesilovače je přiváděn relativně ke společnému vodiči. Pokud z nějakého důvodu nelze zdroj signálu připojit ke společnému vodiči, nebo je nutné jej připojit k zátěži s určitým odporem, pak bude nutné nainstalovat další rezistor mezi přímý vstup operačního zesilovače a společný vodič. V každém případě by hodnota zpětnovazebních rezistorů R1 a R2 měla být přibližně rovna vstupnímu odporu s přihlédnutím k zatěžovacím rezistoru na přímém vstupu operačního zesilovače, zatímco odpory R1 a R2 je třeba považovat za paralelně zapojené. . To znamená, že pokud R1 \u003d R2 \u003d 10 kOhm, zdroj signálu má vysoký odpor, pak by přídavný odpor mezi přímým vstupem a společným vodičem měl mít hodnotu 5 kOhm, v tomto případě předpětí na vstupech bude minimální.

Při zapnutí operačního zesilovače v invertujícím obvodu se napětí na jeho výstupu bude měnit v protifázi se vstupním napětím.

Pojďme najít rovnici, která popisuje zesílení, když je operační zesilovač zapnutý obráceně:

V out \u003d A OL (V + - V -)

Tato rovnice je přesně stejná jako rovnice pro neinvertující zesilovač. Ale v tomto případě parametr PROTI- bude záviset na výstupním napětí. V out a vstup V, to je způsobeno tím, že dělič napětí tvořený sériově zapojenými odpory Rf A R dovnitř zapojený mezi vstupní signál a výstup zesilovače. Invertující vstup má vysoký odpor a nezatěžuje dělič, proto:

V - = 1/(Rf + R in) * (Rf V in + R in V out)

Dosazením výsledné rovnosti do rovnice zisku zjistíme V out:

V out = -V in * A OL R f / (R f + R in + A OL R in)

Pokud je hodnota A OL velmi velký, pak je výraz zjednodušen:

V out ≈ V in * R f / R in

Často je mezi neinvertující vstup a společný vodič umístěn rezistor takové hodnoty, aby oba vstupy odebíraly napětí ze stejných odporů. Použití tohoto rezistoru snižuje předpětí a u některých modelů operačních zesilovačů snižuje množství nelineárního zkreslení.

Pokud není potřeba zesilovat stejnosměrné napětí, pak sériově se vstupním rezistorem R dovnitř pro blokování průchodu stejnosměrného napětí ze zdroje signálu na vstup operačního zesilovače lze instalovat oddělovací kondenzátor.

Audiofrekvenční zesilovač na operačním zesilovači

Na závěr zvažte praktický obvod zesilovače zvukové frekvence, vyrobený podle neinvertujícího obvodu s unipolárním napájením. Použití neinvertujícího obvodu zajišťuje vysokou vstupní impedanci zesilovače, která je dána hodnotami odporů R2 a R3 a také vstupní impedance přímého vstupu operačního zesilovače (je velmi vysoké a lze je zanedbat), při výpočtu rezistorů R2, R3 jsou uvažovány jako paralelně zapojené, proto bude vstupní odporový zesilovač roven 100 kOhm.

Napěťové zesílení zesilovače je určeno vzorcem R4/R1+1, v tomto případě 49/1+1 = 50krát. Kapacita kondenzátoru C1 musí být taková, aby jeho reaktance při nejnižších pracovních frekvencích byla nejméně desetkrát menší než celkový odpor sériově zapojených rezistorů R1, R4. Kondenzátory C2, C3 jsou dělící pro stejnosměrný proud, jejich parametry závisí na odporu zdroje signálu a zátěži. Kondenzátor C4 blokuje zvlnění v napájecím obvodu.

Zátěž zesilovače mohou být vysokoodporová sluchátka typu TON-2, s odporem minimálně 1,5 kOhm. Pro připojení nízkoodporových sluchátek nebo dynamické hlavy budete muset do obvodu přidat kaskádu emitorových sledovačů na tranzistorech KT502 a KT503.

Pro snížení nelineárního zkreslení jsou do obvodu přidány odpory R6, R7, které nastavují klidový proud tranzistorů VT1, VT2. Můžete použít jiný tranzistorový spínací obvod, například ten popsaný, který má nižší úroveň nelineárního zkreslení.

Něco se mě často začalo ptát na analogovou elektroniku. Vzalo sezení studentů míče? ;) Dobře, je čas přesunout malý vzdělávací program. Zejména na činnost operačních zesilovačů. Co to je, čím se to jí a jak to vypočítat.

co to je
Operační zesilovač je dvouvstupový zesilovač, nevím... uhm... velký zisk signálu a jeden výstup. Tito. máme U ven \u003d K * U dovnitř a K se v ideálním případě rovná nekonečnu. V praxi jsou samozřejmě skromnější čísla. Řekněme 1 000 000. Ale i taková čísla explodují mozek, když se je snaží přímo aplikovat. Proto, jako ve školce, jeden stromeček, dva, tři, mnoho stromečků - máme tu hodně posil;) A je to.

A jsou tam dva vchody. A jeden z nich je přímý a druhý je inverzní.

Navíc jsou vstupy vysokoimpedanční. Tito. jejich vstupní impedance je v ideálním případě nekonečná a ve skutečném VELMI vysoká. Účet tam jde do stovek megaohmů a dokonce i do gigaohmů. Tito. měří napětí na vstupu, ale je ovlivněno minimálně. A můžeme předpokládat, že proud v operačním zesilovači neteče.

