Operační zesilovač

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 14. března 2020; kontroly vyžadují 9 úprav .

Operační zesilovač ( op - amp ; anglicky operační zesilovač, OpAmp ) je stejnosměrný zesilovač s diferenciálním vstupem a zpravidla jediným výstupem, s vysokým ziskem . Operační zesilovače se téměř vždy používají v obvodech s hlubokou negativní zpětnou vazbou , která díky vysokému zesílení operačního zesilovače zcela určuje zisk / přenos výsledného obvodu.

V současné době jsou široce používány operační zesilovače, a to jak ve formě samostatných čipů, tak ve formě funkčních bloků jako součást složitějších integrovaných obvodů . Tato popularita je způsobena skutečností, že operační zesilovač je univerzální jednotka s vlastnostmi blízkými ideálu, na jejichž základě lze postavit mnoho různých elektronických součástek .

Historie

Operační zesilovač byl původně navržen k provádění matematických operací (odtud jeho název) pomocí napětí jako analogové hodnoty. Tento přístup je základem analogových počítačů , ve kterých byly operační zesilovače použity k modelování základních matematických operací ( sčítání , odčítání , integrace , derivace atd.). Ideální operační zesilovač je však multifunkční obvodové řešení, které má kromě matematických operací mnoho aplikací. Skutečné operační zesilovače založené na tranzistorech , elektronkách nebo jiných aktivních součástkách , vyrobené ve formě diskrétních nebo integrovaných obvodů , se přibližují těm ideálním.

První průmyslové lampové operační zesilovače ( 40. léta 20. století ) byly vyrobeny na dvojici dvojitých triod , a to i ve formě samostatných konstrukčních sestav v pouzdrech s osmičkovou základnou . V roce 1963 Robert Widlar (inženýr ve Fairchild Semiconductor ) navrhl první integrovaný obvodový operační zesilovač, integrovaný operační zesilovač. Tento operační zesilovač se stal μA702. Za cenu 300 dolarů bylo zařízení, které obsahovalo 9 tranzistorů , používáno pouze ve vojenské elektronice. První veřejně dostupný integrovaný operační zesilovač, μA709, rovněž navržený Widlarem, byl uveden na trh v roce 1965 . Krátce po vydání klesla jeho cena pod 10 dolarů, což bylo pro domácí použití stále příliš drahé, ale pro masovou průmyslovou automatizaci a další civilní aplikace docela dostupné.

V roce 1967 National Semiconductor , kam Widlar přešel do práce, vydal integrovaný operační zesilovač LM101 a v roce 1968 Fairchild vydal operační zesilovač, téměř identický s μA741 – první operační zesilovač s vestavěnou frekvenční korekcí. Operační zesilovač LM101/μA741 byl stabilnější a snáze se používal než jeho předchůdci. Řada výrobců stále vyrábí verze tohoto klasického čipu (v modelových indexech je poznáte podle čísla „741“). Později byly operační zesilovače vyvíjeny i na jiné elementové bázi - na tranzistorech s efektem pole s pn přechodem (konec 70. let) a s izolovaným hradlem (začátek 80. let), což umožnilo výrazně zlepšit řadu charakteristik. Mnoho modernějších operačních zesilovačů lze nainstalovat do obvodů určených pro 741 bez jakýchkoli úprav a výkon obvodu se bude jen zlepšovat.

Použití operačních zesilovačů v elektronice je extrémně široké. Operační zesilovač je pravděpodobně nejběžnějším prvkem v analogových obvodech. Přidání pouze několika vnějších komponentů dělá z operačního zesilovače konkrétní obvod pro zpracování analogového signálu . Mnoho standardních operačních zesilovačů stojí pouze několik centů ve velkém množství ( 1000 kusů ), ale vlastní zesilovače (integrované nebo diskrétní) mohou stát 100 $ nebo více.

Notace

Na obrázku je schematicky znázorněn operační zesilovač. Závěry mají následující význam:

$V_{\mathrm {+} }$ - neinvertující vstup;
V - - invertující vstup;
V out - výstup;
V S + - plus zdroje energie (může být také označováno jako , nebo ); $V_{\mathrm {DD} }$ $V_{\mathrm {CC} }$ $V_{\mathrm {CC+} }$
V S− - mínus napájecí zdroj (lze také označit jako , nebo ). $V_{\mathrm {SS} }$ $V_{\mathrm {EE} }$ $V_{\mathrm {CC-} }$

Těchto pět závěrů je přítomno v každém OS a jsou nezbytné pro jeho fungování. Existují však operační zesilovače, které neinvertující vstup nemají [1] . Takové operační zesilovače se používají zejména v analogových počítačích (ACM) .

