Operační zesilovač

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Schematická značka OZ

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

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

[editovat] Historie

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

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

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

[editovat] Ideální operační zesilovač

Výstupní napětí operačního zesilovače se vypočítá jako:

U_out = (U₊ - U_-) . G

kde

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

Ideální operační zesilovač má následující vlastnosti:

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

[editovat] Reálný operační zesilovač

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

Stejnosměrné parametry

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

Střídavé parametry

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

Nelinearity

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

Výkonové parametry

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

[editovat] Vnitřní zapojení

Vnitřní zapojení klasického operačního zesilovače 741

Operační zesilovač se zpravidla skládá z následujících bloků:

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

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