Výstupní napětí se v tomto případě vypočítá jako:

U out \u003d (U 2 - U 1) * K

Je zřejmé, že pokud je napětí na přímém vstupu větší než na inverzním, pak je výstup plus nekonečno. Jinak to bude mínus nekonečno.

Samozřejmě v reálném zapojení nebude plus a mínus nekonečno a nahradí je nejvyšší a nejnižší napájecí napětí zesilovače. A dostaneme:

srovnávač
Zařízení, které umožňuje porovnat dva analogové signály a učinit verdikt - který ze signálů je větší. Už zajímavé. Můžete si pro něj vymyslet spoustu aplikací. Mimochodem, stejný komparátor je zabudován do většiny mikrokontrolérů a jeho použití na AVR jsem ukázal jako příklad v článcích o vytváření . Komparátor se také úžasně používá k vytváření .

Ale záležitost se neomezuje na jeden komparátor, protože pokud zavedete zpětnou vazbu, pak lze z operačního zesilovače udělat hodně.

Zpětná vazba
Pokud vezmeme signál z výstupu a pošleme jej přímo na vstup, dojde ke zpětné vazbě.

Pozitivní zpětná vazba
Vezmeme a přivedeme signál přímo z výstupu do přímého vstupu.

Napětí U1 je větší než nula - výstup je -15 voltů
Napětí U1 je menší než nula - na výstupu +15 voltů

Co se stane, když je napětí nulové? Teoreticky by měl být výstup nulový. Ale ve skutečnosti nebude napětí NIKDY nulové. Ostatně, i když náboj pravého převáží o jeden elektron náboj levého, tak to už stačí k tomu, aby se potenciál valil na výstup při nekonečném zesílení. A na výstupu začne tvarové peklo - signál sem tam přeskakuje rychlostí náhodných poruch indukovaných na vstupech komparátoru.

K vyřešení tohoto problému je zavedena hystereze. Tito. jakousi mezeru mezi přepínáním z jednoho stavu do druhého. Chcete-li to provést, zaveďte pozitivní zpětnou vazbu, například:

Uvažujeme, že na inverzním vstupu je v tuto chvíli +10 voltů. Na výstupu z operačního zesilovače mínus 15 voltů. Na přímém vstupu už to není nula, ale malá část výstupního napětí z děliče. Přibližně -1,4 voltu Nyní, dokud napětí na invertovaném vstupu neklesne pod -1,4 voltu, výstup operačního zesilovače své napětí nezmění. A jakmile napětí klesne pod -1,4, pak výstup operačního zesilovače prudce vyskočí na +15 a na přímém vstupu již bude předpětí +1,4 voltu.

A aby se změnilo napětí na výstupu komparátoru, signál U1 se bude muset zvýšit až o 2,8 voltu, aby se dostal na horní sloupec +1,4.

Existuje druh mezery, kde není citlivost, mezi 1,4 a -1,4 volty. Šířka mezery je řízena poměry rezistorů v R1 a R2. Prahové napětí se vypočítá jako Uout/(R1+R2) * R1 Řekněme, že 1 až 100 dá +/-0,14 voltu.

Ale přesto se operační zesilovač častěji používá v režimu negativní zpětné vazby.

negativní zpětná vazba
Dobře, řekněme to jinak:

V případě negativní zpětné vazby má operační zesilovač zajímavou vlastnost. Vždy se bude snažit upravit své výstupní napětí tak, aby byla napětí na vstupech stejná, což má za následek nulový rozdíl.
Dokud jsem si to nepřečetl ve skvělé knize od soudruhů Horowitze a Hilla, nemohl jsem se dostat do práce OU. Vše se ale ukázalo být jednoduché.

Opakovač
A máme opakovač. Tito. na vstupu U 1 , na inverzním vstupu U out = U 1 . No, ukázalo se, že U je \u003d U 1.

Otázkou je, k čemu jsme tak šťastní? Bylo možné hodit drát přímo a nebyl by potřeba žádný operační zesilovač!

Je to možné, ale ne vždy. Představte si takovou situaci, existuje snímač vyrobený ve formě odporového děliče:

Nižší odpor mění svou hodnotu, mění se rozložení výstupního napětí z děliče. A musíme z něj odečítat údaje voltmetrem. Ale voltmetr má svůj vnitřní odpor, i když velký, ale změní údaje ze snímače. Navíc, když nechceme voltmetr, ale chceme žárovku na změnu jasu? Žárovku zde nelze nijak připojit! Proto je výstup bufferován operačním zesilovačem. Jeho vstupní odpor je obrovský a bude mít minimální vliv a výstup může poskytnout docela hmatatelný proud (desítky miliampérů, nebo dokonce stovky), což je docela dost na to, aby žárovka fungovala.
Obecně lze nalézt aplikace pro opakovač. Zejména v přesných analogových obvodech. Nebo tam, kde obvody jednoho stupně mohou ovlivnit činnost druhého, k jejich oddělení.

