MiniElektrikář 19. - Operační zesilovače

1. Základní parametry

Operační zesilovač (zkratka OZ) je univerzální stejnosměrný zesilovací analogový elektronický obvod, jenž je základním prvkem analogových elektronických systémů. Operační zesilovač je často v praxi pro výpočty nahrazován ideálním operačním zesilovačem.

2. Vlastnosti

• Zesílení rozdílového signálu
• Zesílení souhlasného signálu

Stejnosměrné parametry

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

Střídavé parametry

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

Nelinearity

• Saturace - výstupní napětí je omezené (zpravidla dosahuje hodnot blížících se napájecímu napětí)
• Rychlost přeběhu SR (Slew Rate) V/s - rychlost změny výstupního napětí není nekonečná. Zpravidla je omezena vnitřními kapacitami obvodu. Je to reakce výstupu na změnu vstupu.
•  Nelineární přenosová funkce - výstupní napětí není přesně lineárně závislé na vstupním

Výkonové parametry

• Omezený výstupní výkon - běžné operační zesilovače dávají pouze velmi malý výstupní výkon. Konstruují se ovšem i speciální OZ s vyšším výkonem použitelné například jako koncové stupně menších audiozesilovačů
• Omezený výstupní proud - maximální výstupní proud běžných OZ dosahuje obvykle řádově hodnot kolem 20 mA, starší typy vyžadovaly na výstupu ochranný rezistor proti přetížení

3. Druhy zapojení  

• Invertující zesilovačje jedno z nejpoužívanějších zapojení. Na výstupu se objeví vstupní napětí vynásobené zápornou konstantou (tedy zinvertované). Velikost zesílení je daná poměrem odporů R_f a R_in. Ovšem pozor - tento vzorec platí jen tehdy, je-li zdrojem signálu obvod s nulovým vnitřním odporem (tedy obvod, chovající se jako ideální zdroj napětí).
  
  
• Neinvertující zesilovačzesiluje (násobí konstantou vždy větší než 1) vstupní napětí. Oproti Invertujícímu zesilovači, který má vstupní impedanci danou velikostí odporu R1, se u tohoto zapojení vstupní impedance blíží nekonečnu a nezávisí na hodnotách odporů R1 a R2.
• Sledovač napětíImpedančně přizpůsobíme velkou impedanci k malé, má na výstupu napětí rovné vstupnímu. Vstup má ovšem, podobně jako u neinvertujícího zesilovače, impedanci blížící se nekonečnu. Výstupní impedance je daná vlastnostmi použitého operačního zesilovače a je velmi nízká.
• Komparátorporovnává napětí přivedená na vstupy + a -. Pokud je vyšší napětí na vstupu +, je na výstupu kladné saturační napětí operačního zesilovače, je li vyšší napětí na vstupu -, je na výstupu záporné saturační napětí operačního zesilovače. U normálních operačních zesilovačů je saturační napětí výstupu řádově o jeden nebo několik voltů nižší než napětí napájecí. Speciální tzv. rail-to-rail operační zesilovače jsou ovšem konstruovány tak, aby výstupní napětí mohlo dosahovat téměř hodnot napětí napájecího.

• Schmittův klopný obvodje speciální komparátor, který má hysterezi. To znamená, že jeho výstup je závislý nejen na hodnotě vstupu, ale i na jeho původním stavu.
  Podobně jako obyčejný komparátor s operačním zesilovačem, i schmittův klopný obvod dosahuje na výstupu kladného nebo záporného saturačního napětí.

• Integrační zesilovačprovádí integraci (invertovaného) vstupního signálu podle času.
• Derivační zesilovačprovádí derivaci (invertovaného) vstupního signálu podle času.
• Sčítací zesilovačSčítací zesilovač sčítá napětí na jednotlivých vstupech, přičemž výsledek je invertovaný
• Přístrojový zesilovač
  je rozdílový zesilovač s uzavřenou smyčkou zpětné vazby, který zesiluje rozdíl vstupních napětí a potlačuje souhlasné napětí přivedené na jeho vstupy. Má velmi malou vstupní nesymetrii, vysoký činitel potlačení souhlasných signálů, velký vstupní odpor.

Další zapojení:

• rozdílový zesilovač
• logaritmický zesilovač
• exponenciální zesilovač
• přesný usměrňovač
• detektor špiček
• detektor průchodu nulou
• indukční gyrátor
• konvertor záporné impedance
• různé typy oscilátorů
• různé typy filtrů

 4. Využití

• Neinvertující a invertující zesilovač: Předzesilovač pro hudební přístroje
• Diferenční (rozdílový) zesilovač: mikrofonní předzesilovač se symetrickým vstupem
• Komparátor: zesilovače, mixážní vstupy
• Schmittův klopný obvod: indikace přehřátí chladiče
• Integrátor a komparátor: kombinací komparátoru a integrátoru lze vytvořit velmi jednoduchý generátor funkcí, který je schopen kmitat ve velmi širokém rozsahu frekvencí (0,1 Hz až 1 Hz)