Operační zesilovač - Operational amplifier

Operační zesilovač

Integrovaný obvod μA741, jeden z nejúspěšnějších operačních zesilovačů
Typ	Diskrétní obvod Integrovaný obvod
Vynalezeno	Karl D. Swartzel Jr.
První výroba	1967
Konfigurace pinů	V+: neinvertující vstup V−: invertující vstup Vout: výstup VS+: pozitivní napájení VS−: záporné napájení
Elektronický symbol
Symbol schématu zapojení pro operační zesilovač. Kolíky jsou označeny výše uvedeným způsobem.

Operační zesilovač (často op amp nebo operační zesilovač ) je DC-spojený high gain elektronický napěťový zesilovač s diferenciálním vstupem a obvykle s jediným koncem výstupu. V této konfiguraci operační zesilovač produkuje výstupní potenciál (vzhledem k uzemnění obvodu), který je typicky 100 000krát větší než potenciální rozdíl mezi jeho vstupními svorkami. Operační zesilovače měly svůj původ v analogových počítačích , kde byly použity k provádění matematických operací v lineárních, nelineárních a frekvenčně závislých obvodech.

Popularita operačního zesilovače jako stavebního bloku v analogových obvodech je dána jeho univerzálností. Použitím negativní zpětné vazby jsou charakteristiky obvodu operačního zesilovače, jeho zisk, vstupní a výstupní impedance , šířka pásma atd. Určeny externími součástmi a mají malou závislost na teplotních koeficientech nebo technické toleranci v samotném operačním zesilovači.

Operační zesilovače se dnes široce používají v elektronických zařízeních, včetně široké škály spotřebních, průmyslových a vědeckých zařízení. Mnoho standardních operačních zesilovačů stojí jen několik centů; některé integrované nebo hybridní operační zesilovače se speciálními výkonovými specifikacemi však mohou stát v malých množstvích přes 100 USD . Operační zesilovače mohou být zabaleny jako součásti nebo použity jako prvky složitějších integrovaných obvodů .

Operační zesilovač je jeden typ diferenciálního zesilovače . Jiné typy diferenciálních zesilovačů zahrnují plně diferenciální zesilovač (podobný operačnímu zesilovači, ale se dvěma výstupy), přístrojový zesilovač (obvykle postavený ze tří operačních zesilovačů), izolační zesilovač (podobný zesilovači instrumentace, ale s tolerancí k běžnému -režimová napětí, která by zničila obyčejný operační zesilovač) a zesilovač se negativní zpětnou vazbou (obvykle postavený z jednoho nebo více operačních zesilovačů a odporové zpětnovazební sítě).

Úkon

Diferenciální vstupy zesilovače skládá z vstupu neinvertující (+) s napětí V ₊ a invertující vstup (-) s napětím V _- ; v ideálním případě operační zesilovač zesiluje pouze rozdíl napětí mezi těmito dvěma, který se nazývá rozdílové vstupní napětí . Výstupní napětí operačního zesilovače V _out je dáno rovnicí

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = A _ {\ text {OL}} (V _ {+}-V _ {-}),}$

kde _OL je s otevřenou smyčkou zisk zesilovače (termín „open-loop“ se vztahuje k nepřítomnosti vnějšího zpětné vazby z výstupu na vstup).

Zesilovač s otevřenou smyčkou

Velikost A _OL je obvykle velmi velká (100 000 a více pro operační zesilovače s integrovanými obvody), a proto i poměrně malý rozdíl mezi V ₊ a V _- přivádí zesilovač do oříznutí nebo saturace . Velikost A _OL není dobře kontrolována výrobním procesem, a proto je nepraktické použít zesilovač s otevřenou smyčkou jako samostatný diferenciální zesilovač .

Bez negativní zpětné vazby a volitelně pozitivní zpětné vazby pro regeneraci funguje operační zesilovač jako komparátor . Pokud je invertující vstup držen na zemi (0 V) a vstupní napětí V _v aplikované na neinvertující vstup je kladné, výstup bude maximálně kladný; pokud je V _in záporný, výstup bude maximálně záporný. Protože na žádný z těchto vstupů není zpětná vazba, jedná se o obvod s otevřenou smyčkou fungující jako komparátor .

Zesilovač s uzavřenou smyčkou

Pokud je požadována předvídatelná operace, použije se negativní zpětná vazba, a to přivedením části výstupního napětí na invertující vstup. Uzavřené smyčky zpětné vazby významně snižuje zisk obvodu. Když je použita negativní zpětná vazba, celkový zisk a odezva obvodu je určena především sítí zpětné vazby, nikoli charakteristikami operačního zesilovače. Pokud je síť zpětné vazby tvořena součástmi s hodnotami malými vzhledem ke vstupní impedanci operačního zesilovače, hodnota odezvy A _OL operačního zesilovače na otevřenou smyčku vážně neovlivní výkon obvodu. V této souvislosti jsou zvláště užitečné vlastnosti operačního zesilovače vysoká vstupní impedance na vstupních svorkách a nízká výstupní impedance na výstupních svorkách.

Odezva operačního zesilovače s jeho vstupními, výstupními a zpětnovazebními obvody na vstup je matematicky charakterizována přenosovou funkcí ; návrh obvodu operačního zesilovače tak, aby měl požadovanou přenosovou funkci, je v oblasti elektrotechniky . Přenosové funkce jsou důležité ve většině aplikací operačních zesilovačů, například v analogových počítačích .

V non-invertující zesilovač na pravé straně, je přítomnost záporné zpětné vazby pomocí děliče napětí R _f , R _g určuje zesílení uzavřené smyčky _CL  = V _ven / V _v . Rovnováha bude ustavena, když V _out stačí k vytažení invertujícího vstupu na stejné napětí jako V _in . Zisk napětí celého obvodu je tedy 1 + R _f / R _g . Jako jednoduchý příklad, pokud V _in  = 1 V a R _f  = R _g , V _out bude 2 V, přesně množství potřebné k udržení V _- na 1 V. Kvůli zpětné vazbě poskytované sítí R _f , R _g , toto je obvod s uzavřenou smyčkou .

Další způsob, jak analyzovat tento obvod, je provést následující (obvykle platné) předpoklady:

1. Když operační zesilovač pracuje v lineárním (tj. Nenasyceném) režimu, je rozdíl v napětí mezi neinvertujícími (+) a invertujícími (-) piny zanedbatelně malý.
2. Vstupní impedance pinů (+) a ( -) je mnohem větší než ostatní odpory v obvodu.

Vstupní signál V _{v se} objeví na (+) i ( -) pinech za předpokladu 1, což má za následek proud i až R _g rovný V _in / R _g :

${\ displaystyle i = {\ frac {V _ {\ text {in}}} {R_ {g}}}}$

Protože Kirchhoffův současný zákon uvádí, že stejný proud musí opustit uzel, jako do něj vstoupit, a protože impedance do ( -) pinu je blízko předpokladu 2 za předpokladu 2, můžeme předpokládat, že prakticky celý stejný proud i protéká R _f , čímž vzniká výstupní napětí

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = V _ {\ text {in}}+iR_ {f} = V _ {\ text {in}}+\ left ({\ frac {V _ {\ text {in}} } {R_ {g}}} R_ {f} \ right) = V _ {\ text {in}}+{\ frac {V _ {\ text {in}} R_ {f}} {R_ {g}}} = V _ {\ text {in}} \ vlevo (1+{\ frac {R_ {f}} {R_ {g}}} \ vpravo)}$

Kombinací výrazů určíme zisk A _CL v uzavřené smyčce :

${\ displaystyle A _ {\ text {CL}} = {\ frac {V _ {\ text {out}}} {V _ {\ text {in}}}} = 1+{\ frac {R_ {f}} {R_ {G}}}}$

Charakteristiky operačního zesilovače

Ideální operační zesilovače

Ideální operační zesilovač má obvykle následující vlastnosti:

• Nekonečný zisk otevřené smyčky G = v _out / v _in
• Nekonečná vstupní impedance R _in , a tedy nulový vstupní proud
• Nulové vstupní offset napětí
• Nekonečný rozsah výstupního napětí
• Nekonečná šířka pásma s nulovým fázovým posunem a nekonečnou rychlostí přeběhu
• Nulová výstupní impedance R _out , a tak nekonečný rozsah výstupního proudu
• Nulový hluk
• Nekonečný poměr odmítnutí společného režimu (CMRR)
• Nekonečný poměr odmítnutí napájecího zdroje .

Tyto ideály lze shrnout do dvou zlatých pravidel :

1. V uzavřené smyčce se výstup pokouší udělat vše, co je nutné, aby rozdíl napětí mezi vstupy byl nulový.
2. Vstupy neodebírají žádný proud.