Zesilovač
A teď udělejme fintu s ušima - vezměme zpětnou vazbu a položme ji na zem přes dělič napětí:

Nyní je na invertovaný vstup přivedena polovina výstupního napětí. A zesilovač ještě potřebuje vyrovnat napětí na svých vstupech. co bude muset udělat? Je to tak - zvyšte napětí na svém výstupu dvakrát tak vysoko než dříve, abyste kompenzovali vzniklý dělič.

Nyní bude U 1 na přímce. Na inverzní U out /2 \u003d U 1 nebo U out \u003d 2 * U 1.

Položme dělitel s jiným poměrem – situace se změní stejně. Abychom nepřevraceli vzorec děliče napětí ve vaší mysli, okamžitě jej dám:

U out \u003d U 1 * (1 + R 1 / R 2)

Mnemotechnicky se pamatuje, co se dělí na velmi jednoduché:

Ukazuje se, že vstupní signál prochází obvodem rezistorů R 2, R 1 v U out. V tomto případě je přímý vstup zesilovače nastaven na nulu. Připomínáme zvyky operačního zesilovače - pokusí se háčkem nebo křivákem zajistit, aby se na jeho inverzním vstupu vytvořilo napětí rovné přímému vstupu. Tito. nula. Jediný způsob, jak to udělat, je snížit výstupní napětí pod nulu, aby se v bodě 1 objevila nula.

Tak. Představte si, že U out = 0. Zatímco rovno nule. A vstupní napětí je například 10 voltů vzhledem k U out. Dělitel R 1 a R 2 jej rozdělí na polovinu. V bodě 1 je tedy pět voltů.

Pět voltů se nerovná nule a operační zesilovač snižuje svůj výstup, dokud není v bodě 1 nula. K tomu by měl být výstup (-10) voltů. V tomto případě bude rozdíl 20 voltů vzhledem ke vstupu a dělič nám poskytne přesně 0 v bodě 1. Máme invertor.

Ale můžete si vybrat i jiné odpory, takže náš dělič udává jiné koeficienty!
Obecně platí, že vzorec pro zisk pro takový zesilovač bude následující:

U out \u003d - U v * R 1 / R 2

No, mnemotechnický obrázek pro rychlé zapamatování xy z xy.

Řekněme, že U 2 a U 1 bude mít každý 10 voltů. Pak ve 2. bodě bude 5 voltů. A výstup bude muset být takový, aby v 1. bodě byl také 5 voltů. Tedy nula. Ukazuje se tedy, že 10 voltů mínus 10 voltů se rovná nule. Všechno je správně :)

Pokud se U 1 stane 20 volty, výstup bude muset klesnout na -10 voltů.
Spočítejte si sami – rozdíl mezi U 1 a U out bude 30 voltů. Proud přes rezistor R4 bude (U 1 -U out) / (R 3 + R 4) = 30/20000 = 0,0015 A a úbytek napětí na rezistoru R4 bude R 4 * I 4 = 10 000 * 0,0015 = 15 voltů. Odečtěte úbytek 15 voltů od vstupu 20 a získáte 5 voltů.

Náš operační zesilovač tedy vyřešil aritmetický problém od 10 odečtených 20 a dostal -10 voltů.

Navíc v problému jsou koeficienty určené odpory. Jde jen o to, že pro zjednodušení jsou rezistory stejné hodnoty, a proto jsou všechny koeficienty rovny jedné. Ale ve skutečnosti, pokud vezmeme libovolné rezistory, bude závislost výstupu na vstupu následující:

U out \u003d U 2 * K 2 - U 1 * K 1

K2 \u003d ((R3 + R4) * R6) / (R6 + R5) * R4
K 1 \u003d R 3 / R 4

Mnemotechnika pro zapamatování vzorce pro výpočet koeficientu je následující:
Přímo do schématu. Čitatel zlomku je nahoře, proto sečteme horní odpory v proudovém obvodu a vynásobíme spodním. Jmenovatel je dole, sečtěte tedy spodní odpory a vynásobte horním.

Všechno je zde jednoduché. Protože bod 1 se neustále snižuje na 0, pak můžeme předpokládat, že proudy, které do něj tečou, se vždy rovnají U / R a proudy vstupující do uzlu číslo 1 se sečtou. Poměr vstupního rezistoru k rezistoru zpětné vazby určuje váhu příchozího proudu.

Větev může být tolik, kolik chcete, ale já jsem nakreslil jen dvě.

U out \u003d -1 (R 3 * U 1 / R 1 + R 3 * U 2 / R 2)

Vstupní odpory (R 1 , R 2 ) určují velikost proudu a tím i celkovou váhu příchozího signálu. Pokud srovnáte všechny odpory, jako já, pak bude váha stejná a multiplikační faktor každého členu bude roven 1. A U out \u003d -1 (U 1 + U 2)

Sčítačka neinvertující
Všechno je trochu složitější, ale zdá se.

