Operační zesilovače

18.Operační zesilovače

Za operační zesilovače považujeme zesilovače, které mají následující vlastnosti:

- velmi velké napěťové zesílení

- velký vstupní odpor

- malý výstupní odpor

- frekvenční pásmo od nuly

V současné době vyrábí elektrotechnický průmysl celou řadu operačních zesilovačů v integrovaném provedení, takže jejich použití se dostalo na úroveň použití běžných součástek. Většina těchto operačních zesilovačů má dva vstupy:

- invertující vstup - signál přivedený na tento vstup se objeví na výstupu fázově otočen o 180

- neinvertující vstup - signál z tohoto vstupu se přenese na výstup ve stejné fázi.

Základní zapojení operačních zesilovačů

Základní zapojení operačních zesilovačů se dělí na invertující zapojení a neinvertující zapojení.

Invertující zapojení :

Neinvertující zapojení -principielní zapojení:

Zpětná vazba přes odpor R0 je opět vedena na invertující vstup a vstupní odpor R1 je připojen na zem. Vstupní signál přivádíme na neinvertující vstup. Odpor R2 se přidává pouze z důvodů, aby vstupní odpor zapojení byl definovaný.

Opět vycházíme z rovnosti napětí na obou vstupech. Protože proud tekoucí do operačního zesilovače je nulový, tvoří rezistory R0 a R1 nezatížený dělič napětí a platí

. Odtud napěťové zesílení .

U neinvertujícího zapojení nedochází k otočení fáze vstupního napětí a zesílení je vždy větší nebo rovno 1.

3) Rozdílový zesilovač

Na vstupy přivádíme napětí U1 a U2. Pro výstupní napětí lze psát:

zvolíme-li R3 = R1, a R4 = R2, dostaneme

4) Sumační zesilovač

Sumaci provádíme na jednom vstupu. Pro výstupní napětí platí vztah

, a pro R1 = R2 = ... = RN = R platí

5) Integrační zesilovač

Pro přenos platí , kde 0=1/CR

Přenos v dB je .

6) Derivační zesilovač

Přenos je opět určen výrazem ,

kde 0 = 1/CRN.

Přenos v dB je Au = 20log /0

7) PI regulátor

Zapojení, které je v nazýváno PI (proporcionálně-integračním) regulátorem

Průběh přenosu v závislosti na frekvenci :

Až do frekvence  = 0 má závislost integrační charakter a klesá se směrnicí 6dB/okt. Při vyšších frekvencích se přestane druhý člen uplatňovat a přenos má konstantní hodnotu 20log(RN/R1). Uvedené hodnoty platí pro asymptotickou aproximaci závislosti.

8) Proporcionálně integračně derivační (PID) regulátor

Zatím neuvažujme odpory R2 a R3. Přenos je potom dán vztahem

Přenos má 3 členy: první má integrační charakter, druhý proporcionální (nezávislý na frekvenci) a třetí derivační. Průběh přenosu v závislosti na frekvenci je uveden na obr. Lomové frekvence jsou 1 = 1/R1CN a 2 = 1/RNC1.

Takto použité zapojení má dvě nevýhody:

- velké zesílení integračního členu při malých frekvencích způsobuje nízkofrekvenční nestability zapojení

- velké zesílení derivačního členu s rostoucí frekvencí vede k nežádoucímu zesilování šumů.