Operacijsko pojačalo

• Zavisni ili upravljani izvori (naponski ili strujni) mogu predati snagu nekom krugu, za razliku od pasivnih elemenata koji snagu mogu samo apsorbirati• Temeljni dijelovi pojačala i oscilatora su upravljani izvori• Operacijska pojačala (operational amplifier - op amp, OPP) su naponski upravljani naponski izvori vrlo velikoga pojačanja• OPP omogućuju aritmetičke operacije zbrajanja, oduzimanja i množenja s konstantom, također odgovarajućom izvedbom OPP mogu izvoditi operacije deriviranja i integriranja, te realizirati niz drugih praktičnih elektroničkih sklopova• OPP je poluvodički sklop koji sadrži veći broj tranzistora i otpornika, te poneki kondenzator i diodu• Pakirani su u zajedničko kućište koje sadrži jedno ili više OPP s određenim brojem stezaljki (8 do 14 stezaljki)• Unatoč složenosti unutarnje građe sklopa operacijskog pojačala, visoka tehnologija realizacije integriranih krugova omogućila je da je OPP tek malo skuplje od jednoga tranzistora u diskretnoj izvedbi• Zbog svoje jednostavnosti, pouzdanosti, niske cijene i raznovrsnosti imaju široke mogućnosti uporabe (OPP su temeljni blokovi u projektiranju i realizaciji upravljačkih, komunikacijskih i instrumentacijskih krugova i uređaja)

Kućišta OPPMetal can package

1

2

4

5

6

7

8

3

+

- Inverting

input

Noninverting input Balance

Output

Balance

E+

NC

E-

1

2

3

4

8

7

6

5 Balance

Balance NC

Output

Inverting input

Noninverting input

E+

E-

+

-

Dual-In-Line package

• Oznake stezaljki i simbol se ne nalaze na stvarnim uređajima, ali se mogu naći u podacima za odnosno OPP• Stezaljka označena sa NC (no connection) se ne koristi; Stezaljke namještanje (balance) ili izjednačenje (offset) su važne za primjenu OPP u složenijim sklopovima - na njih se spajaju otpornici odgovarajućih vrijednosti koji omogućuju da se izlazni napon može podesiti na nulu, kada je i ulazni napon jednak nuli• Stezaljke E+ i E- spojene su na dvostruki izvor napajanja čije su vrijednosti obično u području od 5V do 15V - Snaga koju OPP predaje okolnoj mreži je upravo snaga koja se crpi iz ovih izvora - Stezaljke napajanja ne prikazuju se u shemama pojačala, ali se pretpostavlja da su uvijek priključene

• Za analizu ulazno-izlaznih svojstava OPP bitne su preostale tri stezaljke: invertirajući ulaz (inverting input), neinvertirajući ulaz (noninverting input) i izlaz (output), koje su u interakciji s ostatkom mreže, odnosno elementima i sklopovima koji "okružuju" pojačalo • Operacijsko pojačalo se može kao i bilo koje drugo pojačalo prikazati u jednostavnoj formi kao cjeloviti blok pomoću 3 temeljna parametra Rul, Riz, A (Ono što ga čini

različitim od drugih tipova pojačala su upravo vrijednosti tih triju parametara• Za OPP ulazni otpor je uvijek vrlo velik, najmanje 100K, a često i znatno više od te vrijednosti naponsko pojačanje otvorenoga kruga A je vrlo veliko (reda veličine 105), izlazna je impedancija vrlo mala i kreće se od 0 do 100• Bez obzira kako je izvedeno, svako pojačalo čiji parametri približno odgovaraju navedenima, može se smatrati operacijskim pojačalom

U1

U2

- Rul Riz

A(U2-U1) U1

U2

Uiz

+

-

Uiz

b) a)

+

• Simbol ima dvije ulazne stezaljke (-) i (+) poznate kao invertirajući i neinvertirajući ulaz • Treća stezaljka u vrhu trokuta je izlazna, Uiz

• Napon na invertirajućem ulazu označen je sa U1 ili U- a na neinvertirajućem ulazu sa