Uout \u003d U 1 * K 1 + U 2 * K 2

K 1 \u003d R 5 / R 1
K 2 \u003d R 5 / R 2

Navíc zpětnovazební odpory musí být takové, aby byla dodržena rovnice R 3 / R 4 \u003d K 1 + K 2

Obecně platí, že na operačních zesilovačích můžete vytvářet libovolnou matematiku, sčítat, násobit, dělit, počítat derivace a integrály. A téměř okamžitě. Analogové počítače jsou vyráběny na OÚ. Jednoho takového jsem dokonce viděl v pátém patře SUSU – blázna velikosti patra pokoje. Několik kovových skříní. Program se píše spojením různých bloků pomocí drátů :)

Operační zesilovač (op-amp) je stejnosměrný zesilovač s diferenčním vstupem, jehož vlastnosti se blíží charakteristikám tzv. „ideálního zesilovače.“ Operační zesilovač má velké napěťové zesílení K>>1 (K = 10 4 - 10 6), velký vstupní (R in = 0,1-100 MΩ) a nízký výstupní (R in = 10-100 Ohm) odpor.

V lineárních zesilovačích se operační zesilovač používá pouze s negativními zpětnovazebními obvody (NFB), což snižuje napěťový zisk K na 1-10 3, ale zároveň snižuje závislost K na teplotě, napájecím napětí, zvyšuje R v .us a snižuje R out .us. Použití operačních zesilovačů v zesilovačích bez zpětnovazebních obvodů je nepřijatelné, protože se zvyšuje riziko narušení stability operačních zesilovačů a korekční obvody frekvenční odezvy se stávají komplikovanějšími v širokém frekvenčním pásmu.

OU (obrázek 15.1.) obsahuje jako první stupeň diferenciální zesilovač. Diferenciální zesilovač má vysoké zesílení pro rozdíl vstupních signálů U 2 - U 1 a nízké zesílení pro signály v běžném režimu, tzn. identické signály přivedené současně na oba vstupy. To umožňuje snížit citlivost na signály v běžném režimu (vnější rušení) a smykové napětí, které je určeno netotožností ramen operačního zesilovače.

Obr.15.1. Vnitřní struktura operačního zesilovače.

Po vstupním stupni následuje jeden nebo více mezilehlých; poskytují potřebné napěťové a proudové zesílení.

Doplňkový výstupní stupeň by měl poskytovat nízkou výstupní impedanci operačního zesilovače a dostatečný proud pro napájení očekávaných zátěží. Koncový stupeň je obvykle jednoduchý nebo doplňkový emitorový sledovač.

Aby se snížila citlivost obvodu na signály v běžném režimu a zvýšil se vstupní odpor, nastavuje se emitorový proud prvního diferenciálního stupně pomocí stabilního zdroje proudu.

Základní parametry operačních zesilovačů

1. K - vlastní zisk operačního zesilovače (bez zpětné vazby).

2. Posun U - Posun výstupního napětí. Malé napětí vznikající z asymetrie ramen operačního zesilovače při nulovém napětí na obou vstupech. Obvykle má posuv U hodnotu 10 - 100 mV.

3. I cm - Vstupní předpětí. Proud na vstupech zesilovače potřebný k provozu vstupního stupně operačního zesilovače.

4. I shift - Vstupní posuvný proud (). Rozdíl v předpětí se objevuje v důsledku nepřesného přizpůsobení vstupních tranzistorů. .

5. R in - Vstupní impedance. Rin má zpravidla hodnotu do 1-10 megaohmů.

6. R out - Výstupní impedance. Obvykle Rout nepřesahuje stovky ohmů.

7. Koss - Koeficient útlumu signálu v běžném režimu. Charakterizuje schopnost zeslabit signály přivedené na oba vstupy současně.

8. Spotřeba proudu. Klidový proud spotřebovaný operačním zesilovačem.

9. Spotřeba energie. Výkon rozptýlený operačním zesilovačem.

10. Maximální rychlost přeběhu (V/µs) .

11. U mazlíčka. - Napájecí napětí.

12. Přechodná odezva. Signál na výstupu zesilovače, když je na jeho vstup přiveden přepětí.

Operační zesilovač má několik možností spínání obvodů, které se výrazně liší svými vlastnostmi.

Pro analýzu práce a výpočet charakteristik různých schémat pro zapnutí operačního systému je dále nutné pamatovat na to, že na základě vlastností řídicí jednotky:

1. Rozdíl napětí mezi vstupy operačního zesilovače je velmi malý a lze jej považovat za rovný nule.

2. Operační zesilovač má vysokou vstupní impedanci, takže odebírá velmi malý vstupní proud (až 10 nA).

Hlavní schémata pro zapnutí OS

V invertující zesilovač(Obr.15.2.), jsou vstupní a výstupní signály fázově posunuty o 180º. Pokud je Uin kladné, pak se napětí v bodě A, a tedy i U d, také stanou kladnými a U out se sníží, což povede ke snížení na invertujícím vstupu na U d = U out / K ≈ 0.

Bod A se často nazývá virtuální země, protože jeho potenciál je téměř stejný jako potenciál Země, protože U d je zpravidla velmi malý

Rýže. 15.2. Operační zesilovač invertující zesilovač

Abychom získali výraz pro zesílení zpětné vazby, vezmeme v úvahu, že , protože R vstup zesilovače je velmi velký. Od a poté.

Za předpokladu U d = 0 (protože K → ∞) dostaneme . Zisk zpětné vazby uvažovaného obvodu je

Výstupní napětí je invertované, o čemž svědčí záporná hodnota K os.

Vzhledem k tomu, že vlivem zpětné vazby je v bodě A udržován přibližně nulový potenciál, je vstupní odpor obvodu invertujícího zesilovače R 1 .. Odpor R 1 musí být zvolen tak, aby nezatěžoval zdroj vstupního signálu, a přirozeně R os musí být dostatečně velký, aby nepřetěžoval operační zesilovač.