První pravidlo platí pouze v obvyklém případě, kdy je operační zesilovač použit v provedení s uzavřenou smyčkou (negativní zpětná vazba, kde existuje nějaká signální cesta, která se vrací z výstupu na invertující vstup). Tato pravidla se běžně používají jako dobrá první aproximace pro analýzu nebo návrh obvodů operačního zesilovače.

Žádný z těchto ideálů nelze dokonale realizovat. Skutečný operační zesilovač může být modelován s neomezenými nebo nenulovými parametry pomocí ekvivalentních odporů a kondenzátorů v modelu operačního zesilovače. Návrhář pak může tyto efekty zahrnout do celkového výkonu finálního okruhu. Některé parametry mohou mít na konečný návrh zanedbatelný vliv, zatímco jiné představují skutečná omezení konečného výkonu, která musí být vyhodnocena.

Skutečné operační zesilovače

Skutečné operační zesilovače se liší od ideálního modelu v různých aspektech.

DC nedokonalosti

Skutečné operační zesilovače trpí několika neideálními efekty:

Konečný zisk

Zisk otevřené smyčky je v ideálním operačním zesilovači nekonečný, ale ve skutečných operačních zesilovačích konečný. Typická zařízení vykazují DC zisk s otevřenou smyčkou v rozmezí od 100 000 do více než 1 milion. Dokud je zisk smyčky (tj. Součin zisků s otevřenou smyčkou a zpětné vazby) velmi velký, bude zisk obvodu určen výhradně množstvím negativní zpětné vazby (tj. Bude nezávislý na zisku otevřené smyčky). V případech, kdy musí být zisk uzavřené smyčky velmi vysoký, bude zisk zpětné vazby velmi nízký a nízký zisk zpětné vazby způsobí nízký zisk smyčky; v těchto případech se operační zesilovač přestane chovat ideálně.

Konečné vstupní impedance

Diferenciální vstupní impedance operačního zesilovače je definována jako impedance mezi jeho dvěma vstupy; vstupní impedance společného režimu je impedance od každého vstupu k zemi. Operační zesilovače se vstupem MOSFET mají často ochranné obvody, které účinně zkratují všechny vstupní rozdíly větší než malá prahová hodnota, takže se v některých testech může zdát vstupní impedance velmi nízká. Dokud se však tyto operační zesilovače používají v typické aplikaci s negativní zpětnou vazbou s vysokým ziskem, budou tyto ochranné obvody neaktivní. Níže popsané vstupní zkreslení a svodové proudy jsou důležitějším konstrukčním parametrem pro typické aplikace operačních zesilovačů.

Nenulová výstupní impedance

Nízká výstupní impedance je důležitá pro zátěže s nízkou impedancí; u těchto zátěží pokles napětí na výstupní impedanci účinně snižuje zisk otevřené smyčky. V konfiguracích s negativní zpětnou vazbou snímající napětí je výstupní impedance zesilovače účinně snížena; v lineárních aplikacích tedy obvody operačních zesilovačů obvykle vykazují velmi nízkou výstupní impedanci.

Výstupy s nízkou impedancí obvykle vyžadují vysoký klidový (tj. Nečinný) proud ve výstupním stupni a rozptýlí více energie, takže konstrukce s nízkým výkonem může záměrně obětovat nízkou výstupní impedanci.

Vstupní proud

Kvůli požadavkům na předpětí nebo úniku teče do vstupů malé množství proudu (typicky ~ 10 nanoampér, nA, pro bipolární operační zesilovače, desítky picoampér, pA, pro vstupní stupně JFET a pouze několik pA pro vstupní stupně MOSFET ) . Když jsou v obvodu použity velké odpory nebo zdroje s vysokými výstupními impedancemi, mohou tyto malé proudy způsobit velké nemodelované poklesy napětí. Jsou-li vstupní proudy uzavřeno, a impedance při pohledu z z obou vstupů jsou porovnány, pak se napětí vznikající na každém vstupu se bude rovnat. Protože operační zesilovač pracuje na rozdílu mezi svými vstupy, tato přizpůsobená napětí nebudou mít žádný účinek. Je běžnější, že se vstupní proudy mírně neshodují. Rozdíl se nazývá vstupní ofsetový proud a dokonce is odpovídajícími odpory lze vyrobit malé ofsetové napětí (odlišné od vstupního ofsetového napětí níže). Toto ofsetové napětí může v operačním zesilovači vytvářet posuny nebo unášení.

Vstupní ofsetové napětí

Toto napětí je to, co je zapotřebí na vstupních svorkách operačního zesilovače pro řízení výstupního napětí na nulu. V dokonalém zesilovači by nebylo žádné vstupní offsetové napětí. Existuje však ve skutečných operačních zesilovačích kvůli nedokonalostem diferenciálního zesilovače, který tvoří vstupní stupeň drtivé většiny těchto zařízení. Vstupní ofsetové napětí vytváří dva problémy: Za prvé kvůli vysokému zesílení napětí zesilovače prakticky zajišťuje, že výstup zesilovače přejde do sytosti, pokud je provozován bez negativní zpětné vazby, i když jsou vstupní svorky zapojeny dohromady. Za druhé, v uzavřené smyčce, konfigurace negativní zpětné vazby, je vstupní offsetové napětí zesilováno spolu se signálem, což může představovat problém, pokud je požadováno vysoce přesné DC zesílení nebo pokud je vstupní signál velmi malý.

Zisk společného režimu

Dokonalý operační zesilovač zesiluje pouze rozdíl napětí mezi svými dvěma vstupy a zcela odmítá všechna napětí, která jsou pro oba společná. Diferenční vstupní stupeň operačního zesilovače však není nikdy dokonalý, což do určité míry vede k zesílení těchto společných napětí. Standardní míra této vady se nazývá poměr odmítnutí běžného režimu (označený jako CMRR). Minimalizace zisku společného režimu je obvykle důležitá u neinvertujících zesilovačů (popsaných níže), které pracují při vysokém zesílení.

Odmítnutí napájecího zdroje

Výstup dokonalého operačního zesilovače bude zcela nezávislý na jeho napájení. Každý skutečný operační zesilovač má konečný poměr odmítnutí napájecího zdroje (PSRR), který odráží, jak dobře může operační zesilovač odmítnout změny napájecího napětí.

Teplotní efekty

Všechny parametry se mění s teplotou. Zvláště důležitý je teplotní drift vstupního offsetového napětí.

Drift

Skutečné parametry operačního zesilovače podléhají v průběhu času pomalé změně a se změnami teploty, vstupních podmínek atd.

AC nedokonalosti

Zisk operačního zesilovače vypočítaný při DC neplatí pro vyšší frekvence. Pro vysokorychlostní provoz tedy musí být v návrhu obvodu op-amp použity sofistikovanější úvahy.

Konečná šířka pásma

Všechny zesilovače mají konečnou šířku pásma. Pro první přiblížení má operační zesilovač frekvenční odezvu integrátoru se ziskem. To znamená, že zisk typického operačního zesilovače je nepřímo úměrný frekvenci a je charakterizován jeho ziskem - šířkou pásma  (GBWP). Například operační zesilovač s GBWP 1 MHz by měl zisk 5 při 200 kHz a zisk 1 při 1 MHz. Tato dynamická odezva spojená s velmi vysokým DC ziskem operačního zesilovače mu dává charakteristiku nízkoprůchodového filtru prvního řádu s velmi vysokým DC ziskem a nízkou mezní frekvencí danou GBWP dělenou DC ziskem.

Konečná šířka pásma operačního zesilovače může být zdrojem několika problémů, včetně:

Stabilita

S omezením šířky pásma je spojen fázový rozdíl mezi vstupním signálem a výstupem zesilovače, který může v některých obvodech zpětné vazby vést k oscilaci . Například sinusový výstupní signál, který má destruktivně interferovat se vstupním signálem o stejné frekvenci, bude konstruktivně interferovat, pokud bude zpožděn o 180 stupňů za vzniku pozitivní zpětné vazby . V těchto případech může být obvod zpětné vazby stabilizován pomocí frekvenční kompenzace , která zvyšuje zisk nebo fázový rozpětí obvodu s otevřenou smyčkou. Návrhář obvodů může tuto kompenzaci implementovat externě pomocí samostatné součásti obvodu. Alternativně může být kompenzace implementována v operačním zesilovači přidáním dominantního pólu, který dostatečně zeslabuje vysokofrekvenční zesílení operačního zesilovače. Umístění tohoto pólu může být interně stanoveno výrobcem nebo konfigurováno návrhářem obvodu pomocí metod specifických pro operační zesilovač. Obecně platí, že kompenzace dominantní pólové frekvence ještě více zmenšuje šířku pásma operačního zesilovače. Když je požadovaný zisk uzavřené smyčky vysoký, není často nutná kompenzace frekvence op-amp, protože požadovaný zisk otevřené smyčky je dostatečně nízký; v důsledku toho mohou aplikace s vysokým ziskem uzavřené smyčky využívat operační zesilovače s vyšší šířkou pásma.