Operační zesilovače používané v AVM jsou obvykle rozděleny do pěti tříd, z nichž operační zesilovače první a druhé třídy mají pouze jeden vstup.

Prvotřídní operační zesilovače jsou vysoce přesné zesilovače (UHT) s jedním vstupem. Navrženo tak, aby fungovalo jako součást integrátorů , sčítaček , sledovacích a úložných zařízení. Vysoký zisk, extrémně nízké hodnoty nulového offsetu, vstupního proudu a nulového driftu, vysoká rychlost snižují chybu vnesenou zesilovačem pod 0,01 %.

Operační zesilovače druhé třídy jsou středně přesné zesilovače (MAP), které mají jeden vstup, mají nižší zisk a velké hodnoty offsetu a nulového driftu. Tyto operační zesilovače jsou určeny pro použití jako součást elektronických zařízení pro nastavování koeficientů, měničů, elektronických spínačů, ve funkčních měničích, v násobicích zařízeních.

Některé operační zesilovače mohou mít navíc další výstupy, například pro nastavení klidového proudu, frekvenční korekci, vyvážení nebo jiné funkce.

Napájecí kolíky ( V S+ a V S− ) mohou být označeny odlišně ( viz napájecí kolíky integrovaného obvodu ). Často nejsou na obvodu nakresleny napájecí piny, aby nebyl zaneřáděn nepodstatnými detaily, přičemž způsob zapojení těchto pinů není výslovně naznačen ani považován za zřejmý (to se stává zvláště často při zobrazení jednoho zesilovače z mikroobvodu se čtyřmi zesilovači s společné napájecí kolíky). Při určování operačního zesilovače na schématech můžete zaměnit invertující a neinvertující vstupy, pokud je to vhodné. Napájecí piny jsou obvykle umístěny vždy jedním způsobem (kladný nahoře).

Základy provozu

Jídlo

Obecně operační zesilovač používá bipolární napájení , to znamená, že napájecí zdroj má tři výstupy s následujícími potenciály:

U + , ke kterému je připojeno V S+ ;
0 (nulový potenciál);
U - ke kterému je připojen V S- .

Výstup napájecího zdroje s nulovým potenciálem není obvykle připojen přímo k operačnímu zesilovači, ale zpravidla je signálovou zemí a používá se k vytváření zpětné vazby . Často se místo bipolární používá jednodušší unipolární a společný bod je vytvořen uměle nebo kombinovaný s negativní napájecí kolejnicí.

Operační zesilovače jsou schopny pracovat v širokém rozsahu napájecích napětí, typická hodnota pro univerzální operační zesilovače je od ± 1,5 V [2] do ± 15 V s bipolárním napájením (tj. U + \u003d 1,5 ... 15 V, U - \u003d -15 ...-1,5 V, je povoleno výrazné zkreslení).

Nejjednodušší zahrnutí operačního zesilovače

Zvažte provoz operačního zesilovače jako samostatného diferenciálního zesilovače, to znamená bez zahrnutí jakýchkoliv externích součástí. V tomto případě se operační zesilovač chová jako konvenční zesilovač s diferenciálním vstupem, to znamená, že chování operačního zesilovače je popsáno následovně:

V_{\mathrm {out} }=(V_{+}-V_{-})\cdot G_{\mathrm {openloop} },

(jeden)

kde

V out - výstupní napětí;
V + - napětí na neinvertujícím vstupu;
V - napětí na invertujícím vstupu;
G openloop - zisk otevřené smyčky, tedy vlastní zisk operačního zesilovače, bez zpětné vazby.