U2 ili U+

• Oba ova napona mjere se u odnosu na referentni čvor , masa/uzemljenje, koji na simbolu nije posebno naznačen• Na prethodnoj slici prikazan je model OPP, ako se žele analizirati svojstva nekog kruga operacijsko pojačalo se može zamijeniti modelom, a zatim se primjene uobičajene metode analize krugova• Međutim, pogodnije je za analizu rada sklopova s OPP primijeniti tzv. metodu prividnoga (virtualnoga) kratkog spoja, gdje se uzima u obzir činjenica da su Rul i A

vrlo veliki, a Riz vrlo mali

• Metoda se bazira na aproksimacijama beskonačno velikih Rul i A i beskonačno malog

Riz; Operacijsko pojačalo takvih svojstava naziva se idealno operacijsko pojačalo,

iako ono u praksi ne postoji, njegova primjena u analizi daje rezultate bliske realnom OPP, a sama analiza je bitno pojednostavljena

Idealno OPPU1

U2

+ -

A Uiz

  Metoda prividnoga kratkog spoja kod idealnog OPP primjenjuje se pod slijedećim pretpostavkama:•Nema razlike potencijala između ulaznih stezaljki:•Obje struje koje ulaze u ulazne stezaljke su jednake nuli: 

0 izul R ; R ; A

021 UU

021 ulul II

A

EUU 12Uiz<E Uiz=AU2-U1

• Za vrlo veliki A razlika ulaznih napona mora biti približno jednaka nuli, što je dokaz valjanosti prve pretpostavke, čak i za A ispravno konfigurirano OPP će imati konačni izlazni napon, jer neki konačni Uiz podijeljen sa beskonačnim pojačanjem daje U2-U1=0• Druga pretpostavka slijedi iz prve, a u vezi je i s vrlo velikim ulaznim otporom; Ulazna struja (U2-U1)/Rul mora biti vrlo mala, odnosno približno jednaka nuli, a to je potvrda druge pretpostavke.

UG

U2

U1

R2

R1 I1

I2

Uiz

-

+Iul2=0

Iul1=0

A

Tipična realizacija sklopa s OPP

• Smatrat ćemo OPP idealnim u smislu Rul, Riz=0, ali s konačnim pojačanjem A

• U tom je slučaju izlazni napon: Uiz=A(U2-U1)

• Kako je U2=0 (neinvertirajući ulaz uzemljen), dobije se za U1:

 A

UU iz1

11

11 R

A

UU

R

UUI

izG

G

22

12 R

UA

U

R

UUI

iziz

iz

1

211

2

1

1

AR

RRR

R

U

U

G

iz

1

2

R

R

U

U

G

iz

Invertirajuće pojačalo

UG

U2

U1

R2

R1 I1

I2

U iz

-

+

2122

11 R

U

R

U

R

UI ;

R

UI izGizG

1

2

R

RUU Giz

Neinvertirajuće pojačalo

UG

U2

U1

R2

R1 I1

I2

U iz

-

+

22

1

11

11 R

UU

R

UUI ;

R

U

R

UI izGiz

2G

21 R

UU

R

U izGG

1

212

1

21R

R

U

URRuz

R

RUU

G

izGiz

UG

U 2

U 1

RT

IT

I2=0

U iz

-

+

Naponsko slijedilo

Uiz=UG

•Zove se naponsko slijedilo, jer izlazni napon slijedi ulazni napon generatora• Ulaz U2 vezan je na UG, a iz svojstva OPP

je U1=U2

• Ulaz U1 spojen je izravno na izlaz, pa

očigledno vrijedi Uiz=UG. • Kako je A=1 funkcija sklopa nije naponsko pojačanje, sklop se zove još i izolacijsko pojačalo ili separator (buffer)• U elektroničkim se krugovima koristi za zaštitu trošila RT od protjecanja struje

izravno iz generatora ili nekoga prethodnog dijela sklopa, dakle postavlja se između dva dijela složenoga kruga, kada se želi izbjeći njihovo međusobno djelovanje• Struju trošilu predaje samo operacijsko pojačalo, jer je I2=0

• Važno je da struja kroz trošilo IT ne prijeđe maksimalno dozvoljenu izlaznu struju

OPP• Naponsko slijedilo posebno je upotrebljivo kada se trošilo malog otpora opskrbljuje iz izvora velikoga unutarnjeg otpora• Zbog svojega velikog ulaznog i malog izlaznog otpora predstavlja dobar transformator (pretvarač) impedancije.