Zkreslení a další efekty

Omezená šířka pásma má také za následek nižší množství zpětné vazby na vyšších frekvencích, což způsobuje vyšší zkreslení a výstupní impedanci, jak se frekvence zvyšuje.

Typické levné, univerzální operační zesilovače vykazují GBWP několik megahertzů. Existují speciální a vysokorychlostní operační zesilovače, které mohou dosáhnout GBWP stovek megahertzů. U velmi vysokofrekvenčních obvodů se často používá operační zesilovač se zpětnou vazbou proudu .

Hluk

Zesilovače generují na výstupu náhodné napětí, i když není přiveden žádný signál. Příčinou může být tepelný šum a blikání zařízení. U aplikací s vysokým ziskem nebo velkou šířkou pásma se hluk stává velmi důležitým faktorem.

Vstupní kapacita

Nejdůležitější pro vysokofrekvenční provoz, protože snižuje vstupní impedanci a může způsobit fázové posuny.

Zisk společného režimu

Viz DC nedokonalosti výše.

Odmítnutí napájecího zdroje

S rostoucí frekvencí se odmítnutí napájecího zdroje obvykle zhoršuje. Proto může být důležité udržovat dodávku čistou od vysokofrekvenčních vln a signálů, např. Použitím obtokových kondenzátorů .

Nelineární nedokonalosti

Nasycení

Výstupní napětí je omezeno na minimální a maximální hodnotu blízkou napájecímu napětí. Výstup starších operačních zesilovačů může dosáhnout jednoho až dvou voltů napájecích kolejnic. Výstupem z tzv operační zesilovače rail-to-rail mohou dosáhnout nízkých výstupních proudů v milivoltech napájecích kolejnic.

Otáčení

Výstupní napětí zesilovače dosahuje maximální rychlosti změny, rychlosti přeběhu , obvykle specifikované ve voltech za mikrosekundu (V/μs). Když dojde k otočení, další zvýšení vstupního signálu nemá žádný vliv na rychlost změny výstupu. Otáčení je obvykle způsobeno saturací vstupního stupně; výsledkem je konstantní proud i budící kapacitu C v zesilovači (zejména ty kapacity používané k implementaci jeho frekvenční kompenzace ); přeběhu rychlost je omezena d V / d t = i / C .

Otáčení je spojeno s výkonem velkého signálu operačního zesilovače. Uvažujme například operační zesilovač nakonfigurovaný pro zisk 10. Nechť je vstupem  pilová vlna 1 V, 100 kHz. To znamená, že amplituda je 1  V a perioda je 10 mikrosekund. V souladu s tím je rychlost změny (tj. Strmost) vstupu 0,1 V za mikrosekundu. Po 10 × zesílení by měl být výstup  pilový zub 10 V, 100 kHz, s odpovídající rychlostí přeběhu 1  V za mikrosekundu. Klasický 741 operační zesilovač má však  specifikaci rychlosti přeběhu 0,5 V za mikrosekundu, takže jeho výkon může  během 10 mikrosekundové periody pilového zubu vzrůst až na 5 V. Pokud by se tedy měřil výstup, jednalo by se o  pilový zub 5 V, 100 kHz, nikoli o 10  V, 100 kHz.

Dále zvažte stejný zesilovač a pilový zub 100 kHz, ale nyní je vstupní amplituda  spíše 100 mV než 1  V. Po 10 × zesílení je výstup  pilový zub 1 V, 100 kHz s odpovídající rychlostí přeběhu 0,1  V za mikrosekundu. V tomto případě 741 s  rychlostí přeběhu 0,5 V za mikrosekundu vstup řádně zesílí.

Moderní vysokorychlostní operační zesilovače mohou mít přeběhy přesahující 5 000  V za mikrosekundu. Je však běžnější, že operační zesilovače mají rychlosti přeběhu v rozmezí 5–100  V za mikrosekundu. Například univerzální zesilovač TL081 pro všeobecné použití má rychlost přeběhu 13  V za mikrosekundu. Obecně platí, že operační zesilovače s malým výkonem a malou šířkou pásma mají nízké rychlosti přeběhu. Jako příklad, LT1494 mikropower operační zesilovač spotřebovává 1,5 mikroamp, ale má 2,7 kHz zisk šířky pásma a 0,001  V za mikrosekundu rychlost přeběhu.

Non- lineární vstupně-výstupní vztah

Výstupní napětí nemusí být přesně úměrné rozdílu mezi vstupními napětími. Běžně se tomu říká zkreslení, když je vstupním signálem tvar vlny. Tento efekt bude velmi malý v praktickém obvodu, kde je použita podstatná negativní zpětná vazba.

Fázové obrácení

V některých integrovaných operačních zesilovačích, když je publikované napětí ve společném režimu narušeno (např. Jedním ze vstupů napájených na jedno z napájecích napětí), může dojít k přepnutí výstupu na opačnou polaritu, než se očekává při normálním provozu. Za takových podmínek se negativní zpětná vazba stává pozitivní, což pravděpodobně způsobí „zablokování“ obvodu v tomto stavu.

Úvahy o moci

Omezený výstupní proud

Výstupní proud musí být konečný. V praxi je většina operačních zesilovačů navržena tak, aby omezovala výstupní proud tak, aby nepřekračovala specifikovanou úroveň - kolem 25 mA pro IC operační zesilovač typu 741 - čímž chrání operační zesilovač a související obvody před poškozením. Moderní konstrukce jsou elektronicky odolnější než dřívější implementace a některé dokážou udržet přímé zkraty na svých výstupech bez poškození.

Omezené výstupní napětí

Výstupní napětí nesmí překročit napájecí napětí dodávané do operačního zesilovače. Maximální výkon většiny operačních zesilovačů je dále omezen o určité množství kvůli omezením výstupních obvodů. Speciální operační zesilovače rail-to-rail jsou navrženy pro maximální výstupní úrovně.

Výstupní proud jímky

Výstupní proud jímky je maximální proud, který může klesnout do koncového stupně. Někteří výrobci ukazují výstupní napětí vs. graf proudu výstupního jímače, který dává představu o výstupním napětí, když klesá proud z jiného zdroje do výstupního kolíku.

Omezený ztrátový výkon

Výstupní proud protéká vnitřní výstupní impedancí operačního zesilovače a vytváří teplo, které musí být rozptýleno. Pokud operační zesilovač rozptýlí příliš mnoho energie, pak se jeho teplota zvýší nad určitou bezpečnou mez. Operační zesilovač může vstoupit do tepelného vypnutí nebo může být zničen.

Moderní integrované operační zesilovače FET nebo MOSFET se blíže blíží ideálnímu operačnímu zesilovači než bipolární integrované obvody, pokud jde o vstupní impedanci a vstupní předpěťové proudy. Bipoláry jsou obecně lepší, pokud jde o offset vstupního napětí , a často mají nižší hluk. Obecně platí, že při pokojové teplotě, s poměrně velkým signálem a omezenou šířkou pásma, nyní operační zesilovače FET a MOSFET nabízejí lepší výkon.

Vnitřní obvody Operační zesilovač typu 741

Zdrojem mnoha výrobců a v několika podobných produktech je příkladem operačního zesilovače s bipolárním tranzistorem integrovaný obvod 741 navržený v roce 1968 Davidem Fullagarem ve společnosti Fairchild Semiconductor podle návrhu integrovaného obvodu Boba Widlara LM301. V této diskusi používáme parametry modelu hybrid-pi k charakterizaci charakteristik tranzistoru s malým signálem a uzemněným emitorem. V tomto modelu je proudový zisk tranzistoru označen h _fe , běžněji se nazývá β.

Architektura

Malý integrovaný obvod , 741 operační zesilovač sdílí s většinou operačních zesilovačů vnitřní strukturu sestávající ze tří stupňů zisku:

1. Diferenční zesilovač (načrtnutý tmavě modrý )-poskytuje vysoké rozdílové zesílení (zesílení), s odmítnutím signálu ve společném režimu, nízkým šumem, vysokou vstupní impedancí a pohání
2. Zesilovač napětí (načrtnutý purpurový )-poskytuje vysoký napěťový zisk, jednopólový frekvenční rozběh a naopak pohání
3. Výstupní zesilovač (načrtnutý azurový a zelený )-poskytuje vysoký proudový zisk (nízká výstupní impedance ) spolu s omezením výstupního proudu a ochranou proti zkratu výstupu.

