Zakladné pojmy a vlastnosti OZ.

 

Operačný zosilňovač (OZ) je v podstate diferenciálny jednosmerný aj striedavý zosilňovač s veľkým zosilnením. Má dva vstupy a jeden výstup. Invertujúci vstup otáča fázu o 180°. Neinvertujúci vstup má vstupné napätie vo fáze s výstupom.

Schématická značka: 1 – invertujúci vstup 2 – neinvertujúci vstup 3 – výstup

Ideálny operačný zosilňovač spĺňa tieto podmienky:

- napäťové a prúdové zosilnenie je nekonečné

- vstupná impedancia je nekonečná

- nekonečný frekvenčný rozsah

- výtupný odpor je nulový

Skutočné operačné zosilňovače sa k tomuto ideálu viac, alebo menej približujú. Chyby, ktoré pri idealizácii vznikajú sú pre väčšie aplikácie zanedbateľné.

 

Skutočný operačný zosilňovač musí spĺňať tieto podmienky:

- musí byť schopný prepúšťať celé frekvenčné pásmo

- musí mať malé dlhodobé zmeny kolísania nuly a malé rušivé vplyvy, tieto nežiadúce zmeny označujeme ako drift

- zosilnenie je veľmi veľké, chyba vzniknutá konečným zosilnením musí byť malá  

- zosilnenie musí obracať fázu všetkých vstupných signálov, aby bolo možné zaviesť zápornú spätnú väzbu

- aby bolo možné realizovať vzájomné prepojenie jednotlivých operačných zosilňovačov, pri realizácii počítacej siete, musí vstupné R byť veľmi veľké a výstupné R veľmi malé

- operačné zosilňovače nesmú počas prevádzky meniť svoje parametre

 

Charakteristickou vlastnosťou OZ je jeho veľká citlivosť na rozdiel vstupných napätí a necitlivosť k absolútnej hodnote týchto napätí.

Ofset a drift:

Napäťovú nesymetriu vstupov, vstupné kľudové prúdy a prúdovú nesymetriu nazývame offset operačného zosilňovača. Teplotnú nestálosť offsetu označujeme ako drift operačného zosilňovača.

Označenie v katalógu:  

dU10 – tepelný drift napäťovej nesymetrie vstupov U10 (V/K).

DU10 – tepelný drift prúdovej nesymetrie vstupov I10 (pA/K).

 

Napäťové zosilnenie naprázdno:.

Je napäťové zosilnenie pri otvorenej slučke spätnej väzby – odpojený R0.

 

Maximálne napájacie napätie:

Napájanie operačného zosilňovača je symetrické.

 

Frekvenčné vlastnosti:

Frekvenčnými kompenzáciami je treba dosiahnuť taký tvar frekvenčnej charakteristiky, aby pre dané výsledné zosilnenie bolo stabilné. Väčšina OZ ako napríklad MAA 741, alebo MAA 1458 sú vnútorne kmitočtovo kompenzované, t.j. sú stabilné pre akúkoľvek spätnú väzbu. Niektoré iné operačné zosilňovače, napríklad MAA 748, je nutné kompenzovať vonkajšími prvkami R,C. Aby bola zaistená stabilita výstupného zapojenia musíme postupovať podľa doporučenia výrobcu. U zosilňovačov s vonkajšou frekvenčnou kompenzáciou môžeme dosiahnuť pre konkrétne zapojenie lepšie frekvenčné vlastnosti.

Parametre OZ.

 

Napäťová nesymetria vstupov:

Je napätie, ktoré sa musí priviesť medzi vstupy, aby bolo výstupné napätie nulové.

Zapojenie na kompenzáciu napäťovej nesymetrie vstupov:

Niektoré typy operačných zosilňovačov majú vyvedené vývody pomocou ktorých sa dá priamo robiť kompenzácia napäťovej nesymetrie vstupov, napríklad MAA 741 má na to určené vývody 1 a 6.

Prúdová nesymetria vstupov:

Je rozdiel vstupných prúdov, ak je U_vst = 0. Zapojenie pre kompenzáciu prúdovej nesymetrie vstupov je rovnaké, ako pre napäťovú nesymetriu vstupov.

 

Vstupný prúd – I_ib:

Je stredná hodnota jednosmerných prúdov prechádzajúcich, medzi vstupnými svorkami a zemou pri nulovom vstupnom signálu. Robí sa kompenzácia nasledujúcim spôsobom:

Invertujúci operačný zosilňovač.

 

Vstupný odpor invertujúceho napäťového zosilňovača je daný veľkosťou odporu R+. Obecný invertor : celé predchádzajúce zapojenie je možné ďalej zovšeobecniť. Odpory R0 a R1 sa dajú nahradiť ľubovoľnými impedanciami Z0 a Z1. Tie môžu byť tvorené kombináciou pasívnych, alebo aktívnych prvkov. Ideálna operačná rovnica obecného invertora je

 

Prúdovo napäťový prevodník, sumátor, integrátor, derivátor.

Prúdovo napäťový prevodník:

Vstupné napätie je priamo úmerné vstupnému prúdu I1. Konštanta úmernosti je určená veľkosťou spätnoväzobného R0. Výstupný odpor tohto zapojenia je rovný nule.

Sumátor:

U0 = -U2 (U1 / R1 + U2 / R2 + ... +Un / Rn)

Výstupné napätie U0 tvorí záporný súčet vstupných napätí vynásobených príslušnými váhami danými pomerom spätnoväzobného a vstupného odporu. Odpory R1 a r0 sú tzv. sčítacie odpory.

 

Integrátor:

Integrátor je čítací blok v čase t. násobí vstupné napätie konštantou a túto veličinu integruje, pričom obracia znamienko.

 

Derivátor:

U0(t) = R . C . (dU1(t) / dt)

Derivátor realizuje hornopriepustný filter.

 

Neinvertujúci zosilňovač, napäťový sledovač.

Neinvertujúci zosilňovač:

Au = (R1 + R2) / R1

 

Napäťový sledovač:

Au = 1 => U1 = U2 Rvst sa blíži k nekonečnu Rvýst sa blíži k 0

Komparátor.

Komparátor - zosilňovač odchýlky. Je to diferenciálny zosilňovač s otvorenou spätnoväzobnou slučkou, ktorý má veľmi veľké zosilnenie. Je veľmi citlivý a náchylný na oscilácie, preto sa niekedy používa zapojenie so spätnoväzobným odporom. Používa sa ako veľmi citlivý regulátor odchýlky v regulačných sústavách a napájacích zdrojoch. Porovnáva napätie signálového vstupu a referenčné napätie.

Aplikácie v automatizácii.

 

Operačné zosilňovače používame:

- v procesoch operačných sieti na vykonávanie základných matematických operácii

- v meracej technike pre priame meranie základných elektrických veličín, úpravu meraných hodnôt a pre     generovanie rôznych tvarových signálov

- v regulačných obvodoch, vyskytuje sa tu v meracích a v korekčných výkonových členoch