Neinvertující zesilovač lze realizovat i na operačním zesilovači (obr. 15.3) s vysokou vstupní impedancí, jehož napěťové zesílení lze nastavit i pomocí odporů R 1 a R os.

Stejně jako dříve předpokládáme, že od R v → ∞.

Napětí na invertujícím vstupu zesilovače je tedy stejné

15.3. Neinvertující operační zesilovač

Proto, .

Protože U out \u003d U d K a U d \u003d U out / K, jako K → ∞ a U d ≈ 0, můžeme to napsat. Řešením rovnice získáme výraz pro zesílení s uzavřenou zpětnou vazbou K os , (15.3)

který je platný za podmínky К » K os.

Ve schématu sledovač napětí na operačním zesilovači(Obr.15.4) Zpětná vazba Uout přichází z výstupu zesilovače na invertující vstup. Protože je rozdíl napětí na vstupech operačního zesilovače - U d zesílen, je vidět, že napětí na výstupu zesilovače U out \u003d U d K.

Obr.15.4. Napěťový sledovač operačního zesilovače

Výstupní napětí operačního zesilovače U out \u003d U in + U d. Protože U out \u003d U d K, dostaneme U d \u003d U out / K. Proto, . Protože K je velké (K → ∞), pak U out / K má tendenci k nule a jako výsledek dostaneme rovnost U in = U out.

Vstupní napětí je spojeno se zemí pouze přes vstupní impedanci zesilovače, která je velmi vysoká, takže sledovač může sloužit jako dobrý přizpůsobovací stupeň.

Zesilovač s diferenciálním vstupem má dva vstupy a invertující a neinvertující vstupy jsou pod stejným napětím, v tomto případě rovném U os, protože rozdíl napětí mezi invertujícím a neinvertujícím vstupem je velmi malý (obvykle méně než 1 mV).

Rýže. 15.5. Zesilovač s diferenciálním vstupem

Pokud je U 1 nastaveno na nulu a na U 2 je přiveden vstupní signál, bude zesilovač fungovat jako neinvertující zesilovač, jehož vstupní napětí je odebíráno z děliče tvořeného rezistory R 2 a R? os. Pokud jsou na odpovídající vstupy přivedena obě napětí U 1 a U 2 současně, pak signál na invertujícím vstupu způsobí takovou změnu výstupního napětí, že napětí v místě připojení rezistorů R 1 a R os se rovná U os, kde .

Protože zesilovač má velmi vysokou vstupní impedanci,

Řešením výsledné rovnice pro U out máme:

Nahrazením výrazu za U OS dostaneme:

Položíme-li R 1 = R 2 a R oc = R´oc (nejběžnější situace), dostaneme . Polarita výstupního napětí je určena větším z napětí U 1 a U 2 .

Je zřejmé, že pokud je U 2 na obr. 15.5 nula, pak bude zesilovač fungovat ve vztahu k U 1 jako invertující zesilovač.

Vstupní impedance obvodu operačního zesilovače lze definovat následujícím způsobem. Na rozdílový vstupní odpor OS r d je přivedeno napětí. U d. Vzhledem k přítomnosti zpětné vazby je toto napětí malé.

U d \u003d U out / K U \u003d U 1 / (1 + K U b), (15,6)

kde b \u003d R 1 / (R 1 + R 2) - koeficient přenosu děliče v obvodu zpětné vazby. Tímto odporem tedy protéká pouze proud rovný U 1 /r d (1 + K U b). Diferenciální vstupní impedance v důsledku zpětné vazby je proto vynásobena faktorem 1 + K Ub.

Podle Obr. 12, pro výsledný vstupní odpor obvodu máme:

Rin = r d (1 + K U b)||r in

Tato hodnota i u operačních zesilovačů s bipolárními tranzistory na vstupech přesahuje 10 9 ohmů. Je však třeba mít na paměti, že jde pouze o to rozdílová hodnota; to znamená, že změny vstupního proudu jsou malé, zatímco průměrná hodnota vstupního proudu může nabývat nesrovnatelně velkých hodnot.

Rýže. 15.6. Schéma neinvertujícího zesilovače, zohledňující vlastní odpory operačního zesilovače.

Výstupní impedance operačního zesilovače operačního zesilovače nepokrytého zpětnou vazbou je dáno:

Při připojení zátěže dochází k mírnému poklesu výstupního napětí obvodu způsobeného úbytkem napětí na rout, které je přenášeno na vstup zesilovače přes napěťový dělič R 1 , R 2 . Výsledné zvýšení rozdílového napětí kompenzuje změnu výstupního napětí.

Obecně může být výstupní impedance poměrně vysoká (v některých případech od 100 do 1000 ohmů. Připojením obvodu OS se výstupní impedance sníží.