Navíc obsahuje obvody předpětí proudového zrcadla (načrtnutá červená) a kompenzační kondenzátor (30 pF).

Diferenciální zesilovač

Vstupní stupeň se skládá z kaskádového diferenciálního zesilovače (vyznačeno modře ), po němž následuje aktivní zátěž zrcadlem proudu . To představuje transkonduktanční zesilovač , který mění signál diferenciálního napětí na základnách Q1, Q2 na proudový signál na základnu Q15.

To zahrnuje dva kaskádové páry tranzistorů, které splňují protichůdné požadavky. První stupeň se skládá ze spárované dvojice sledovačů emitorů NPN Q1, Q2, které poskytují vysokou vstupní impedanci. Druhým je přizpůsobený pár PN3 společné báze Q3, Q4, který eliminuje nežádoucí Millerův efekt ; pohání aktivní zátěž Q7 plus spárovaný pár Q5, Q6.

Toto aktivní zatížení je implementováno jako upravené současné zrcadlo Wilson ; jeho úkolem je převést (diferenciální) vstupní proudový signál na signál s jedním koncem bez doprovodných 50% ztrát (zvýšení zisku otevřené smyčky operačního zesilovače o 3 dB). Zdá se tedy, že diferenciální proud malého signálu v Q3 oproti Q4 je sečten (zdvojnásoben) na bázi Q15, vstupu stupně zesílení napětí.

Zesilovač napětí

Stupeň zesílení napětí ( třídy A ) (vyznačeno purpurovou barvou ) se skládá ze dvou tranzistorů NPN Q15/Q19 zapojených v Darlingtonově konfiguraci a používá výstupní stranu proudového zrcadla Q12/Q13 jako kolektorové (dynamické) zatížení k dosažení svého vysokého zesílení napětí. Výstupní jímací tranzistor Q20 přijímá svůj základní pohon od společných kolektorů Q15 a Q19; řadič úrovně Q16 poskytuje základní pohon pro výstupní zdrojový tranzistor Q14.

Tranzistor Q22 brání tomu, aby tento stupeň dodával nadměrný proud do Q20, a tím omezuje výstupní proud jímky.

Výstupní zesilovač

Koncový stupeň (Q14, Q20, načrtnutý azurově ) je zesilovač komplementární symetrie třídy AB . Poskytuje výstupní pohon s impedancí ~ 50  Ω, v podstatě proudový zisk. Tranzistor Q16 (načrtnutý zeleně ) poskytuje klidový proud pro výstupní tranzistory a Q17 poskytuje omezení výstupního proudu.

Předpínací obvody

Zajistěte vhodný klidový proud pro každý stupeň operačního zesilovače.

Odpor (39 kOhm) spojující (dioda připojený) Q11 a Q12, a vzhledem k tomu, napájecí napětí ( V _{S +}  -  V _{S -} ), určit aktuální v současné zrcadla , (spárovaných) Q10 / Q11 a Q12 / Q13. Kolektorový proud Q11, i ₁₁ × 39 kΩ = V _{S +} - V _{S -} - 2  V _BE . Pro typický V _S = ± 20 V by stálý proud v Q11/Q12 (stejně jako v Q13) byl ~ 1 mA. Napájecí proud pro typický 741 asi 2 mA souhlasí s představou, že tyto dva předpěťové proudy dominují klidovému napájecímu proudu.

Tranzistory Q11 a Q10 tvoří proudové zrcadlo Widlar s klidovým proudem v Q10 i ₁₀ tak, že ln ( i ₁₁ / i ₁₀ ) = i ₁₀ × 5 kΩ / 28 mV, kde 5 kΩ představuje emitorový odpor Q10 a 28 mV je V _T , tepelné napětí při pokojové teplotě. V tomto případě i ₁₀ ≈ 20 μA.

Diferenciální zesilovač

Předpínací obvod tohoto stupně je nastaven zpětnovazební smyčkou, která nutí kolektorové proudy Q10 a Q9 (téměř) odpovídat. Malý rozdíl v těchto proudech poskytuje měnič pro společnou základnu Q3/Q4 (všimněte si, že základní pohon pro vstupní tranzistory Q1/Q2 je proud předpětí vstupu a musí být získáván externě). Sečtené klidové proudy Q1/Q3 plus Q2/Q4 se zrcadlí z Q8 do Q9, kde se sčítají s kolektorovým proudem v Q10, přičemž výsledek se aplikuje na báze Q3/Q4.

Klidové proudy Q1/Q3 (resp. Q2/Q4) i ₁ budou tedy poloviční z i ₁₀ , řádově ~ 10 μA. Vstupní předpínací proud pro základnu Q1 (resp. Q2) bude činit i ₁ / β; typicky ~ 50 nA, což znamená proudový zisk h _fe ≈ 200 pro Q1 (Q2).

Tento obvod zpětné vazby má tendenci kreslit společný základní uzel Q3/Q4 na napětí V _com -2  V _BE , kde V _com je vstupní napětí společného režimu. Velikost klidového proudu je přitom relativně necitlivá na charakteristiky součástí Q1 – Q4, jako je h _fe , které by jinak způsobovaly teplotní závislost nebo rozdíly mezi částmi.

Tranzistor Q7 pohání Q5 a Q6 do vedení, dokud se jejich (stejné) kolektorové proudy neshodují s Q1/Q3 a Q2/Q4. Klidový proud v Q7 je V _BE / 50 kΩ, asi 35 μA, stejně jako klidový proud v Q15, s odpovídajícím pracovním bodem. Klidové proudy jsou tedy párově spárovány v Q1/Q2, Q3/Q4, Q5/Q6 a Q7/Q15.

Zesilovač napětí

Klidové proudy v Q16 a Q19 jsou nastaveny proudovým zrcadlem Q12/Q13, které běží na ~ 1 mA. Prostřednictvím nějakého mechanismu kolektorový proud v Q19 sleduje tento stojící proud.

Výstupní zesilovač

V obvodu zahrnujícím Q16 (různě pojmenovaný gumová dioda nebo multiplikátor V _BE ) musí odpor 4,5 kΩ vést asi 100 μA, přičemž Q16 V _BE zhruba 700 mV. Potom musí být V _CB přibližně 0,45 V a V _CE při přibližně 1,0 V. Protože kolektor Q16 je poháněn zdrojem proudu a emitor Q16 je veden do jímače proudu kolektoru Q19, tranzistor Q16 vytváří napěťový rozdíl mezi základnou Q14 a Základna Q20 ~ 1 V, bez ohledu na napětí ve společném režimu základny Q14/Q20. Stálý proud v Q14 / Q20 bude faktor exp (100 mV / V _T ) ≈ 36 menší než klidový proud 1 mA v části třídy operačního zesilovače. Tento (malý) stálý proud ve výstupních tranzistorech vytváří koncový stupeň v provozu třídy AB a snižuje crossover zkreslení tohoto stupně.

Diferenční režim malého signálu

Malý diferenční vstupní napěťový signál dává na výstupu ve více fázích proudového zesílení mnohem větší napěťový signál.

Vstupní impedance

Vstupní stupeň s Q1 a Q3 je podobný páru spojenému s emitorem (pár s dlouhým chvostem), přičemž Q2 a Q4 přidávají určitou degenerující impedanci. Vstupní impedance je relativně vysoká kvůli malému proudu přes Q1-Q4. Typický zesilovač 741 má diferenciální vstupní impedanci přibližně 2 MΩ. Vstupní impedance společného režimu je ještě vyšší, protože vstupní stupeň pracuje v podstatě s konstantním proudem.

Diferenciální zesilovač

Diferenciální napětí V _v u operačního zesilovače vstupy (piny 3 a 2, v uvedeném pořadí), vede k malé diferenciálního proudu v základnách Q1 a Q2 i _v ≈ V _v / (2 h _tj h _fe ). Tento diferenciální základní proud způsobí změnu rozdílového kolektorového proudu v každé větvi o i _in h _fe . Představujeme transkonduktanci Q1, g _m = h _fe / h, _tj. Proud (malého signálu) na bázi Q15 (vstup stupně zesílení napětí) je V _v g _m / 2.