Sumirajuće pojačalo

UG1

U2

U1

R f

R1

U iz

-

+

RN

R2

UGN

UG2

1

2

f

iz

n

GnGG

R

U

R

U .....

R

U

R

U 2

2

1

1

N

n n

Gnf

n

fGn

fG

fGiz R

UR

R

RU

R

RU

R

RUU

122

11 .....

N

nGn

fGNGG

fiz U

R

RU ..... UU

R

RU

1121

1

N

nGnGNGGiz UU ..... UUU

121

• Primjer uporabe ovakvoga sklopa je "audio mixer" gdje ulazni naponi dolaze s nekoliko odvojenih mikrofona, a izlazni napon je njihova suma

Diferencijalno pojačalo

UG1

U 2

U 1

R 2

R 1 I1

I3

U iz

-

+R 1

R2UG2

1

2I2

I4

2131 R

UU

R

UU II izG1

2142 R

U

R

UU II G2

2122

21121

RRURU

RRURURU

G

izG

22121 RURURU GizG

121

2GGiz UU

R

RU 1122 GGiz UaUaU

Područje rada operacijskog pojačala

Usat

-Usat

U1,U2

Uiz

Aktivno područje

Uiz=f(U1)

Uiz=f(U2)

• Karakteristika je aproksimirana trima ravnim segmentima koji definiraju dva temeljna područja rada OPP• Područje u kojem vrijedi linearni odnos Uiz=AUul

je aktivno područje i to je uobičajeno područje rada OPP• Kada ulazni naponi pređu iznad, ili padnu ispod određenih nivoa, izlazni napon se zadržava na konstantnoj vrijednosti• Uzork tomu je sljedeći: OPP je priključeno na dvostruki istosmjerni izvor napajanja +E i -E, (uobičajeno 15V). Za očekivati je da pojačalo ne može generirati izlazni napon, koji bi bio veći od vlastitog izvora napajanja. Postoji neka granična vrijednost nakon koje pojačalo ulazi u područje zasićenja ili saturacije za pozitivne i negativne napone. Upravo je to područje u kojem ulazno-izlazna prijenosna karakteristika prelazi u vodoravnu crtu. Dva su takova područja za pozitivni i za negativni ulazni napon. Izlazni naponi Usat nazivaju

se naponima zasićenja. • Mjerenja na realnim OPP pokazuju da su ti naponi samo malo manji od napona napajanja E; Naponi zasićenja ograničuju opseg vrijednosti izlaznih napona koji se mogu postići s OPP; Rad u području zasićenja pogodan je za primjene OPP, kao što su digitalni sklopovi, komparatori i sl.

Realno operacijsko pojačalo

Diferencijalno pojačalo

Naponsko pojačalo

Separator i podeš. nivoa

Pojačalo snage

Uiz U1

U2

• Prvi (ulazni, tranzistori Q1 i Q2) stupanj je diferencijalno pojačalo. Kako njegova ulazna impedancija obično nije dovoljno velika, izvode se modificirane inačice temeljnog sklopa diferencijalnog pojačala ili se umjesto bipolarnih koriste unipolarni tranzistori. Kao rezultat dobije se ulazna impedancija reda veličine M i naponsko pojačanje oko 50 dB. • Drugi stupanj je naponsko pojačalo visokoga pojačanja, oko 60 dB (Darlington, tranzistori Q14 i Q15).• Tipična vrijednost ukupnog pojačanja nakon prva dva stupnja je reda veličine 105(oko 110dB)• Slijedeći međustupanj sadrži separator (buffer) realiziran emiterskim slijedilom i sklop za podešavanje nivoa. Potonji sklop potreban je za podešavanje izlaznog napona na nulu za slučaj kada je ulazni napon jednak nuli. • Izlazni stupanj (driver) je protutaktno pojačalo snage male izlazne impedancije, obično oko 100 (tranzistori Q23 i Q24)