Pro zesilovač pokrytý zpětnou vazbou má tento vzorec podobu:

V tomto případě hodnota U d nezůstává konstantní, ale mění se o hodnotu

dU d = - dU n = -bdU out

U zesilovače s lineární přenosovou charakteristikou je změna výstupního napětí

dU out = K U dU d - r out dI out

Velikost větvení proudu do zpětnovazebního děliče napětí lze v tomto případě zanedbat. Dosazením hodnoty dU d do posledního výrazu získáme požadovaný výsledek:

Pokud je například b \u003d 0,1, což odpovídá zesílení vstupního signálu 10krát, a K U \u003d 10 5, pak se výstupní impedance zesilovače sníží z 1 kOhm na 0,1 Ohm. Výše uvedené, obecně řečeno, platí v rámci šířky pásma zesilovače f p, Hz. Při vyšších frekvencích se výstupní impedance operačního zesilovače s uzavřenou smyčkou zvýší množství |K U | s rostoucí frekvencí bude klesat rychlostí 20 dB za dekádu (viz obr. 3). V tomto případě nabývá indukčního charakteru a při frekvencích větších než f t se rovná hodnotě výstupní impedance zesilovače bez zpětné vazby.

dynamické parametry OS, charakterizující rychlost operačního zesilovače, lze rozdělit na parametry pro malé a velké signály. První skupina dynamických parametrů zahrnuje šířku pásma f p, jednotkový zisk frekvence ft a dobu ustálení t y. Tyto parametry se nazývají nízký signál, protože jsou měřeny v lineárním režimu provozu kaskád operačního zesilovače (DU out< 1В).

Druhá skupina zahrnuje rychlost přeběhu výstupního napětí r a šířku pásma výkonu f p. Tyto parametry jsou měřeny s velkým rozdílovým vstupním signálem operačního zesilovače (více než 50 mV). Některé z těchto možností byly diskutovány výše. Doba ustálení se počítá od okamžiku přivedení vstupního napěťového kroku na vstup operačního zesilovače do okamžiku, kdy rovnost |U out.set - U out(t) | \u003d d, kde U out.set - ustálená hodnota výstupního napětí, d - dovolená chyba.

Provozní šířka pásma nebo šířka pásma Operační zesilovač je určen typem frekvenční odezvy při maximální možné amplitudě nezkresleného výstupního signálu. Nejprve se na nízkých kmitočtech nastaví taková amplituda signálu z generátoru harmonických kmitů, aby amplituda výstupního signálu Uout.max nedosahovala nepatrně mezí saturace zesilovače. Poté zvyšte frekvenci vstupního signálu. Výkonová šířka pásma f p odpovídá hodnotě U vyh.max rovné 0,707 původní hodnoty. Hodnota šířky výkonového pásma klesá s rostoucí kapacitou korekčního kondenzátoru.

Provozní parametry Operační zesilovače určují přípustné režimy provozu jeho vstupních a výstupních obvodů a požadavky na napájecí zdroje a také teplotní rozsah zesilovače. Omezení provozních parametrů jsou způsobena konečnými hodnotami průrazných napětí a přípustných proudů přes tranzistory operačních zesilovačů. Mezi hlavní provozní parametry patří: jmenovitá hodnota napájecího napětí U p; přípustný rozsah napájecích napětí; proud spotřebovaný ze zdroje potím; maximální výstupní proud I vyh.max; maximální hodnoty výstupního napětí při jmenovitém napájení; maximální přípustné souosé a diferenciální vstupní napětí

Frekvenční odezva operační zesilovač je důležitým faktorem, na kterém závisí stabilita reálných obvodů s takovým zesilovačem. Ve většině operačních zesilovačů jsou jednotlivé stupně vzájemně propojeny stejnosměrným proudem galvanickými vazbami, proto tyto zesilovače nemají útlum zesílení v nízkofrekvenční oblasti a potřebují analyzovat útlum zesílení s rostoucí frekvencí.

Obr.15.7 . Kmitočtová charakteristika operačního zesilovače

Na obr.15.7. je ukázána typická frekvenční odezva operačního zesilovače.

Rýže. 15.8. Zjednodušený ekvivalentní obvod pro operační zesilovač

Jak se frekvence zvyšuje, kapacita klesá, což vede ke snížení časové konstanty τ \u003d R n * C. Je zřejmé, že musí existovat frekvence, nad kterou bude napětí na výstupu U out menší než KU d.

Výraz pro zisk K na libovolné frekvenci:

má tvar , kde K je zisk v otevřené smyčce při nízkých frekvencích; f - pracovní frekvence; f 1 - mezní frekvence nebo frekvence na 3 dB, tzn. frekvence, při které je K(f) 3 dB pod K, nebo rovna 0,707 A.

Pokud, jak je tomu obvykle, R n » R out, pak .

Frekvenční odezva se obvykle udává obecně. Jak:

kde f je frekvence, která nás zajímá, zatímco f 1 je pevná frekvence, která se nazývá mezní frekvence a je charakteristikou konkrétního zesilovače. S rostoucí frekvencí klesá napěťový zisk. Navíc z výrazu pro θ je vidět, že při změně frekvence se fáze výstupního signálu posouvá vzhledem k fázi vstupu; - výstupní signál je mimo fázi se vstupem.

Přidání negativní zpětné vazby, jako je tomu u invertujícího nebo neinvertujícího zesilovače, zvyšuje efektivní šířku pásma operačního zesilovače.