Všechna napětí jsou uvažována vzhledem ke společnému bodu obvodu. Uvažovaný způsob zapínání operačního systému (bez zpětné vazby) se prakticky nepoužívá [3] kvůli jeho přirozeným vážným nevýhodám:

vlastní zisk je normalizován ve velmi širokém rozsahu a může se měnit tisíckrát (závisí především na frekvenci a teplotě signálu);
vlastní zisk je velmi vysoký (typická hodnota 10 6 u DC ) a nelze jej upravit;
referenční bod vstupního a výstupního napětí nelze upravit.

Ideální operační zesilovač

Aby bylo možné uvažovat o provozu operačního zesilovače v režimu zpětné vazby, je nejprve nutné představit koncept ideálního operačního zesilovače . Ideální operační zesilovač je fyzická abstrakce , to znamená, že nemůže ve skutečnosti existovat, může však výrazně zjednodušit úvahy o provozu obvodů na operačním zesilovači pomocí jednoduchých matematických modelů.

Ideální operační zesilovač je popsán vzorcem (1) a má následující vlastnosti:

nekonečně velký vnitřní zisk [4] ;
nekonečně velký vstupní odpor vstupů V - a V + , to znamená, že proud protékající těmito vstupy je nulový;
nulová výstupní impedance výstupu operačního zesilovače;
možnost nastavit výstup na libovolnou hodnotu napětí;
nekonečně vysoká rychlost nárůstu napětí na výstupu operačního zesilovače;
šířku pásma od DC do nekonečna.

Body 5 a 6 ve skutečnosti vyplývají ze vzorce (1), protože nezahrnuje časová zpoždění a fázové posuny. Ze vzorce (1) vyplývá, že pro udržení požadovaného napětí na výstupu je nutné zachovat následující rozdíl vstupního napětí:

$V_{+}-V_{-}={\frac {V_{\mathrm {out} }}{G_{\mathrm {openloop} }}}$

Protože vnitřní zisk ideálního operačního zesilovače je nekonečně velký, má rozdíl vstupního napětí tendenci k nule. To implikuje nejdůležitější vlastnost ideálního operačního zesilovače, což zjednodušuje úvahy o obvodech, které jej používají:

Ideální operační zesilovač pokrytý negativní zpětnou vazbou udržuje stejné napětí na svých vstupech [5] [6]

Jinými slovy, za těchto podmínek vždy platí rovnost:

V_{+}-V_{-}=0

(2)

Neměli byste si myslet, že operační zesilovač vyrovnává napětí na svých vstupech přiváděním napětí na vstupy "zevnitř". Ve skutečnosti operační zesilovač nastaví výstup na napětí, které prostřednictvím zpětné vazby bude působit na vstupy takovým způsobem, že rozdíl vstupního napětí klesne na nulu.

Je snadné ověřit platnost rovnosti (2). Předpokládejme, že je porušen (2) - existuje malý rozdíl napětí. Pak by vstupní diferenciální napětí, zesílené v operačním zesilovači, způsobilo (díky nekonečnému zesílení) nekonečně velké výstupní napětí, které by v souladu s definicí FOS dále zmenšovalo rozdíl vstupních napětí. A tak dále, dokud není splněna rovnost (2). Všimněte si, že výstupní napětí může být jakékoli - je určeno typem zpětné vazby a vstupním napětím.

Nejjednodušší zpětnovazební obvody

Z uvážení principu činnosti ideálního operačního zesilovače vyplývá velmi jednoduchá technika pro navrhování obvodů:

Nechť je třeba postavit obvod na operačním zesilovači s požadovanými vlastnostmi. Požadované vlastnosti spočívají především ve stanoveném stavu výstupu (výstupní napětí, výstupní proud atd.), který může záviset na nějaké vstupní akci. Chcete-li vytvořit obvod, musíte k operačnímu zesilovači připojit takovou zpětnou vazbu, aby při požadovaném výstupním stavu byla napětí na vstupech operačního zesilovače (invertující a neinvertující) stejná a zpětná vazba by být negativní.

Požadovaným stavem soustavy tedy bude stabilní rovnovážný stav a soustava se v něm bude nacházet neomezeně dlouho [7] . Pomocí tohoto zjednodušeného přístupu není obtížné získat nejjednodušší neinvertující obvod zesilovače.

