OPERAČNÉ  ZOSILŇOVAČE

  Operačný zosilňovač ( OZ ) je v podstate rozdielový zosilňovač s veľmi vysokým zosilnením pre jednosmerné aj striedavé signály realizovaný v integrovanej forme. Jeho funkčne vlastnosti možno meniť príslušnou spätnou väzbou. Základom jeho vnútornej štruktúry je hore spomínaný diferenciálny ( mostíkový ) jednosmerný zosilňovač. Prvý OZ s elektrónkami realizoval v roku 1948 G. A. Philbrick. Názov obvodu pochádza z jeho prvotného historického určenia. Mal to byť obvod vykonávajúci základné matematické operácie ( súčet, rozdiel, súčin, umocňovanie, integrovanie atď. ) v analógových počítačoch. Ide o univerzálny obvod s takmer neohraničenými možnosťami použitia.

  Veľmi veľké zosilnenie operačného zosilňovača sa dosahuje viacstupňovou štruktúrou, pričom možnosť zosilňovania jednosmerného signálu je zabezpečená použitím jednosmernej medzistupňovej väzby. Obvody spätnej väzby sa pripájajú zvonku integrovaného obvodu. Vzhľadom na veľmi veľké zosilnenie AUo operačného zosilňovača, výsledné napäťové zosilnenie je určené výhradne veľkosťou prvkov tvoriacich spätnú väzbu.   Pre ilustráciu vnútornej štruktúry je na obrázku nakreslená schéma zosilňovača mA 741, jedného z najrozšírenejších operačných zosilňovačov.

Vnútorné zapojenie MAA 741
Schéma zapojenia zosilňovača mA 741

  Schématická značka operačného zosilňovača je na nasledujúcom obrázku a vedľa sú vymenované základné vlastnosti charakterizujúce ideálny a reálny operačný zosilňovač.

Schématická značka OZ IDEÁLNY REÁLNY  
vstupný odpor RVST Ą 106 ÷ 108 [W]
výstupný odpor RVÝST 0 101 ÷ 102 [W]
napäťové zosilnenie naprázdno AUo Ą 104 ÷ 106 [-]
vstupné diferenčné napätie Ud 0 0,1 ÷ 0,2 [mV]

  Vlastnosti reálnych operačných zosilňovačov definuje asi 25 ďalších parametrov. Vo väčšine prípadov stačí poznať asi 12 základných parametrov:
- napäťové zosilnenie naprázdno AUo. Je to zosilnenie pri otvorenej slučke spätnej väzby.
- vstupný a výstupný odpor Rvst, Rvýst
- vstupné napätie uvst  potrebné na vybudenie menovitého výstupného napätia
- maximálny rozkmit výstupného napätia
- kľudový prúd Io, ktorý odoberá operačný zosilňovač z napájacieho zdroja v režime bez vybudenia vstupným signálom
- maximálne napájacie napätie + UCC, - UEE
- frekvenčný rozsah, šírka prenášaného pásma, v ktorom AUo poklesne o 3 dB vzhľadom na hodnotu pri referenčnej frekvencii fo. Často sa určuje aj hodnota tranzitnej frekvencie fT, pri ktorej AU ( fT ) = 1
- prúdovú nesymetriu vstupov INsvt. Určuje sa ako rozdiel vstupných prúdov i- , i+ pri nulovom uvýst
- napäťová nesymetria vstupov UNvst. Určuje sa napätím na vstupe uvst, pri ktorom uvýst = 0 V
- činiteľ potlačenia súčtového signálu CMR, ktorý sa vyjadruje pomerom vstupného napäťového rozsahu uvst k maximálnej zmene napäťovej nesymetrie v tomto rozsahu pri otvorenej slučke spätnej väzby.
      [ dB, V, V ]
- citlivosť na zmenu napájacích napätí SVR, ktorá sa vyjadruje pomerom zmeny napäťovej nesymetrie vstupov DUNvst ku zmene napájacích napätí DUcc
      [ mV/V, mV, V]
- teplotný drift, ktorý sa vyjadruje veľkosťou napäťovej alebo prúdovej nesymetrie vstupov vplyvom teploty, t.j. DUNvst / Dt, prípadne DINvst / Dt.
- rýchlosť prebehu SR výstupného napätia, označovaná ako "slew rate". Ide o dôležitú dynamickú vlastnosť každého OZ. Udáva rýchlosť zmeny výstupného napätia pri veľkom vstupnom signále. Táto hodnota úzko súvisí s maximálnou frekvenciou prenosu fp a amplitúdou signálu Uo na výstupe OZ a je daná vzťahom:
Uvedené parametre platia pre určité predpísané pracovné podmienky operačného zosilňovača.