Chcete-li to vidět, zvažte výraz pro zisk v otevřené smyčce zesilovače s útlumem 6 dB/oktávu (když se frekvence zdvojnásobí):

Kde K(f) je zisk v otevřené smyčce na frekvenci f; A je zisk bez zpětné vazby při nízkých frekvencích; f 1 - rohová frekvence. Dosazením tohoto vztahu do výrazu pro zisk za přítomnosti zpětné vazby získáme

Tento výraz lze přepsat jako , kde f 1 oc = f 1 (1 + Аβ); K 1 - zisk s uzavřenou zpětnou vazbou na nízkých frekvencích; f 1oc - mezní frekvence za přítomnosti zpětné vazby.

Mezní frekvence se zpětnou vazbou se rovná mezní frekvenci bez zpětné vazby násobené (1 + Kβ) > 1, takže efektivní šířka pásma se při použití zpětné vazby zvětšuje. Tento jev je znázorněn na obr. 8, kde f 1oc > f 1 pro zesilovač se ziskem 40 dB.

Pokud je kmitání zesilovače 6 dB/oktávu, je součin šířky pásma zesílení konstantní: Kf 1 = konst. Abychom to viděli, vynásobme ideální nízkofrekvenční zisk vysokou mezní frekvencí stejného zesilovače za přítomnosti zpětné vazby.

Pak dostaneme produkt zesílení šířky pásma:

Kde K je zisk bez zpětné vazby na nízkých frekvencích.

Zatímco dříve bylo ukázáno, že pro zvýšení šířky pásma se zpětnou vazbou je nutné snížit zisk, nyní však odvozený vztah umožňuje zjistit, jak velkou část zisku je třeba obětovat pro získání požadované šířky pásma.

Ekvivalentní obvod operačního zesilovače umožňuje zohlednit vliv neideálnosti zesilovače na charakteristiky obvodu. K tomu je vhodné reprezentovat zesilovač jako kompletní ekvivalentní obvod obsahující významné prvky nedokonalosti. Kompletní ekvivalentní obvod operačního zesilovače pro malé pomalé změny signálu je znázorněn na Obr. 15.9.

Rýže. 15.9.. Ekvivalentní obvod operačního zesilovače pro malé signály

U operačních zesilovačů s bipolárními tranzistory na vstupu je vstupní impedance pro diferenciální signál rd několik megaohmů a vstupní impedance pro souosý signál rin je několik gigaohmů. Vstupní proudy určené těmito odpory jsou v řádu několika nanoampérů. Podstatně větší hodnoty jsou stejnosměrné proudy protékající vstupy operačního zesilovače a určené předpětím tranzistorů diferenciálního stupně. U univerzálních operačních zesilovačů se vstupní proudy pohybují od 10 nA do 2 μA a u zesilovačů se vstupními stupni vyrobenými na tranzistorech s efektem pole jsou to zlomky nanoampérů.

Parametry operačního zesilovače

Vzhledem k tomu, že operační zesilovač je univerzální zařízení, používá se k popisu jeho vlastností velké množství parametrů.

1. Faktor zesílení K se rovná poměru výstupního napětí k rozdílovému vstupnímu signálu, který způsobil tento přírůstek při absenci zpětné vazby (je 10 3-10 7) a je určen při volnoběhu na výstupu. NA = U out /U in.d.

2. Nulové předpětí U cm ukazuje, jaké napětí musí být přivedeno na vstup operačního zesilovače, aby se na výstupu dostalo U \u003d 0 (je 0,5-0,15 mV). Je to důsledek nepřesného přizpůsobení napětí báze emitoru vstupních tranzistorů.

3. Vstupní proud I in je určen normálním režimem činnosti vstupního diferenciálního stupně na bipolárních tranzistorech. Toto je základní proud vstupního tranzistoru DU. Pokud jsou v diferenciálním stupni použity tranzistory s efektem pole, jedná se o svodové proudy.

Když jsou na vstupy operačního zesilovače připojeny zdroje signálu s různými vnitřními odpory, vznikají na těchto odporech různé úbytky napětí vlivem předpětí. Rozdílový signál, který se objeví, změní vstupní napětí. Pro jeho snížení musí být odpor zdrojů signálu stejný.

4. Rozdíl vstupních proudů DI in je roven rozdílu hodnot proudů protékajících vstupy operačního zesilovače při dané hodnotě výstupního napětí 0,1-200 nA.

5. Vstupní odpor R bx (odpor mezi vstupními svorkami) je roven poměru přírůstku vstupního napětí k přírůstku vstupního proudu při dané frekvenci signálu. Rbx je určeno pro oblast nízké frekvence. V závislosti na povaze přiváděného signálu je vstupní impedance diferenciální (pro diferenciální signál) a souměrná (pro souběžný signál).

Diferenciální vstupní impedance - jedná se o vstupní impedanci z libovolného vstupu, kdy je druhý vstup připojen na společnou svorku, je desítky kΩ - stovky MΩ. Takto velké R bx je dosaženo díky vstupnímu dálkovému ovládání a stabilnímu zdroji stejnosměrného napětí. Vstupní impedance společného režimu je odpor mezi zkratovanými vstupními svorkami a zemí. Je charakterizována změnou průměrného vstupního proudu, když je na vstupy přiveden signál v součinném režimu, a je o několik řádů vyšší než R v diff.