Zesilovač musí mít výstupní napětí, které se jednou liší od vstupního, tj . V souladu s výše uvedenou metodikou přivedeme samotný vstupní signál na neinvertující vstup operačního zesilovače a část výstupního signálu z odporového děliče na invertující vstup . $K$ $U_{out}=U_{in}\cdot K$

Výpočet reálného zesílení pro ideální (nebo skutečný, ale s určitými předpoklady za ideální) zesilovač je velmi jednoduchý. Všimněte si, že v případě, kdy je zesilovač v rovnovážném stavu, lze napětí na jeho vstupech považovat za stejná. Z toho vyplývá, že úbytek napětí na rezistoru je a na celém děliči s odporem klesá . Všimněte si, že protože vstupní impedance operačního zesilovače je velmi vysoká, lze proud tekoucí do invertujícího (-) vstupu zesilovače zanedbat a lze předpokládat, že proud tekoucí přes dělicí odpory je stejný. Proud skrz je stejný a skrz celý dělič . $R_{1}$ $V_{in}$ $R_{1}+R_{2}$ $V_{out}$ $R_{1}$ $I_{R_{1}}={\frac {V_{in}}{R_{1}}}$ $I_{R_{1}+R_{2}}={\frac {V_{out}}{R_{1}+R_{2}}}$

Takto:

$I_{R_{1}}=I_{R_{1}+R_{2}}$

Kde:

${\frac {V_{in}}{R_{1}}}={\frac {V_{out}}{R_{1}+R_{2}}}$

$V_{out}=V_{in}\cdot {\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}=V_{in}\cdot \left(1+{\frac {R_{ 2}}{R_{1}}}}\vpravo)$

Můžete se hádat o něco snadněji a okamžitě si toho všimnete . ${\frac {V_{out}}{V_{in}}}={\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}$

Je třeba poznamenat, že v neinvertujícím spínacím obvodu je napěťový zisk vždy větší nebo roven 1, bez ohledu na hodnoty použitých odporů. Pokud je odpor nulový, dostaneme neinvertující sledovač napětí s napěťovým ziskem 1. $R_{2}$

A od té doby:

$\forall n\in \mathbb {R} ^{+}\lim _{n\to \infty }{\frac {0}{n}}=0$ ,

pak lze odpor jednoduše odstranit, přičemž se rovná nekonečnu. $R_{1}$

Přenosový koeficient zesilovače postaveného na operačním zesilovači s dostatečně velkým zesílením tedy prakticky závisí pouze na parametrech zpětné vazby. Tato užitečná funkce umožňuje navrhovat systémy s velmi stabilními zisky, jako jsou ty potřebné při měření a zpracování signálu.

Pro operační zesilovač zapojený podle invertujícího obvodu není výpočet za provedených předpokladů rovněž obtížný. K tomu je třeba poznamenat, že napětí ve středu děliče, konkrétně na invertujícím vstupu (-) zesilovače, je 0 (tzv. virtuální zem). Pokles napětí na rezistorech se tedy rovná vstupnímu a výstupnímu napětí. Proud přes odpory lze také předpokládat, že je stejný, protože přes invertující vstup (-) prakticky žádný proud neprotéká, jak je uvedeno výše.

Odtud:

${\frac {V_{in}}{R_{in}}}=-{\frac {V_{out}}{R_{f}}}$

$V_{out}=-V_{in}\cdot {\frac {R_{f}}{R_{in}}}$

Je třeba poznamenat, že v invertujícím spínacím obvodu může být zesílení větší nebo menší než jedna a závisí na hodnotách dělicích odporů. To znamená, že zesilovač lze použít jako aktivní atenuátor (atenuátor) vstupního napětí. Výhodou tohoto řešení oproti pasivnímu atenuátoru je, že z hlediska zdroje signálu vypadá atenuátor jako běžný zatěžovací rezistor zapojený mezi signál a zem (v tomto případě tzv. „virtuální“), že je to normální odporová zátěž (samozřejmě bez zohlednění parazitních kapacit a indukčností). To značně zjednodušuje výpočet vlivu zátěže na zdroj signálu a jejich vzájemné přizpůsobení.

