Operačný zosilňovač

Schematická značka operačného zosilňovača

Integrované operačné zosilňovače v rôznych prevedeniach

Operačný zosilňovač (skratka OZ alebo OA z angl. operational amplifier; hovorovo aj operák, opamp) je analógový elektronický obvod, realizujúci jednosmerne viazaný napäťový zosilňovač s diferenciálnym vstupom, (obvykle) jedným výstupom a extrémne vysokým zosilnením. Jeho názov pochádza z pôvodnej aplikácie, ktorou bolo realizovanie matematických operácií v analógových počítačoch. V praxi má dnes obvykle podobu integrovaného obvodu, môže však byť zapojený aj z diskrétnych súčiastok.

Zavedením negatívnej spätnej väzby z výstupu na vstup(-y) je možné charakteristiky obvodu s operačným zosilňovačom (napr. jeho prenosovú funkciu, zisk, vstupnú a výstupnú impedanciu, šírku pásma a pod.) definovať externe pripojenými komponentami, pričom tieto charakteristiky sú následne len v zanedbateľnej miere závislé od teplotných koeficientov alebo výrobných tolerancií v samotnom operačnom zosilňovači. Táto flexibilita a reprodukovateľnosť urobila z operačného zosilňovača obľúbený základný konštrukčný prvok v analógových obvodoch.

Reálne operačné zosilňovače majú rôzne praktické obmedzenia, pre potreby hrubého návrhu a základných výpočtov sa však zvykne pracovať s pojmom ideálny operačný zosilňovač, ktorý má: nekonečne veľké napäťové zosilnenie, nekonečne veľký vstupný odpor, nulový výstupný odpor, nulové výstupné napätie pri identických napätiach na vstupoch, nekonečnú šírku pásma, nulový šum a je nezávislý na teplote.

Použitie

Základné zapojenie neinvertujúceho napäťového zosilňovača s OZ. Zisk je určený napäťovým deličom v spätnej väzbe: A = 1 + R_f / R_g

Pri nekonečnom zosilnení je možné pri použití zápornej spätnej väzby prakticky eliminovať nelinearitu každého zosilňovača.

Prvky s operačným zosilňovačom sú také presné, že je s nimi možné vykonávať matematické operácie, odtiaľ aj ich názov.

Matematické operácie:

• násobenie hodnoty konštantou (jednoduchý zosilňovač s pevným ziskom)
• sčítanie/odčítanie dvoch prípadne viacerých hodnôt
• integrácia (podľa času)
• derivácia (podľa času)
• exponenciálna funkcia
• logaritmická funkcia
• absolútna hodnota
• porovnanie hodnôt
• násobenie a delenie hodnôt (zložením logaritmickej funkcie, sčítania/odčítania a exponenciálnej funkcie, prípadne ďalšími metódami)

Pričom pod pojmom „hodnota“ sa myslí hodnota niektorej elektrickej veličiny, typicky okamžitá veľkosť napätia alebo prúdu. Reťazením obvodov realizujúcich jednoduché operácie je možné zostavovať elektrické ekvivalenty komplexnejších matematických operácií, riešiť sústavy rovníc (vrátane diferenciálnych rovníc), simulovať a analyzovať vlastnosti rôznych fyzikálnych systémov a pod. Na tomto princípe pracovali elektronické analógové počítače, širšie využívané najmä v období pred masovým rozvojom číslicových počítačov.

S operačným zosilňovačom sa dajú robiť aj iné obvody, na ktoré nikdy nebol plánovaný, napr.:

• schmittov preklápací obvod
• oscilátor (astabilný preklápací obvod) – aj harmonický (so sínusovým priebehom)
• monostabilný preklápací obvod
• a mnohé ďalšie

Dá sa s ním aj porovnávať napätie, či je rovnaké, ale na ten účel bol vyvinutý jednoduchší variant operačného zosilňovača, ktorý sa nazýva komparátor.

Konštrukcia

Vnútorné zapojenie univerzálneho operačného zosilňovača 741 pozostáva z nasledujúcich blokov:
• vstupný diferenciálny zosilňovač (modrý rámik)
• napäťový zosilňovač (fialový rámik)
• výstupný zosilňovač (azúrový rámik)
• prúdové zrkadlá (červené rámiky)

Odkrytované puzdro s čipom univerzálneho operačného zosilňovača Fairchild uA741, navrhnutého v roku 1968. Plošne najväčší prvok na čipe predstavuje integrovaný kompenzačný kondenzátor s kapacitou 30 pF.

Klasický operačný zosilňovač má dva vstupy, + a -. To sú vlastne vstupy do diferenčného zosilňovača. Po ňom nasleduje dvojitý (alebo aj trojitý) kaskádový zosilňovač a prúd zo vstupu býva ešte zosilnený zosilňovačom v Darlingtonovom zapojení. Vznikne tak obrovské prúdové zosilnenie.

Problém je, že sa zosilňuje aj chyba, preto prvý stupeň býva čo najpresnejší a najprecíznejší.

V modernejších typoch sa už namiesto bipolárnych tranzistorov používajú JFET alebo MOSFET. Tieto tranzistory už eliminovali takmer všetky problémy klasických bipolárnych operačných zosilňovačov.

Obmedzenia

Saturácia

Nekonečné zosilnenie neznamená, že je na výstupe nekonečno, ale to, že reaguje na (skoro) nekonečne malý vstup a výstup prejde do maximálnej alebo minimálnej hodnoty podľa polarity rozdielového napätia na vstupe.

Viac ako pod minimum alebo nad maximum výstup ísť nemôže. Keď sa dosiahne minimum alebo maximum, hovoríme, že zosilňovač je saturovaný, signál sa orezáva.

Saturácia má ale aj využitie – vďaka nej môžeme OZ zapojiť ako komparátor.

Mŕtve pásmo

Toto maximum/minimum je o niečo menšie/väčšie ako napájanie. Vznikne tak mŕtve pásmo (mŕtvola), ktoré robí problémy hlavne v kombinácii s TTL obvodmi. Dnes však už existujú rail-to-rail operačné zosilňovače, ktoré mŕtvolu nemajú.

Rýchlosť

Klasické operačné zosilňovače boli pomalé. Obyčajne f_T ležala pri 100 kHz, to znamená, že pri 100 kHz mali zosilnenie namiesto maxima len 1. Zosilnenie klesá so stúpajúcou frekvenciou signálu.

Moderné operačné zosilňovače sú rýchlejšie, ale plné zosilnenie majú tiež len pri ~10 MHz.

Malý prúdový výstup

Väčšinou cca. 10 mA, dá sa ale zvýšiť emitorovým sledovačom.

Literatúra

• PUNČOCHÁŘ, Josef. Operační zesilovače v elektronice. 5. vyd. Praha : BEN, 2002. 495 s. Dostupné online. ISBN 978-80-7300-059-2. (po česky)
• ROBERGE, James K. Operational Amplifiers: Theory and Practice [online]. Massachusetts Institute of Technology, 2021-08-01. Dostupné online. (po anglicky)

Pozri aj

• diferenciálny zosilňovač
• komparátor
• analógový počítač

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Operačný zosilňovač

Externé odkazy

• Operačné zosilňovače v študijných materiáloch predmetu Elektronické obvody a prenos informácií FEI STU
• Základné zapojenia s operačným zosilňovačom na webe SPŠ elektrotechnickej, Košice