Tato část operačního zesilovače chytře mění diferenciální signál na vstupech operačního zesilovače na signál s jedním koncem na bázi Q15 a způsobem, který zabraňuje zbytečnému vyřazení signálu v kterékoli noze. Chcete -li zjistit, jak, všimněte si, že malá záporná změna napětí na invertujícím vstupu (základna Q2) jej vyvede z vedení a toto přírůstkové snížení proudu přechází přímo z kolektoru Q4 do jeho emitoru, což má za následek snížení základního pohonu pro Q15 . Na druhou stranu malá pozitivní změna napětí na neinvertujícím vstupu (základna Q1) přivádí tento tranzistor do vedení, což se odráží ve zvýšení proudu na kolektoru Q3. Tento proud pohání Q7 dále do vedení, které zapne proudové zrcadlo Q5/Q6. Zvýšení proudu emitoru Q3 se tedy zrcadlí ve zvýšení kolektorového proudu Q6; zvýšené kolektorové proudy více odbočují z kolektorového uzlu a vedou ke snížení základního budicího proudu pro Q15. Kromě toho, že zde nedochází k plýtvání ziskem 3 dB, tato technika snižuje zesílení běžného režimu a průchod šumu napájecího zdroje.

Zesilovač napětí

Proudový signál i na bázi Q15 dává proud v Q19 řádu i β ² (součin h _fe každého z Q15 a Q19, které jsou spojeny v Darlingtonově páru ). Tento proudový signál vyvíjí na základnách výstupních tranzistorů Q14/Q20 napětí úměrné h _tj . Příslušného tranzistoru.

Výstupní zesilovač

Výstupní tranzistory Q14 a Q20 jsou každý konfigurován jako sledovač emitoru, takže zde nedochází k žádnému zesílení napětí; místo toho tato fáze poskytuje proudový zisk, který se rovná h _fe Q14 (resp. Q20).

Výstupní impedance není nulová, jak by tomu bylo u ideálního operačního zesilovače, ale s negativní zpětnou vazbou se blíží nule na nízkých frekvencích.

Celkový zisk napětí v otevřené smyčce

Čistý napěťový zisk operačního signálu zesilovače s malým signálem s otevřenou smyčkou zahrnuje součin proudového zisku h _fe některých 4 tranzistorů. V praxi je napěťový zisk pro typický operační zesilovač ve stylu 741 řádově 200 000 a proudový zisk, poměr vstupní impedance (~ 2–6 MΩ) k výstupní impedanci (~ 50  Ω) poskytuje ještě více (výkon) získat.

Další lineární charakteristiky

Zisk společného režimu malého signálu

Ideální operační zesilovač má nekonečný poměr odmítnutí ve společném režimu nebo nulový zisk ve společném režimu.

V současném obvodu, pokud se vstupní napětí mění ve stejném směru, způsobí záporná zpětná vazba základní napětí Q3/Q4 (s 2 V _BE níže) změny vstupního napětí. Nyní výstupní část (Q10) proudového zrcadla Q10-Q11 udržuje společný proud přes Q9/Q8 konstantní i přes měnící se napětí. Kolektorové proudy Q3/Q4 a podle toho výstupní proud na bázi Q15 zůstávají nezměněny.

V typickém 741 operačním zesilovači je poměr odmítnutí společného režimu 90 dB, což znamená zesílení napětí ve společném režimu s otevřenou smyčkou asi 6.

Kompenzace frekvence

Inovace Fairchild μA741 byla zavedení frekvenční kompenzace pomocí kondenzátoru na čipu (monolitickém), což zjednodušuje použití operačního zesilovače tím, že eliminuje potřebu externích komponent pro tuto funkci. Kondenzátor 30 pF stabilizuje zesilovač pomocí Millerovy kompenzace a funguje podobným způsobem jako integrovaný obvod operačního zesilovače . Také známý jako „ kompenzace dominantního pólu “, protože zavádí pól, který maskuje (dominuje) efekty jiných pólů do frekvenční odezvy otevřené smyčky; v 741 operačním zesilovači může být tento pól tak nízký jako 10 Hz (kde to způsobí ztrátu −3 dB zesílení napětí otevřené smyčky).

Tato vnitřní kompenzace je poskytována k dosažení bezpodmínečné stability zesilovače v konfiguracích záporné zpětné vazby, kde síť zpětné vazby nereaguje a zisk uzavřené smyčky je jednotný nebo vyšší. Naproti tomu zesilovače vyžadující externí kompenzaci, jako například μA748, mohou vyžadovat externí kompenzaci nebo zisky uzavřené smyčky výrazně vyšší než jednota.

Vstupní ofsetové napětí

Kolíky „offset null“ mohou být použity k umístění externích odporů (obvykle ve formě obou konců potenciometru, s posuvníkem připojeným k V _{S -} ) paralelně s emitorovými odpory Q5 a Q6, k nastavení vyvážení aktuálního zrcátka Q5/Q6. Potenciometr je nastaven tak, že výstup je nulový (střední rozsah), když jsou vstupy zkratovány dohromady.

Nelineární charakteristiky

Vstupní průrazné napětí

Tranzistory Q3, Q4 přispívají ke zvýšení zpětného hodnocení V _BE : křižovatky základny a emitoru tranzistorů NPN Q1 a Q2 se rozpadají kolem 7  V, ale tranzistory PNP Q3 a Q4 mají napětí V _BE kolem 50  V.

Kolísání napětí na koncovém stupni a omezení proudu

Změny klidového proudu s teplotou nebo mezi částmi se stejným typovým číslem jsou běžné, takže křížové zkreslení a klidový proud mohou podléhat výrazným změnám.

Výstupní rozsah zesilovače je asi o jeden volt menší než napájecí napětí, částečně v důsledku V _BE výstupních tranzistorů Q14 a Q20.

Rezistor 25 Ω na vysílači Q14 společně s Q17 působí tak, že omezuje proud Q14 na přibližně 25 mA; jinak Q17 nevede žádný proud.

Omezení proudu pro Q20 se provádí ve stupni zesílení napětí: Q22 snímá napětí na emitorovém odporu Q19 (50  Ω); jak se zapíná, snižuje proud měniče na základnu Q15.

Pozdější verze tohoto schématu zesilovače mohou ukazovat poněkud odlišný způsob omezení výstupního proudu.

Úvahy o použitelnosti

Zatímco 741 byl historicky používán v audio a dalších citlivých zařízení, jako použití je nyní vzácné, protože zlepšené hluku výkonu více moderních operačních zesilovačů. Kromě generování znatelného syčení mohou mít 741 a další starší operační zesilovače špatný poměr odmítnutí ve společném režimu, a proto často zavádějí do citlivého zařízení rušení ze sítě přenášené kabelem a další rušení v běžném režimu, například „klikání“ přepínače.

„741“ často znamená obecný operační zesilovač IC (například μA741, LM301, 558, LM324, TBA221-nebo modernější náhrada, jako je TL071). Popis koncového stupně 741 je kvalitativně podobný mnoha dalším návrhům (které mohou mít zcela odlišné vstupní stupně), kromě:

• Některá zařízení (μA748, LM301, LM308) nejsou interně kompenzována (vyžadují externí kondenzátor z výstupu do určitého bodu v operačním zesilovači, pokud se používají v aplikacích s nízkým ziskem uzavřené smyčky).
• Některá moderní zařízení mají schopnost výstupu kolejnice na kolejnici , což znamená, že výstup se může pohybovat od několika milivoltů kladného napájecího napětí do několika milivoltů záporného napájecího napětí.

Klasifikace

Operační zesilovače lze klasifikovat podle jejich konstrukce:

• diskrétní, postavené z jednotlivých tranzistorů nebo trubek/ventilů
• integrovaný obvod , nejběžnější
• hybridní

IC operační zesilovače mohou být klasifikovány mnoha způsoby, včetně:

• Vojenský, průmyslový nebo komerční stupeň. Například: LM301 je komerční verze LM101, LM201 je průmyslová verze. To může definovat rozsahy provozních teplot a další faktory prostředí nebo kvality.
• Klasifikace podle typu obalu může také ovlivnit odolnost vůči životnímu prostředí a výrobní možnosti; DIP a další balíčky s průchozími otvory bývají nahrazovány zařízeními pro povrchovou montáž .
• Klasifikace vnitřní kompenzací: operační zesilovače mohou trpět vysokofrekvenční nestabilitou v některých obvodech se zpětnou vazbou, pokud malý kompenzační kondenzátor neupraví fázové a frekvenční odezvy. Operační zesilovače s vestavěným kondenzátorem se nazývají kompenzované a umožňují obvodům nad některým specifikovaným ziskem uzavřené smyčky pracovat stabilně bez externího kondenzátoru. Zejména operační zesilovače, které jsou stabilní i při zisku uzavřené smyčky 1, se nazývají kompenzované zesílení jednoty .
• K dispozici jsou jednoduché, duální a čtyřnásobné verze mnoha komerčních integrovaných obvodů, tj. 1, 2 nebo 4 operační zesilovače jsou součástí stejného balení.
• Operační zesilovače vstupu (a/nebo výstupu) typu rail-to-rail mohou pracovat se vstupními (a/nebo výstupními) signály velmi blízko napájecích lišt.
• Operační zesilovače CMOS (například CA3140E) poskytují extrémně vysoké vstupní odpory, vyšší než vstupní zesilovače JFET , které jsou normálně vyšší než operační zesilovače s bipolárním vstupem.
• další varianty operačního zesilovače zahrnují programovatelné operační zesilovače (jednoduše to znamená, že klidový proud, šířku pásma atd. lze upravit externím odporem).
• výrobci často tabelují své operační zesilovače podle účelu, jako jsou nízkošumové předzesilovače, širokopásmové zesilovače atd.