Operacijsko pojačalo 741

• Najpopularnije operacijsko pojačalo koje predstavlja industrijski standard nosi oznaku 741, a tipična izvedba prikazana je na slici• To je linearni integrirani krug s 24 tranzistora, 11 otpornika i jednim kondenzatorom• Proizvode ga razni proizvođači koji uz broj 741 daju svoje kodne oznake, primjerice 741 (Fairchild) ili LM741 (National Semiconductors)• Ako postoji dodatno slovo uz temeljnu oznaku, njime se definiraju temperaturna svojstva, kao A741 A (vojno-tehnički uvjeti rada u rasponu od -550C do +1250C) ili 741 C (industrijski uvjeti za temperaturni raspon od 00C do 700C)• S istosmjernim napajanjima UCC=UCE=15V postižu se izlazni naponi od ±12V (oko 80% napajanja)• Izlaz 741 pojačala zaštićen je od kratkog spoja tako da je izlazna struja ograničena na 25mA 

.... Operacijsko pojačalo 741

Tipični parametri ovog pojačala su:

• Naponsko pojačanje otvorenog kruga A Pod otvorenim krugom podrazumijeva se da nema povratne veze s izlaza na bilo koji od ulaza. Pojačanje A je omjer promjene izlaznog napona u odnosu na promjenu diferencijalnoga ulaznog napona. Tipična vrijednost je A=200000.

• Ulazni otpor Rul

To je otpor gledano u dvije ulazne stezaljke i obično je iznosa 2M. Ponekad se navodi kao otpor između ulaznih stezaljki i uzemljenja.

•Izlazni otpor Riz

Tipična vrijednost za 741 pojačalo je 75.

.... Operacijsko pojačalo 741

Korisnik ne mora znati mnogo o unutarnjoj strukturi bloka pojačala, ali mora znati sve o karakteristikama koje imaju upliva na njegova svojstva s motrišta ulaza i/ili izlaza iz bloka. Te podatke daje proizvođač u detaljnoj tehničkoj specifikaciji. Tako pored spomenutih, realno operacijsko pojačalo sadrži i niz drugih važnih parametara, od kojih ćemo navesti najvažnije:• Faktor potiskivanja (Common Mode Rejection Ratio, skraćeno CMRR) Tipična vrijednost mu je 90dB (AD/AZ32000). Jedna od bitnih praktičnih prednosti diferencijalnog pojačala je potiskivanje neželjenih signala i šumova. • Ulazni napon namještanja ili ulazni napon izjednačenja (Input offset voltage)To je napon koji mora djelovati između ulaznih stezaljki da bi izlazni napon bio jednak nuli. Između offset (balance) stezaljki OPP 741 postavlja se potenciometar od 10K priključen na odgovarajući istosmjerni izvor. Promjenom položaja klizača potenciometra podesi se izlazni napon na nulu. Tipična vrijednost potrebnog ulaznog napona izjednačenja je 1mV. • Ulazna struja napajanja (Input bias current)Definira se kao srednja vrijednost dviju ulaznih struja u pojačalo za slučaj kada su oba ulaza uzemljena, a izlazni napon jednak nuli. Karakteristična vrijednost za A741 je 80nA.

 

.... Operacijsko pojačalo 741

• Ulazna struja namještanja ili izjednačenja (Input offset current)To je razlika ulaznih struja za iste uvjete za koje se određuje i ulazna struja napajanja. Karakteristična vrijednost za A741 je 20nA.• Izlazni napon namještanja ili izlazni napon izjednačenja (Output offset voltage)To je izlazni napon OPP kada su ulazne stezaljke uzemljene.• Brzina promjene izlaznog napona (Slew rate)To je maksimalna brzina promjene izlaznog napona dUiz/dt koja se dobije kao odziv na pobudu velikim ulaznim odskočnim (step) signalom. OPP mora ostati u linearnom području. Kada bi se pokušale dobiti brže promjene izlaznog napona nego što dozvoljava specificirani "slew rate", pojavile bi se nelinearnosti u izlaznom signalu. Tipična vrijednost za 741 je 0,5V/s uz A=1. 

 

Operacijsko pojačalo 741