Zapojení s operačním zesilovačem
Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Tento článek popisuje základní zapojení s operačními zesilovači, nejčastěji používají v různých elektronických obvodech.
Zde uváděné vztahy pro výpočty týkající se těchto zapojení předpokládají, že se pracuje s ideálním operačním zesilovačem. V běžných situacích to stačí, ale pokud vlastnosti zpracovávaného signálu dosahují hraničních hodnot použitého operačního zesilovače, je třeba sáhnout po složitějších vztazích platných pro reálné operační zesilovače.
V běžných obvodech se hodnoty odporu rezistorů pohybují mezi jednotkami kiloohmů až jednotkami megaohmů. Hodnoty odporů pod tímto rozsahem znamenají vyšší proudové zatížení a zbytečný ztrátový výkon. S honotami nad tímto rozsahem je zase spojen vyšší šum a náchylnost obvodů na rušení.
Obsah |
[editovat] Invertující zesilovač
Invertující zesilovač je jedno z nejpoužívanějších zapojení. Na výstupu se objeví vstupní napětí vynásobené zápornou konstantou (tedy zinvertované). Velikost zesílení je daná poměrem odporů R2 a R1.
- (protože zesilovač se vždy snaží mezi vstupy udržet nulové napětí, tedy na vstupu je tzv. plovoucí zem)
[editovat] Neinvertující zesilovač
Neinvertující zesilovač zesiluje (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.
- (reálně odpovídá vstupní impedanci samotného operačního zesilovače, která je ovšem typicky velmi vysoká 1 MΩ až 10 TΩ)
[editovat] Sledovač napětí
Sledovač napětí ma 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.
Sledovač se používá právě pro oddělení vysokoimpedančního vstupu a nízkoimpedančního výstupu.
- (reálně odpovídá vstupní impedanci samotného operačního zesilovače, která je ovšem typicky velmi vysoká 1 MΩ až 10 TΩ)
[editovat] Komparátor
Komparátor porovnává 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.
[editovat] Schmittův klopný obvod
Schmittův klopný obvod je 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.
Pokud je na výstupu například kladné napětí, nedojde k překlopení schmittova obvodu při pouhém splnění podmínky jako u komparátoru, ale teprve až rozdíl obou napětí dosáhne prahové hodnoty .
Podobně pokud je nyní na výstupu záporné saturační napětí, může dojít ke zpětnému překlopení schmittova obvodu teprve až v momentě, kdy je o více než .
Oba tyto děje jsou znázorněny na obrázku hysterezního diagramu. Je z něj vidět, že schmittův klopný obvod se v mezích chová jako paměť minulého stavu.
Velikost hystereze se u schmittova klopného obvodu s operačním zesilovačem vypočítá podle vztahu:
[editovat] Integrační zesilovač
Integrační zesilovač provádí integraci (invertovaného) vstupního signálu podle času. Výstupní napětí se vypočítá podle vztahu:
- kde je počáteční napětí, které bylo na výstupu v čase
Integrační zesilovač se mimo jiné dá použít jako filtr, konkrétně dolní propusť.
[editovat] Derivační zesilovač
Derivační zesilovač provádí derivaci (invertovaného) vstupního signálu podle času. Výstupní napětí se vypočítá podle vztahu:
- kde a jsou funkcemi času.
Derivační zesilovač se mimo jiné dá použít jako filtr, konkrétně horní propusť.
[editovat] Sčítací zesilovač
Sčítací zesilovač sčítá napětí na jednotlivých vstupech, přičemž výsledek je invertovaný. V obecném případě platí pro výstupní napětí vztah:
Pokud jsou hodnoty odporů shodné, ale odpor je nezávislý, pak platí:
Jsou-li všechny odpory shodé, pak:
- Vstupní impedance jednotlivých vstupů jsou , protože ( je plovoucí zem).
[editovat] Další zapojení
Výše uvedená zapojení jsou pouze výběrem těch základních, které lze s operačními zesilovači realizovat. Existuje nesčíslně mnoho dalších zapojení. Některá z nich si vystačí s jediným operačním zesilovačem, ale řada z nich jich vyžaduje více. Některá z dalších zapojení:
-
- Přístrojový zesilovač
- Rozdílový zesilovač
- Logaritmický zesilovač
- Exponenciální zesilovač
- Přesný usměrňovač
- Detektor špiček
- Detektor průchodu nulou
- Indukční gyrátor
- Konvertor záporné impedance
- Různé typy oscilátorů
- Různé typy filtrů