Aplikace

Použití v návrhu elektronického systému

Použití operačních zesilovačů jako bloků obvodů je mnohem jednodušší a jasnější než specifikovat všechny jejich jednotlivé obvodové prvky (tranzistory, odpory atd.), Ať už jsou použité zesilovače integrované nebo diskrétní obvody. V první aproximaci lze operační zesilovače použít, jako by to byly ideální bloky diferenciálního zisku; v pozdější fázi lze na přijatelný rozsah parametrů pro každý operační zesilovač umístit limity.

Obvodový design se řídí stejnými liniemi pro všechny elektronické obvody. Je sepsána specifikace určující, co má obvod dělat, s povolenými limity. Například může být požadováno, aby byl zisk 100krát, s tolerancí 5%, ale driftem menším než 1% ve specifikovaném teplotním rozsahu; vstupní impedance nejméně jeden megohm; atd.

Je navržen základní obvod , často s pomocí modelování obvodů (na počítači). Poté se vyberou konkrétní komerčně dostupné operační zesilovače a další komponenty, které splňují konstrukční kritéria v rámci specifikovaných tolerancí za přijatelnou cenu. Pokud nelze splnit všechna kritéria, může být nutné upravit specifikaci.

Prototyp je poté sestaven a testován; mohou být provedeny změny za účelem splnění nebo vylepšení specifikace, změny funkčnosti nebo snížení nákladů.

Aplikace bez použití jakékoli zpětné vazby

To znamená, že operační zesilovač se používá jako komparátor napětí . Všimněte si toho, že zařízení navržené primárně jako komparátor může být lepší, pokud je například důležitá rychlost nebo lze nalézt široký rozsah vstupních napětí, protože taková zařízení se mohou rychle zotavit ze stavů plného zapnutí nebo úplného vypnutí („nasycené“).

Detektor úrovně napětí lze získat v případě, že referenční napětí V _ref se aplikuje na jeden z vstupů operačního zesilovače. To znamená, že operační zesilovač je nastaven jako komparátor pro detekci kladného napětí. Pokud je na vstup ( +) operačního zesilovače přivedeno snímané napětí E _i , výsledkem je neinvertující kladný detektor: když E _i je nad V _ref , V _{O se} rovná + V _sat ; když E _i je pod V _ref , V _{O se} rovná - V _sat . Pokud je na invertující vstup aplikováno E _i , obvod je invertující kladný detektor: Když E _i je nad V _ref , V _{O se} rovná- V _sat .

Detektor úrovně nulové napětí ( E _i = 0) se může převést například výstup sinusové vlny z generátoru funkce do proměnným kmitočtem obdélníkovou vlnou. Pokud E _i je sinusová vlna, trojúhelníková vlna nebo vlna jiného tvaru, který je symetrický kolem nuly, výstup detektoru s křížením nuly bude čtvercový. Detekce nulového křížení může být také užitečná při spuštění TRIAC v nejlepším čase ke snížení rušení sítě a proudových špiček.

Aplikace s pozitivní zpětnou vazbou

Další typická konfigurace operačních zesilovačů je s pozitivní zpětnou vazbou, která bere zlomek výstupního signálu zpět na neinvertující vstup. Jeho důležitou aplikací je komparátor s hysterezí, Schmittova spoušť . Některé obvody mohou využívat pozitivní zpětnou vazbu a negativní zpětnou vazbu kolem stejného zesilovače, například oscilátory s trojúhelníkovými vlnami a aktivní filtry .

Kvůli širokému dosahu a nedostatku pozitivní zpětné vazby bude odezva všech výše popsaných detektorů úrovně otevřené smyčky relativně pomalá. Může být použita vnější celková pozitivní zpětná vazba, ale (na rozdíl od vnitřní pozitivní zpětné vazby, která může být použita v pozdějších fázích účelově navrženého komparátoru) to výrazně ovlivňuje přesnost detekčního bodu překročení nuly. Použitím univerzálního operačního zesilovače by například frekvence E _i pro převodník sinusových na čtvercových vln měla být pravděpodobně pod 100 Hz.

Aplikace s negativní zpětnou vazbou

Neinvertující zesilovač

V neinvertujícím zesilovači se výstupní napětí mění ve stejném směru jako vstupní napětí.

Rovnice zisku pro operační zesilovač je

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = A _ {\ text {OL}} (V _ {+}-V _ {-}).}$

Nicméně, v tomto obvodu V _- je funkcí V _ven , protože negativní zpětné vazby přes R _1, R ₂ sítě. R ₁ a R ₂ tvoří dělič napětí , a jako V _- je vstup vysokoimpedanční, že nedojde k jeho zatížení znatelně. tudíž

${\ displaystyle V _ {-} = \ beta V _ {\ text {out}},}$

kde

${\ displaystyle \ beta = {\ frac {R_ {1}} {R_ {1}+R_ {2}}}.}$

Dosazením do rovnice zisku získáme

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = A _ {\ text {OL}} (V _ {\ text {in}}-\ beta V _ {\ text {out}}).}$

Řešení pro : ${\ displaystyle V _ {\ text {out}}}$

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = V _ {\ text {in}} \ left ({\ frac {1} {\ beta +{\ frac {1} {A _ {\ text {OL}}}} }}\že jo).}$

Pokud je velmi velký, zjednodušuje se ${\ displaystyle A _ {\ text {OL}}}$

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} \ cca {\ frac {V _ {\ text {in}}} {\ beta}} = {\ frac {V _ {\ text {in}}} {\ frac {R_ {1}} {R_ {1}+R_ {2}}}} = V _ {\ text {in}} \ left (1+{\ frac {R_ {2}} {R_ {1}}} \ right) .}$

Neinvertující vstup operačního zesilovače potřebuje cestu pro DC k zemi; pokud zdroj signálu nedodává stejnosměrnou cestu, nebo pokud tento zdroj vyžaduje danou zatěžovací impedanci, pak obvod bude vyžadovat další odpor z neinvertujícího vstupu na zem. Pokud jsou vstupní zkreslovací proudy operačního zesilovače významné, pak by měly být vyváženy odpory zdroje stejnosměrného proudu pohánějící vstupy. Ideální hodnota pro zpětnovazební odpory (aby poskytlo minimální ofsetové napětí) bude taková, že dva odpory paralelně budou zhruba stejné jako odpor vůči zemi na neinvertujícím vstupním pinu. Tato ideální hodnota předpokládá, že předpěťové proudy jsou dobře sladěny, což nemusí platit pro všechny operační zesilovače.

Invertující zesilovač

U invertujícího zesilovače se výstupní napětí mění v opačném směru než vstupní napětí.

Stejně jako u neinvertujícího zesilovače začneme rovnicí zisku operačního zesilovače:

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = A _ {\ text {OL}} (V _ {+}-V _ {-}).}$

Tentokrát V _- je funkcí jak V _out, tak V _in vzhledem k děliči napětí tvořenému R _f a R _in . Vstup operačního zesilovače opět nevyvíjí znatelné zatížení, takže

${\ Displaystyle V _ {-} = {\ frac {1} {R _ {\ text {f}}+R _ {\ text {in}}}} \ left (R _ {\ text {f}} V _ {\ text { in}}+R _ {\ text {in}} V _ {\ text {out}} \ right).}$

Dosazením do rovnice zisku a řešením pro : ${\ displaystyle V _ {\ text {out}}}$

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} =-V _ {\ text {in}} {\ frac {A _ {\ text {OL}} R _ {\ text {f}}} {R _ {\ text {f} }+R _ {\ text {in}}+A _ {\ text {OL}} R _ {\ text {in}}}}.}$

Pokud je velmi velký, zjednodušuje se ${\ displaystyle A _ {\ text {OL}}}$

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} \ cca -V _ {\ text {in}} {\ frac {R _ {\ text {f}}} {R _ {\ text {in}}}}.}$

Mezi neinvertující vstup a uzemnění je často vložen odpor (takže oba vstupy „vidí“ podobné odpory), čímž se snižuje vstupní ofsetové napětí v důsledku různých poklesů napětí v důsledku předpěťového proudu a může se u některých operačních zesilovačů snížit zkreslení.

