Obsah:
Není možné mluvit o analogové elektronice, aniž bychom zahrnuli operační zesilovače. V tomto příspěvku odhalíme tajemství těchto mimořádně užitečných čipů!
Operační zesilovač – Operační zesilovač je zesilovač stejnosměrného proudu o velkém zesílení. Obvykle pracuje v obvodu se zpětnou vazbou, která určuje parametry systému, jehož je součástí.
Operační zesilovač - co to je?
Operační zesilovače, známé také pod hovorovým názvem opamp (z anglického operational amplifiers), jsou nesmírně důležité „cihly“, na nichž je založena naprostá většina moderní analogové elektroniky. Díky své univerzálnosti a vynikajícím parametrům si našly cestu do nespočtu elektronických obvodů, které provádějí různé operace zpracování signálu: zesílení, usměrnění střídavého proudu, filtraci, tvarování pulzů, stabilizaci napětí a proudu, hardwarovou emulaci indukčnosti a mnoho, mnoho dalšího.
Konstrukce operačního zesilovače je založena na třech hlavních prvcích: bipolárních tranzistorech nebo tranzistorech s polem, rezistorech a (v mnohem menším počtu) kondenzátorech, samozřejmě v rámci stejné monolitické křemíkové struktury. Jejich vnitřní uspořádání se obvykle skládá z několika stupňů zesilovače, napájecích obvodů, obvodů pro kompenzaci teploty a frekvence a dalších doplňkových prvků, které plní například funkci ochrany proti přepětí ESD na vstupech.
Operační zesilovače mají obvykle dva vstupy: invertující vstup (označený „-“ nebo „IN-“) a neinvertující vstup (označený „+“ nebo „IN+“). Obecný princip činnosti je velmi jednoduchý: zesilovač „snímá“ napětí mezi vstupem „+“ a svorkou „-“, poté tento (malý) rozdíl potenciálů silně zesílí a takto zpracovaný signál vyšle na výstup (označený „OUT“).
Nejdůležitější vlastností operačních zesilovačů zůstává jejich velmi (velmi!) vysoké zesílení, přesněji označované jako zesílení v otevřené smyčce, které může dosahovat hodnot tisícinásobku nebo dokonce milionnásobku (V/V). To znamená, že například vstupní rozdíl potenciálů 1 mikrovolt (0,000001 voltu!) může vést (v závislosti na typu zesilovače, individuálních vlastnostech jednotky a jejích provozních podmínkách) k výstupnímu signálu 1 V (tj. milionkrát většímu).
Takto vysoké zesílení je samozřejmě v praxi potřeba jen zřídka – vyskytuje se především u vysoce přesných a drahých laboratorních zařízení nebo lékařských přístrojů. Obvykle potřebujeme mnohem slabší zesílení, např. 10x, 100x nebo dokonce 1000x – abychom takových parametrů s operačním zesilovačem dosáhli, je nutné jej zapojit do tzv. zpětnovazební smyčky – tedy část výstupního signálu takříkajíc nasměrovat zpět na vstup. Tímto způsobem je zesilovač takříkajíc „ochočen“. – funguje (alespoň většinou) přesně tak, jak bychom na základě výpočtů očekávali.
A tady máme skvělou zprávu – naprostá většina výsledných parametrů obvodu, založeného na operačním zesilovači, závisí téměř výhradně na prvcích použitých ve zpětnovazební smyčce. Například – dva vhodně zvolené rezistory (jeden mezi výstupem a invertujícím vstupem a druhý mezi invertujícím vstupem a zemí obvodu) stačí k nastavení výsledného zesílení celého obvodu na dobře definovanou hodnotu.
Další důležitou vlastností operačních zesilovačů je vysoký poměr potlačení společného signálu (CMRR – angl. Common Mode Rejection Ratio). CMRR vyjadřuje schopnost operačního zesilovače tlumit napětí, která se vyskytují na obou vstupech zesilovače ve stejné fázi, tzv. signály ve společném módu. Čím vyšší je společný koeficient útlumu, tím lépe se operační zesilovač vyrovnává s eliminací rušení nebo posunů, a tedy tím více „vytahuje“ diferenciální složku (jinými slovy napětí mezi vstupy „+“ a „-“).