6. Koeficient útlumu signálu souosého režimu K osl sf je definován jako poměr napětí souosého signálu přivedeného na oba vstupy k rozdílovému vstupnímu napětí, který také způsobuje hodnotu výstupního napětí. Koeficient útlumu ukazuje, kolikrát je zesílení diferenciálního signálu větší než zesílení vstupního signálu společného režimu a je 60-120 dB:

Se zvýšením koeficientu útlumu signálu v běžném režimu je přesnější rozlišit diferenciální vstupní signál na pozadí šumu v běžném režimu, čím lepší je kvalita operačního zesilovače. Měření se provádějí v nízkofrekvenčním rozsahu.

7. Výstupní odpor Rout je určen poměrem přírůstku výstupního napětí k přírůstku aktivní složky výstupního proudu při dané hodnotě frekvence signálu a je několik set ohmů.

8. Teplotní drift předpětí se rovná poměru maximální změny předpětí k teplotní změně, která jej způsobila, a odhaduje se v μV / deg.

Tepelné odchylky v předpětí a vstupních proudech způsobují tepelné chyby v zařízeních operačních zesilovačů.

9. Koeficient vlivu nestability zdroje na výstupní napětí ukazuje změnu výstupního napětí při změně napájecího napětí o 1 V a odhaduje se v μV / V.

10. Maximální výstupní napětí Uout max je určeno mezní hodnotou výstupního napětí operačního zesilovače pro daný odpor zátěže a napětí vstupního signálu, což zajišťuje stabilní provoz operačního zesilovače a zkreslení nepřekračující specifikovanou hodnotu. hodnota. U out max 1-5 V pod napájecím napětím.

11. Maximální výstupní proud I out max je omezen přípustným kolektorovým proudem výstupního stupně operačního zesilovače.

12. Spotřeba energie - energie rozptýlená OS, když je zátěž vypnutá.

13. Kmitočet jednotkového zisku f 1 je kmitočet vstupního signálu, při kterém je zisk operačního zesilovače roven 1: |K(f 1)| =l. U integrovaných operačních zesilovačů má frekvence jednotkového zisku mezní hodnotu 1000 MHz. Výstupní napětí při této frekvenci je asi 30x nižší než u stejnosměrného proudu.

14. Mezní kmitočet f c OS - kmitočet, při kterém se faktor snižuje zesílení. Odhaduje šířku pásma operačního zesilovače a je v desítkách MHz.

15. Maximální rychlost přeběhu výstupního napětí V max je určena nejvyšší rychlostí změny výstupního napětí operačního zesilovače, když je na vstup přiveden obdélníkový impuls s amplitudou rovnou maximální hodnotě vstupního napětí. a leží v rozmezí 0,1-100 V / μs. Při vystavení maximálnímu vstupnímu napětí spadá výstupní stupeň operačního zesilovače do oblasti nasycení v obou polaritách. Tento parametr je určen pro širokopásmové a pulzní operační zesilovače a výsledkem jsou výstupní hrany s konečnou šířkou. V max charakterizuje výkon operačního zesilovače v režimu velkého signálu.

16. Doba ustálení výstupního napětí t yc t (doba přechodného útlumu) je doba potřebná k tomu, aby se zesilovač vrátil ze stavu výstupního nasycení do lineárního režimu.

Doba ustálení je doba, po kterou se po rázu vstupního napětí výstupní napětí liší od ustálené hodnoty o hodnotu dovolené relativní chyby dU out. Během doby ustavení se výstupní napětí operačního zesilovače, když je vystaveno obdélníkovému vstupnímu napětí, změní z úrovně 0,1 na úroveň 0,9 ustálené hodnoty.

17. Šumové napětí přiváděné na vstup je určeno efektivní hodnotou napětí na výstupu zesilovače s nulovým vstupním signálem a nulovým odporem zdroje signálu dělenou zesílením operačního zesilovače. Spektrální hustota šumu se odhaduje jako druhá odmocnina druhé mocniny sníženého šumového napětí dělená frekvenčním pásmem, ve kterém se provádí měření šumového napětí. Rozměr tohoto parametru. Ve specifikacích pro operační zesilovač je někdy nastaveno šumové číslo (dB), definované jako poměr sníženého šumového výkonu zesilovače pracujícího ze zdroje s vnitřním odporem Rg k aktivnímu odporu šumového výkonu.

kde U w - snížené šumové napětí při Rg =0;

4kTR r je spektrální hustota tepelného šumu rezistoru.

Požadavky na parametry OS závisí na funkcích, které plní. Je žádoucí ve všech praktických případech snížit chybovost prováděných operací, zvýšit spolehlivost, rychlost. Současné zlepšování všech parametrů klade protichůdné požadavky na obvod a jeho výrobu. To vše vysvětluje široká škála operačních zesilovačů, u kterých jsou optimalizovány pouze specifické parametry na úkor ostatních.

Takže v měřicím zařízení se používají přesné operační zesilovače, které mají velký zisk, velkou vstupní impedanci, nízké nulové předpětí a nízký šum. A vysokorychlostní operační zesilovače musí mít vysokou rychlost přeběhu, velkou šířku pásma a krátkou dobu ustálení výstupního napětí. Takové operační zesilovače našly uplatnění v pulzních a širokopásmových zesilovacích zařízeních a v analogově-digitálních konvertorových zařízeních.

K vytvoření komparátorů, které se používají k porovnání okamžitých hodnot dvou napětí, se používají vysokorychlostní operační zesilovače pracující ve spínacím režimu.