DC blokovací kondenzátor může být vložen do série se vstupním odporem, když se reakce frekvence není nutná dolů do DC a jakékoliv stejnosměrné napětí na vstupu je nežádoucí. To znamená, že kapacitní složka vstupní impedance vkládá stejnosměrný nul a nízkofrekvenční pól, který dává obvodu pásmovou nebo hornoprůchodovou charakteristiku.

Potenciály na vstupech operačního zesilovače zůstávají v invertující konfiguraci prakticky konstantní (blízko země). Konstantní provozní potenciál obvykle vede k úrovním zkreslení, které jsou nižší než úrovně dosažitelné pomocí neinvertující topologie.

Další aplikace

• audio- a video-frekvenční předzesilovače a vyrovnávací paměti
• diferenciální zesilovače
• diferenciátory a integrátory
• filtry
• přesné usměrňovače
• přesné špičkové detektory
• regulátory napětí a proudu
• analogové kalkulačky
• Analogově digitální převodníky
• Převodníky digitálního signálu na analogový
• Napětí
• oscilátory a generátory průběhů
• klipr
• kleště (DC zavaděč nebo restaurátor)
• Zesilovače LOG a ANTILOG

Většina dostupných zesilovačů pro jedno, dvojí a čtyřpólové zesilovače má standardizovaný vývod, který umožňuje výměnu jednoho typu za jiný bez změn zapojení. Konkrétní operační zesilovač lze zvolit pro zisk otevřené smyčky, šířku pásma, výkon šumu, vstupní impedanci, spotřebu energie nebo kompromis mezi některým z těchto faktorů.

Historická časová osa

1941: Vakuová trubice operační zesilovač. Operační zesilovač, definovaný jako univerzální, invertovaný zpětnovazební zesilovač s vysokým ziskem spojený s DC , je poprvé nalezen v americkém patentu 2 401 779 „ Sčítací zesilovač“, který v roce 1941 podal Karl D. Swartzel Jr. z Bell Labs. tři elektronky , aby se dosáhlo zisk 90 dB a provozovány na napětí kolejnice ± 350 v . Mělo pouze jeden invertující vstup než diferenciální invertující a neinvertující vstupy, jak jsou běžné v dnešních operačních zesilovačích. Během druhé světové války Swartzelův design prokázal svou hodnotu tím, že byl hojně používán v dělostřeleckém řediteli M9 navrženém v Bell Labs. Tento dělostřelecký ředitel spolupracoval s radarovým systémem SCR584, aby dosáhl mimořádných zásahů (téměř 90%), které by jinak nebylo možné.

1947: Operační zesilovač s explicitním neinvertujícím vstupem. V roce 1947 byl operační zesilovač poprvé formálně definován a pojmenován v článku Johna R. Ragazziniho z Kolumbijské univerzity. V tomto stejném příspěvku je v poznámce pod čarou zmíněn návrh operačního zesilovače studentem, který by se ukázal být docela významný. Tento operační zesilovač, navržený Loebe Julie , byl vynikající v mnoha ohledech. To mělo dvě hlavní inovace. Jeho vstupní stupeň využíval dlouhotrvající triodový pár se zátěží přizpůsobenou ke snížení driftu na výstupu, a co je důležitější, byl to první návrh operačního zesilovače, který měl dva vstupy (jeden invertující, druhý neinvertující). Diferenční vstup umožnil celou řadu nových funkcí, ale kvůli vzestupu zesilovače stabilizovaného vrtulníkem by nebyl dlouho používán.

1949: Operační zesilovač stabilizovaný vrtulníkem. V roce 1949 Edwin A. Goldberg navrhl operační zesilovač stabilizovaný vrtulníkem . Toto nastavení používá normální operační zesilovač s dalším zesilovačem střídavého proudu, který jde vedle operačního zesilovače. Řezač získává střídavý signál ze stejnosměrného proudu rychlým přepínáním mezi stejnosměrným napětím a zemí (60 Hz nebo 400 Hz). Tento signál je poté zesílen, usměrněn, filtrován a přiveden do neinvertujícího vstupu operačního zesilovače. To výrazně zlepšilo zisk operačního zesilovače a zároveň výrazně snížilo drift výstupu a offset DC. Bohužel žádný design, který používal vrtulník, nemohl použít jejich neinvertující vstup k žádnému jinému účelu. Nicméně mnohem vylepšené vlastnosti operačního zesilovače stabilizovaného vrtulníkem z něj učinily dominantní způsob použití operačních zesilovačů. Techniky, které pravidelně používaly neinvertující vstup, by nebyly příliš populární až do 60. let, kdy se v poli začaly objevovat integrované obvody operačního zesilovače .

1953: Komerčně dostupný operační zesilovač. V roce 1953 se vakuové trubicové operační zesilovače staly komerčně dostupné s vydáním modelu K2-W od George A. Philbrick Researches, Incorporated. Označení na zobrazených zařízeních, GAP/R, je zkratkou pro úplný název společnosti. Dvě devítipinové elektronky 12AX7 byly namontovány v osmičkovém pouzdře a měly k dispozici model vrtulníku K2-P, který by efektivně „spotřeboval“ neinvertující vstup. Tento operační zesilovač byl založen na potomkovi designu Loebe Julie z roku 1947 a spolu se svými nástupci zahájí široké použití operačních zesilovačů v průmyslu.

1961: Diskrétní IC operační zesilovač. S narozením tranzistoru v roce 1947 a křemíkového tranzistoru v roce 1954 se koncept integrovaných obvodů stal skutečností. Zavedení planárního procesu v roce 1959 učinilo tranzistory a integrované obvody dostatečně stabilní, aby byly komerčně užitečné. V roce 1961 se vyráběly polovodičové, diskrétní operační zesilovače. Tyto operační zesilovače byly ve skutečnosti malé desky s obvody s balíčky, jako jsou okrajové konektory . Obvykle měli ručně vybrané odpory, aby zlepšili věci, jako je offset napětí a drift. P45 (1961) měl zisk 94 dB a jezdil na kolejnicích ± 15 V. Byla určena k řešení signály v rozsahu ± 10 V .

1961: Varaktorový most operační zesilovač. V designu operačního zesilovače bylo provedeno mnoho různých směrů. Zesilovače Varactor Bridge se začaly vyrábět na počátku 60. let minulého století. Byly navrženy tak, aby měly extrémně malý vstupní proud a stále patří mezi nejlepší dostupné operační zesilovače, pokud jde o odmítnutí ve společném režimu se schopností správně se vypořádat se stovkami voltů na svých vstupech.

1962: Operační zesilovač v hrnkovém modulu. V roce 1962 již několik společností vyrábělo modulární hrnkové balíčky, které bylo možné zapojit do desek plošných spojů . Tyto balíčky byly velmi důležité, protože z operačního zesilovače vytvořily jedinou černou skříňku, kterou bylo možné snadno považovat za součást většího obvodu.

1963: Monolitický IC operační zesilovač. V roce 1963 byl uveden na trh první monolitický IC operační zesilovač μA702 navržený Bobem Widlarem ve společnosti Fairchild Semiconductor. Monolitické integrované obvody se skládají z jednoho čipu na rozdíl od čipu a diskrétních částí (diskrétní integrovaný obvod) nebo více čipů spojených a spojených na desce s obvody (hybridní integrovaný obvod). Téměř všechny moderní operační zesilovače jsou monolitické integrované obvody; tento první IC se však nesetkal s velkým úspěchem. Problémy, jako je nerovnoměrné napájecí napětí, nízký zisk a malý dynamický rozsah, odrazovaly dominanci monolitických operačních zesilovačů až do roku 1965, kdy byl vydán μA709 (také navržený Bobem Widlarem).