Další parametry operačních zesilovačů
Každý operační zesilovač je popsán řadou důležitých katalogových parametrů, které určují jeho schopnosti a vhodnost pro použití v konkrétních typech elektronických obvodů. Například přenosové pásmo určuje rozsah frekvencí, ve kterém bude operační zesilovač schopen zpracovávat signály s minimálním zkreslením. Tento parametr je přísně závislý na konkrétním modelu zesilovače a může se pohybovat (obvykle) od několika kilohertzů až po několik set MHz nebo dokonce mnoho gigahertzů. V zájmu přesnosti je třeba poznamenat, že šířka pásma se obvykle udává jako tzv. GainBandWidth (GBW), protože čím vyšší je frekvence signálů, tím slabší je jejich zesílení opampem.
Rozsah napájecího napětí, ve kterém operační zesilovač správně pracuje, může být například +/-5 V až +/-15 V, ačkoli existují zesilovače schopné pracovat s napětím mnohem nižším (např. 1,8 V) nebo vyšším (např. až 40 V). U přenosných zařízení a dalších systémů napájených z baterií nebo akumulátorů má značný význam také odběr proudu – ten se může pohybovat v rozmezí od zlomku mA do několika mA, ale energeticky úsporné verze mohou pracovat s odběrem proudu ze zdroje v řádu několika desítek mikroampérů nebo dokonce méně.
Vstupní impedance naproti tomu měří odpor, který obvod klade na svých vstupech signálům, které jsou na ně přivedeny. Operační zesilovače mají obvykle velmi vysokou vstupní impedanci, což znamená, že odebírají malý proud ze zdroje signálu, čímž minimalizují zatížení tohoto zdroje, a tím snižují úroveň zkreslení a útlumu. Podobně výstupní impedance určuje odpor z pohledu výstupní strany zesilovače – čím nižší, tím lepší, protože zesilovač je schopen dodávat proud potřebný k řízení větší zátěže bez ztráty amplitudy signálu.
Dalším velmi důležitým parametrem operačních zesilovačů, kritickým zejména pro přesné měřicí systémy, je vstupní nerovnovážné napětí. Označuje malý rozdíl potenciálů mezi invertujícím a neinvertujícím vstupem operačního zesilovače v rovnováze. Jinými slovy, nepřesnosti na úrovni křemíkové struktury (kterým se při sériové výrobě nelze vyhnout) způsobují, že zesilovač považuje určitou úroveň napětí mezi vstupy za zkrat (nulový rozdíl potenciálů) a – v důsledku toho – zesilovač reaguje na skutečný zkrat vstupů (napětí na vstupech „+“ a „-“ stejné hodnoty), jako by mezi nimi bylo malé rozdílové napětí.
Pro audio systémy, měřicí přístroje nebo lékařské přístroje má také velký význam úroveň šumu, která odráží schopnost operačního zesilovače udržovat nízkou úroveň rušení, které vnáší do výstupního signálu. Šum je elektronickým obvodům vlastní a může pocházet z různých zdrojů, jako jsou tepelné fluktuace odporu nebo šum vznikající v důsledku jevů na kvantové úrovni.
Výběr operačního zesilovače - základní principy
Při návrhu vlastního analogového obvodu je třeba vzít v úvahu všechny výše popsané katalogové parametry, i když – to nepopírám – to vyžaduje značné zkušenosti a znalosti o návrhu a provozu zesilovačů, filtrů, zdrojů proudu, obvodů pro tvarování impulsů a mnoha dalších oblastí aplikací operačních zesilovačů.
Zatímco například u systému zesilujícího signál z fotorezistoru nebo fototranzistoru v jednoduchém mobilním robotu (jako je světelný nebo čárový sledovač) na úrovni šumu pravděpodobně příliš nezáleží (pokud neplánujeme postavit ultra citlivé vozidlo schopné detekovat neviditelné množství světla), mnohem důležitější bude rozsah napájecího napětí a schopnost pracovat v režimu rail-to-rail. Tento termín označuje omezení, kterým jsou vystaveny signály na vstupech a výstupech operačního zesilovače – R-R zesilovače jsou zvláště užitečné v obvodech napájených z baterií, kde má konstruktér k dispozici pouze jedno (unipolární) napájecí napětí, např. 5 V (a nikoli – jako v mnoha analogových zařízeních – bipolární napájení, např. +/- 15 V). Vysoká vstupní impedance bude naopak důležitá například v systémech pracujících přímo s fotodiodami – optoelektronickými prvky, které v reakci na světelný podnět generují slabý proud.