Rozdíly mezi skutečnými a ideálními operačními zesilovači

Parametry operačního zesilovače, které charakterizují jeho nedokonalost, lze rozdělit do skupin:

DC parametry

Omezený zisk : Faktor otevřené smyčky G není nekonečný (typicky 10 5 ÷ 10 6 DC). Tento efekt je patrný pouze v případech, kdy se zesílení kaskády s operačním zesilovačem nepatrně liší od parametru G openloop (zesílení kaskády se liší od G openloop o 1–2 řády nebo i méně) .
Nenulový vstupní proud (nebo téměř stejný, omezený vstupní odpor ): typické hodnoty vstupního proudu jsou 10 -9 ÷ 10 -12 A. To omezuje maximální hodnotu odporu v obvodu zpětné vazby, a také na možnosti přizpůsobení napětí se zdrojem signálu. Některé operační zesilovače mají na vstupu další obvody pro ochranu vstupu před nadměrným napětím – tyto obvody mohou výrazně zhoršit vstupní impedanci. Proto se některé operační zesilovače vyrábějí v chráněné a nechráněné verzi.
Nenulová výstupní impedance . Toto omezení nemá velký význam při nízkých frekvencích nebo s malou zatěžovací kapacitou, protože přítomnost zpětné vazby účinně snižuje výstupní impedanci stupně na operačním zesilovači (téměř na libovolně malé hodnoty).
Nenulové předpětí : požadavek na rovnost vstupních napětí v aktivním stavu pro skutečné operační zesilovače není zcela přesný - operační zesilovač se snaží mezi svými vstupy udržovat ne přesně nulové napětí, ale určité malé napětí ( předpětí ) . Jinými slovy, skutečný operační zesilovač se chová jako ideální operační zesilovač, který má generátor napětí s EMF U cm zapojený do série s jedním ze vstupů . Předpětí je velmi důležitý parametr, omezuje přesnost operačního zesilovače např. při porovnávání dvou napětí. Typické hodnoty U cm jsou 10 -3 ÷ 10 -6 V. Během provozu obvodu v závislosti na vnějších podmínkách, jako je teplota, napájecí napětí, provozní doba, dochází k nepředvídatelnému kolísání předpětí (v rámci daných limitů). v dokumentaci), včetně změny znaku. Kvůli čemu toto zkreslení nelze kompenzovat laděním nebo kalibrací nebo jakkoli zlepšit, kromě výběru přesnějšího operačního zesilovače.
Nenulový zisk v běžném režimu . Ideální operační zesilovač zesiluje pouze rozdíl ve vstupních napětích, přičemž na napětích samotných nezáleží. U skutečných operačních zesilovačů má hodnota vstupního souosého napětí určitý vliv na výstupní napětí. Tento efekt je určen parametrem CMRR ( Common -Mode Reception ratio ) , který ukazuje, kolikrát je přírůstek výstupního napětí menší než přírůstek napětí v běžném režimu na vstupu operačního zesilovače, který jej způsobil. Typické hodnoty: 10 4 ÷ 10 6 .

AC parametry

Omezená šířka pásma . Jakýkoli zesilovač má konečnou šířku pásma, ale faktor šířky pásma není u operačních zesilovačů nijak zvlášť významný, protože jsou vnitřně vyrovnány , aby se zvýšila fázová rezerva .
Nenulová vstupní kapacita . Tvoří parazitní horní propust .
Nenulové zpoždění signálu . Tento parametr, který nepřímo souvisí s omezením šířky pásma, může zhoršit výkon OOS s rostoucími provozními frekvencemi.
Nenulová doba zotavení po nasycení .

Nelineární efekty

Saturace - omezení rozsahu možných hodnot výstupního napětí. Normálně výstupní napětí nemůže překročit napájecí napětí. K saturaci dochází, když výstupní napětí "má být" větší než maximální nebo menší než minimální výstupní napětí. Operační zesilovač nemůže překročit meze a vyčnívající části výstupního signálu jsou "odříznuty" (tj. oříznuty).

V okamžicích saturace zesilovač nepracuje podle vzorce (1), což způsobuje poruchu v činnosti OOS a výskyt rozdílu napětí na jeho vstupech, což je obvykle známkou poruchy obvodu (a to je pro instalačního technika snadno zjistitelným příznakem problémů). Výjimkou je provoz operačního zesilovače v režimu komparátoru .