1968: Vydání μA741. Popularita monolitických operačních zesilovačů byla dále vylepšena vydáním LM101 v roce 1967, které vyřešilo řadu problémů, a následným vydáním μA741 v roce 1968. μA741 byl extrémně podobný LM101 s tím rozdílem, že Fairchildova zařízení jim umožňovala místo požadavku externí kompenzace vložte do čipu kompenzační kondenzátor 30 pF. Tento jednoduchý rozdíl učinil 741 na kanonickou op amp a mnoho moderních zesilovačů zakládají své pinout na 741s. ΜA741 je stále ve výrobě a stal se všudypřítomným v elektronice - mnoho výrobců vyrábí verzi tohoto klasického čipu, rozpoznatelnou podle čísel dílů obsahujících 741 . Stejnou část vyrábí několik společností.

1970: První vysokorychlostní návrh FET s nízkým vstupním proudem. V sedmdesátých letech se vysokorychlostní návrhy proudu s nízkým vstupem začaly vyrábět pomocí FET . Ty by byly z velké části nahrazeny operačními zesilovači vyrobenými z MOSFETů v 80. letech minulého století.

1972: Vyrábí se jednostranné napájecí zesilovače. Jednostranný napájecí zesilovač je takový, kde vstupní a výstupní napětí může být tak nízké jako záporné napájecí napětí místo toho, aby nad ním musely být alespoň dva volty. Výsledkem je, že může pracovat v mnoha aplikacích, přičemž záporný napájecí kolík na operačním zesilovači je připojen k uzemnění signálu, čímž odpadá potřeba samostatného záporného napájecího zdroje.

LM324 (vydaný v roce 1972) byl jedním z takových operačních zesilovačů, které byly dodávány ve čtyřnásobném balení (čtyři samostatné operační zesilovače v jednom balení) a staly se průmyslovým standardem. Kromě balení více operačních zesilovačů do jednoho balíčku se v sedmdesátých letech zrodily také operační zesilovače v hybridních baleních. Tyto operační zesilovače byly obecně vylepšenými verzemi stávajících monolitických operačních zesilovačů. Jak se zlepšily vlastnosti monolitických operačních zesilovačů, byly složitější hybridní integrované obvody rychle zařazeny do systémů, u nichž je vyžadována extrémně dlouhá životnost nebo jiných speciálních systémů.

Nedávné trendy. V poslední době se napájecí napětí v analogových obvodech snížilo (jako tomu bylo v digitální logice) a byly zavedeny operační zesilovače nízkého napětí. Běžné jsou dodávky 5 V a stále více 3,3 V (někdy až 1,8 V). Aby se maximalizoval dosah signálu, moderní operační zesilovače mají obvykle výstup rail-to-rail (výstupní signál se může pohybovat od nejnižšího napájecího napětí po nejvyšší) a někdy vstupy rail-to-rail.

Viz také

Poznámky

Reference

Další čtení

Knihy

• Operační zesilovače pro každého ; 5. vydání; Bruce Carter, Ron Mancini; Novinky; 484 stran; 2017; ISBN  978-0128116487 . (2 MB PDF - 1. vydání)
• Operační zesilovače - teorie a design ; 3. vydání; Johan Huijsing; Springer; 423 stran; 2017; ISBN  978-3319281261 .
• Operační zesilovače a lineární integrované obvody - teorie a aplikace ; 3. vydání; James Fiore; Creative Commons; 589 stran; 2016. (13 MB PDF text) (2 MB PDF Lab)
• Analýza a návrh lineárních obvodů ; 8. vydání; Roland Thomas, Albert Rosa, Gregory Toussaint; Wiley; 912 stran; 2016; ISBN  978-1119235385 .
• Design s operačními zesilovači a analogovými integrovanými obvody ; 4. vydání; Sergio Franco; McGraw Hill; 672 stran; 2015; ISBN  978-0078028168 .
• Malý zvukový design signálu ; 2. vydání; Douglas Self ; Focal Press; 780 stran; 2014; ISBN  978-0415709736 .
• Příručka návrhu lineárního obvodu ; 1. vydání; Hank Zumbahlen; Novinky; 960 stran; 2008; ISBN  978-0750687034 . (35 MB PDF)
• Příručka aplikací operačního zesilovače ; 1. vydání; Walt Jung ; Analog Devices & Newnes; 896 stran; 2005; ISBN  978-0750678445 . (17 MB PDF)
• Operační zesilovače a lineární integrované obvody ; 6. vydání; Robert Coughlin, Frederick Driscoll; Sál Prentice; 529 stran; 2001; ISBN  978-0130149916 .
• Kuchařka s aktivním filtrem ; 2. vydání; Don Lancaster ; Sams; 240 stran; 1996; ISBN  978-0750629867 . (28 MB PDF - 1. vydání)
• Kuchařka IC Op-Amp ; 3. vydání; Walt Jung ; Sál Prentice; 433 stran; 1986; ISBN  978-0138896010 . (18 MB PDF - 1. vydání)
• Inženýrův mini notebook-IC obvody OpAmp ; 1. vydání; Forrest Mims III; Radio Shack; 49 stran; 1985; ASIN B000DZG196. (4 MB PDF)
• Intuitivní IC operační zesilovače - od základů po užitečné aplikace ; 1. vydání; Thomas Frederiksen; Národní polovodič ; 299 stran; 1984; ISBN  978-9997796677 .
• Projektování s operačními zesilovači - alternativy aplikací ; 1. vydání; Jerald Graeme; Burr-Brown & McGraw Hill; 269 ​​stran; 1976; ISBN  978-0070238916 .
• Aplikace operačních zesilovačů - techniky třetí generace ; 1. vydání; Jerald Graeme; Burr-Brown & McGraw Hill; 233 stran; 1973; ISBN  978-0070238909 . (37 MB PDF)
• Porozumění operačním zesilovačům IC ; 1. vydání; Roger Melen a Harry Garland ; Sams Publishing; 128 stran; 1971; ISBN  978-0672208553 . (archiv)
• Operační zesilovače - design a aplikace ; 1. vydání; Jerald Graeme, Gene Tobey, Lawrence Huelsman; Burr-Brown & McGraw Hill; 473 stran; 1971; ISBN  978-0070649170 .

Knihy s kapitolami o operační zesilovač

• Výuka umění elektroniky - praktický laboratorní kurz ; 1. vydání; Thomas Hayes, Paul Horowitz ; Cambridge; 1150 stran; 2016; ISBN  978-0521177238 . (Část 3 je 268 stran)
• Umění elektroniky ; 3. vydání; Paul Horowitz , Winfield Hill; Cambridge; 1220 stran; 2015; ISBN  978-0521809269 . (Kapitola 4 má 69 stran)
• Lekce v elektrických obvodech - svazek III - polovodiče ; 5. vydání; Tony Kuphaldt; Projekt otevřené knihy; Stránka 528; 2009. (Kapitola 8 je 59 stran) (4 MB PDF)
• Řešení potíží s analogovými obvody ; 1. vydání; Bob Pease ; Novinky; 217 stran; 1991; ISBN  978-0750694995 . (Kapitola 8 je 19 stran)
• Manuál analogových aplikací ; 1. vydání; Signetici ; 418 stran; 1979. (Kapitola 3 je 32 stran) (32 MB PDF)

externí odkazy

• Sbírka obvodů operačního zesilovače - National Semiconductor Corporation
• Operační zesilovače - kapitola Vše o obvodech
• Zisk smyčky a jeho účinky na výkon analogových obvodů - úvod do zesílení smyčky, zesílení a fázového rozpětí, stabilita smyčky
• Jednoduchá měření operačního zesilovače Jak měřit ofsetové napětí, ofsetový a zkreslený proud, zisk, CMRR a PSRR.
• Operační zesilovače . Úvodní on-line text od EJ Mastascusa ( Bucknell University ).
• Úvod do stupňů obvodů operačního zesilovače, filtrů druhého řádu, pásmových filtrů s jedním operačním zesilovačem a jednoduchého interkomu
• Design operačního zesilovače MOS: přehled tutoriálu
• Předpověď šumu operačního zesilovače (všechny operační zesilovače) využívající bodový šum
• Základy operačního zesilovače
• Historie operačního zesilovače , od elektronek do roku 2002
• Loebe Julie historický OZ rozhovor by Bob Pease
• www.PhilbrickArchive.org  - Bezplatné úložiště materiálů od George A Philbrick / Researches - Operational Amplifier Pioneer
• Jaký je rozdíl mezi operačními zesilovači a přístrojovými zesilovači? , Electronic Design Magazine

Datové listy / datové knihy

• LM301, Single BJT OpAmp, Texas Instruments
• LM324, Quad BJT OpAmp, Texas Instruments
• LM741, Single BJT OpAmp, Texas Instruments
• NE5532, Dual BJT OpAmp, Texas Instruments (NE5534 je podobný single)
• TL072, Dual JFET OpAmp, Texas Instruments (TL074 je Quad)