  Operačný zosilňovač môže mať vstup aj výstup symetrický alebo nesymetrický. Najčastejšie sa používa kombinácia symetrický vstup - nesymetrický výstup. Potom jeden zo symetrických vstupov, ktorý nespôsobuje otočenie fázy výstupného signálu voči vstupnému sa nazýva neinvertujúci, označujeme ho znamienkom + a druhý, ktorý spôsobuje otočenie fázy sa nazýva invertujúci, označujeme ho znamienkom -.

  Operačný zosilňovač má symetrické napájanie a to kladné + UCC a záporné - UEE. Jeho prevodová charakteristika je na obrázku.
Prevodová charakteristika OZ

  Charakteristické pre OZ, ako vidno z grafu, je existencia troch pracovných oblastí. Sú dve oblasti nasýtenia, kedy výstup nadobúda napäťovú úroveň rovnú približne kladnému alebo zápornému napájaciemu napätiu. Tieto pracovné oblasti sa využívajú v zapojeniach OZ vo funkcii komparátora. Tretia oblasť je oblasť lineárnej činnosti OZ, kedy OZ pracuje ako zosilňovač malých vstupných signálov ( rádovo mV až mV ) so zosilnením AUo.


ZÁKLADNÉ ZAPOJENIA S OPERAČNÝM ZOSILŇOVAČOM.


Invertujúci zosilňovač
Invertujúci zosilňovač Podmienky :
Ud = 0 V
 I1 = - I2
--------------------------
Potom:
I1 = U1 / R1   ;   I2 = U2 / R2


Neinvertujúci zosilňovač
Neinvertujúci zosilňovač Podmienky :
Ud = 0 V
 I1 = I2
--------------------------
Potom:
I1 = U1 / R1   ;   I2 = ( U2 - U1 ) / R2


Integračný zosilňovač
Integračný zosilňovač Podmienky :
Ud = 0 V
 I1 = - I2
--------------------------
Potom:
I1 = U1 / R1   ;   I2 = C.( du2 / dt )


Derivačný zosilňovač
Derivačný zosilňovač Podmienky :
Ud = 0 V
 I1 = - I2
--------------------------
Potom:
I1 = C.( du1 / dt )   ;   I2 = U2 / R


Rozdielový zosilňovač
Rozdielový zosilňovač Podmienky :
Ud = 0 V
 I1 = - I2   ;   I3 = I4
--------------------------
Potom:
    ( 1 ) ,         ( 2 )


Z rovnice ( 1) a ( 2 ) vyjadríme u3 a výrazy dáme do rovnosti:
teda :
po roznásobení :
u2.R4.( R1 + R2 ) = u1.R2.( R3 + R4 ) + u0.R1.( R3 + R4 )
po úprave :
u0.R1.( R3 + R4 ) = u2.R4.( R1 + R2 ) - u1.R2.( R3 + R4 )     ( 3 )
Z rovnice (3 ) už môžeme vyjadriť výstupné napätie u0 :
    ( 4 )
Ak položíme R1 = R3 a R2 = R4, potom pre výstupné napätie u0 dostaneme jednoduchý vzťah :
    ( 5 )


  Okrem týchto zapojení existuje nespočetné množstvo najrôznejších zapojení s OZ a to vo filtroch, komparátoroch, napäjacích zdrojoch, oscilátoroch, generátoroch a pod. S niektorými sa stretneme v nasledujúcich témach.
!!!   Použitie obsahu stránok alebo ich častí na "kvaziautorské" a komerčné účely je v rozpore s autorskými právami a je možné len so súhlasom autora   !!!

Spracoval :  Ing. Alexander Žatkovič
Prípadné pripomienky alebo otázky zasielajte na adresu