Omezená rychlost přeběhu . Výstupní napětí operačního zesilovače se nemůže změnit okamžitě. Rychlost změny výstupního napětí se měří ve voltech za mikrosekundu, typické hodnoty jsou 1÷100 V/µs. Parametr je určen dobou potřebnou k dobití vnitřních nádrží. Omezená rychlost přeběhu výstupního napětí vede ke vzniku zvláštního druhu dynamického zkreslení signálu v operačních zesilovačích. Důvodem jejich vzhledu je to, že v prvním okamžiku po přivedení napěťového skoku na vstup se negativní zpětná vazba operačního zesilovače ukáže jako otevřená a první stupeň operačního zesilovače vstoupí do saturačního režimu, čímž se obohatí signál s harmonickými a intermodulačními zkresleními.

Limity proudu a napětí

Omezené výstupní napětí . U žádného operačního zesilovače nemůže být výstupní potenciál vyšší než potenciál kladné napájecí lišty a nemůže být nižší než potenciál záporné napájecí lišty (pokud není žádná zátěž nebo je odporová a neobsahuje zdroj proudu ). Jinými slovy, výstupní napětí nemůže překročit napájecí napětí. Například pro operační zesilovač opa277 [1] Archivováno 10. července 2007 na Wayback Machine se výstupní napětí pohybuje od V S− +0,5 V do V S+ −2 V se zatěžovacím odporem 10 kΩ . Šířka těchto "mrtvých zón" výstupního napětí, které výstup operačního zesilovače nemůže dosáhnout, závisí na řadě podmínek (odpor zátěže, směr výstupního proudu atd.). Existují operační zesilovače, které mají minimální mrtvé zóny, např. 50 mV do napájecích kolejnic Wayback Machine26. ledna 2007 naArchivováno [2]opa340pro10 kΩpři
Omezený výstupní proud . Většina operačních zesilovačů pro všeobecné použití má vestavěnou nadproudovou ochranu, typicky maximální proud 25 mA . Ochrana zabraňuje přehřátí a selhání operačního zesilovače.

Omezený výstupní výkon . Většina operačních zesilovačů je navržena pro aplikace, které nejsou náročné na napájení: zátěžový odpor by neměl být menší než 2 kOhm .

Klasifikace OU

Podle typu základny prvku [8]

Podle rozsahu

Operační zesilovače vyráběné průmyslem jsou neustále zdokonalovány, parametry operačního zesilovače se blíží ideálu. Je však technicky nemožné nebo nepraktické zlepšit všechny parametry současně kvůli vysoké ceně výsledného čipu. Pro rozšíření nabídky operačních zesilovačů jsou vyráběny různé typy, z nichž každý vyniká jedním nebo více parametry a zbytek je na obvyklé úrovni (nebo ještě o něco horší). To je opodstatněné, protože v závislosti na rozsahu aplikace vyžaduje OS vysokou hodnotu jednoho nebo druhého parametru, ale ne všechny najednou. Z toho vyplývá klasifikace OU podle oblastí použití.

Průmyslový standard . Toto je název široce používaných, velmi levných operačních zesilovačů pro všeobecné použití s průměrnými charakteristikami. Příklad "klasických" operačních zesilovačů: s bipolárním vstupem - LM324 Archival copy z 24. listopadu 2006 na Wayback Machine , s polním vstupem - TL084 Archival copy ze dne 13. února 2009 na Wayback Machine .
Přesné operační zesilovače mají velmi nízké předpětí a používají se v přesných měřicích obvodech. Obvykle jsou operační zesilovače na bipolárních tranzistorech v tomto ukazateli poněkud lepší než na polních. Také přesné operační zesilovače vyžadují dlouhodobou stabilitu parametrů. Výjimečně malé offsety mají operační zesilovače stabilizované při přerušení . Příklady: AD707, AD708, s předpětím 30µV a nejnovější AD8551 Archivováno 11. října 2010 na Wayback Machine s typickým předpětím 1µV.
S malým vstupním proudem ( elektrometrickým ) OU. Všechny operační zesilovače, které mají na vstupu tranzistory s efektem pole, mají nízký vstupní proud. Ale mezi nimi jsou speciální operační zesilovače s extrémně nízkým vstupním proudem. Aby bylo možné plně realizovat jejich výhody, je při návrhu zařízení s jejich využitím dokonce nutné počítat s únikem proudu podél desky plošných spojů. Příklad: AD549 Archivováno 28. ledna 2007 na Wayback Machine se vstupním proudem 6⋅10 −14 A.
Mikrovýkonové a programovatelné operační zesilovače spotřebovávají malý proud pro své vlastní napájení. Takové operační zesilovače nemohou být rychlé, protože nízká spotřeba proudu a vysoká rychlost se vzájemně vylučují. Operační zesilovače se nazývají programovatelné, u kterých lze všechny vnitřní klidové proudy nastavit pomocí externího proudu přiváděného na speciální výstup operačního zesilovače.
Výkonné ( vysokoproudé ) operační zesilovače mohou dodat velký proud do zátěže, to znamená, že přípustný odpor zátěže je menší než standardní 2 kOhm a může být až 50 Ohm .
Nízkonapěťové operační zesilovače jsou provozuschopné při napájecím napětí 3 V a ještě nižším. Zpravidla mají vývod rail-to-rail .
vysokonapěťové operační zesilovače. Všechna napětí pro ně (napájení, vstup v běžném režimu, maximální výstup) jsou mnohem vyšší než u operačních zesilovačů pro všeobecné použití.
Rychlé operační zesilovače mají vysokou rychlost přeběhu a jednotnou frekvenci zesílení. Takové operační zesilovače nemohou být mikrovýkonové a zpravidla se vyrábějí na bipolárních tranzistorech.
Nízkošumové operační zesilovače.
Zvuk OS. Mají nejnižší možný harmonický obsah ( THD ). Příklady: LM4562 (THD 0,00003 %), OPA2132 (THD 0,00008 %), LME49600 (THD 0,00003 %), AD797 (THD 0,0001 %) atd.
Pro jednorázovou dodávku . Operační zesilovače CMOS poskytují výstupní napětí, které je téměř stejné jako napájecí napětí (rail-to-rail, R2R), bipolární operační zesilovače poskytují asi o 1,2 V méně, což je významné při nízkých hodnotách Ucc.
Rozdílové operační zesilovače (anglicky Difference Amplifier , nezaměňovat s diferenciálním zesilovačem ). Mají vynikající poměr potlačení napětí v běžném režimu ( CMRR ). Měří nízká napětí na pozadí silného rušení, které je typické například pro proudové bočníky. Příklady: INA214, INA333.
Operační zesilovač (nebo přesněji hotové zesilovací stupně) s proměnným zesílením.
Operační zesilovače speciálně konstruované pro provoz jako komparátor nebo v podobných nelineárních režimech. Mít prostředky ke snížení účinků nasycení. Ve srovnání s univerzálními operačními zesilovači bude rychlost a přesnost práce vyšší.
Specializovaný OS. Obvykle jsou určeny pro specifické úkoly: například připojení fotosenzoru nebo magnetické hlavy ke vstupu; reproduktorový výstup. Mohou obsahovat hotové obvody OOS nebo k tomu nutné samostatné přesné rezistory.

Možné jsou i kombinace těchto kategorií, například přesný vysokorychlostní operační zesilovač.

Další klasifikace

Pro vstupní signály:

Konvenční dvouvstupový operační zesilovač;
Třívstupový operační zesilovač [9] : třetí vstup, který má zesílení +1 (pro který se používá vnitřní zpětná vazba), slouží k rozšíření možností operačního zesilovače, například napěťový offset výstupních signálů vzhledem ke vstupním signálům nebo schopnost vybudovat kaskádu s vysokou výstupní impedancí v běžném režimu, která připomíná transformátor se dvěma vinutími, ale kaskáda na AD8132 přenáší také stejnosměrný proud, což transformátor nemůže.

Pro výstupní signály:

Konvenční operační zesilovač s jedním výstupem;
Operační zesilovač s diferenciálním výstupem [10]

Použití operačních zesilovačů v obvodech

Použití operačního zesilovače jako obvodového prvku je mnohem jednodušší a přehlednější než provoz s jednotlivými prvky, které jej tvoří (tranzistory, rezistory atd.). Při návrhu zařízení na prvním (přibližném) stupni lze operační zesilovače považovat za ideální. Dále se pro každý operační zesilovač určí požadavky, které na něj obvod klade, a vybere se operační zesilovač, který tyto požadavky splňuje. Pokud se ukáže, že požadavky na operační zesilovač jsou příliš přísné, můžete obvod částečně přepracovat, abyste tento problém obešli.

Schéma operačního zesilovače

Obvody operačního zesilovače

Aplikace

Operační zesilovače se používají v následujících zařízeních:

Předzesilovače a vyrovnávací zesilovače pro audio a video frekvenční rozsah;
komparátory napětí ;
diferenciální zesilovače ;
diferenciátory a integrátory ;
filtry ;
vysoce přesné usměrňovače ;
stabilizátory napětí a proudu;
Analogové kalkulačky;
analogově-digitální převodníky ;
digitálně-analogové převodníky ;
generátory signálu ;
měniče proud-napětí a napětí-proud.
přenos dat a ovládání komunikačních linek.

Viz také

Poznámky

↑ Operační zesilovač? Je to velmi jednoduché! Archivováno 22. května 2012 na Wayback Machine // cxem.net .
↑ U operačních zesilovačů pro všeobecné použití je minimální napájecí napětí mírně vyšší než ±1,5 V. Pro efektivní provoz při nízkém napájecím napětí existuje speciální třída nízkonapěťových operačních zesilovačů.
↑ Jedinou výjimkou je nejjednodušší analogový komparátor .
↑ Toto by se zdálo být nesmyslným předpokladem, protože by to mělo vždy nekonečné napětí na výstupu, s výjimkou ojedinělého případu, kdy jsou napětí na vstupech V - a V + stejná. Ve skutečnosti je výstupní napětí, dokonce i v teoretickém modelu, vždy omezené kvůli použití negativní zpětné vazby.
↑ Změnou výstupního napětí
↑ Pokud je systém (OS s OS ) stabilní
↑ To je velmi zjednodušený přístup, ve skutečnosti je třeba vzít v úvahu další možné rovnováhy a řadu dalších faktorů.
↑ Podle typu základny prvků použité k sestavení vstupních obvodů (most)
↑ AD8132 je operační zesilovač, který má třetí vstup se ziskem +1 . Získáno 2. května 2009. Archivováno z originálu 9. května 2009. (neurčitý)
↑ AD8132 - Operační zesilovač s diferenciálním výstupem . Získáno 2. května 2009. Archivováno z originálu 9. května 2009. (neurčitý)

Odkazy

Operační zesilovač? Je to velmi jednoduché! Archivováno 22. května 2012 na Wayback Machine // cxem.net .
Operační zesilovače ve zvuku Archivováno 19. září 2012 na Wayback Machine // cxem.net .
Vysvětlení činnosti operačního zesilovače „na prstech“ Archivní kopie z 23. září 2009 na Wayback Machine // easyelectronics.ru.
Operační zesilovač Archivováno 1. ledna 2013 na Wayback Machine // easyelectronics.ru .
Podrobná analýza práce a "analogové matematiky" obvodu regulátoru rychlosti na operačním zesilovači Archivováno 9. dubna 2009 na Wayback Machine // easyelectronics.ru .
Horowitz P., Hill W. Umění obvodů : Ve 3 svazcích: T. 1. Per. z angličtiny - 4. vyd., revid. a dodat - M .: Mir, 1993. - 413 s., ill. ISBN 5-03-002337-2 .
Průběh přednášek Archivní kopie ze dne 14. dubna 2006 na Wayback Machine // gaw.ru.
Wikibook o operačních zesilovačích .
Popis některých běžných aplikací operačních zesilovačů Archivováno 6. září 2009 na Wayback Machine .
Velká sbírka obvodů operačních zesilovačů s unipolárním napájením (eng.) .
Sbírka typických obvodů používajících operační zesilovače National Instruments (anglicky) .
Základy operačního zesilovače od Harryho Lythalla. (angl.) Základy aplikace OU.
Příručka aplikace Op-Amp Archivována 16. června 2011 na Wayback Machine . Velká kniha o používání OU.
Logaritmické a jiné převodníky operačních zesilovačů (angl.) .
Operační zesilovače . Informativní článek o OU.
Nejoblíbenější operační zesilovače archivovány 27. října 2012 na Wayback Machine . Referenční informace.

Literatura

Polonnikov D. E. Operační zesilovače. Konstrukční principy, teorie, obvody. - M., Energoatomizdat, 1983. - 216 s.