Vlastnosti operačních zesilovačů


  1. Vlastnosti ideálního operačního zesilovače
    Operační zesilovače jsou zesilovače určené pro zapojení se zápornou zpětnou vazbou. Vlastnosti obvodu s operačním zesilovačem mají být dané pouze charakterem zpětné vazby a nemají být ovlivněny vlastnostmi samotného operačního zesilovače. Proto jsou na operační zesilovače kladeny zvláštní požadavky a mají typické parametry.

  2. Zesílení
    Platí:, z toho a výsledné zesílení
    Čím větší bude zesílení A operačního zesilovače, tím méně na něm bude záviset výsledný přenos smyčky uzavřené zpětnou vazbou. Zesílení ideálního operačního zesilovače je , čemuž odpovídá výsledný přenos uzavřené smyčky . Výstupní napětí zesilovače s má konečnou hodnotu, pouze je-li vstupní napětí blízké nule, tedy můžeme-li předpokládat, že napětí na neinvertujícím vstupu a napětí na invertujícím vstupu jsou shodná, přestože nejsou galvanicky spojena. Tento jev se nazývá virtuální nula a je základem pro výpočet obvodů s operačními zesilovači se zápornou zpětnou vazbou.

  3. Vstupní odpor
    Vstupní napětí operačního zesilovače nesmí být závislé na vnitřním odporu zdroje signálu ani na jeho změnách.
    Platí: .
    Pro bude nezávisle na vnitřním odporu zdroje signálu.
    Ideální operační zesilovač má nekonečně velký vstupní odpor.

  4. Výstupní odpor
    Výstupní napětí operačního zesilovače nesmí být závislé na zatěžovacím odporu.
    Platí: .
    Pro bude nezávisle na zatěžovacím odporu.
    Ideální operační zesilovač má nulový výstupní odpor.

  5. Frekvenční přenos samotného operačního zesilovače (otevřené smyčky)
    Frekvenční přenos ideálního operačního zesilovače má integrační charakter .
    Pro začíná pokles zesílení se strmostí -20 dB/dek. Pro stabilitu zesilovače je rozhodující kmitočet , kdy amplituda přenosu =1 (0 dB). Hodnota frekvence se označuje také jako šířka pásma .
    Správně frekvenčně kompenzovaný operační zesilovač má při tomto kmitočtu sklon amplitudové charakteristiky -20 dB/dek a fázi .

  6. Rychlost přeběhu S (Sleew Rate)
    Rychlost přeběhu je maximální rychlost změny výstupního napětí operačního zesilovače .
    Pro běžné operační zesilovače je S = 0,2 až 20, specielní S = 100 až 2500.

  7. Mezní výkonová frekvence wm=2pfm
    Mezní výkonová frekvence je maximální frekvence sinusového signálu, který přenese operační zesilovač na výstup bez zkreslení a v maximální amplitudě.
    Sinusový signál na výstupu derivujeme podle času .
    Maximální rychlost změny sinusového signálu je rovna maximu jeho derivace, které je v bodech a jeho hodnota je .
    Tím je určen vztah mezi rychlostí přeběhu a mezní výkonovou frekvencí .
    Tvarové zkreslení signálu v důsledku nízké rychlosti přeběhu se projevuje zpomalením náběhu v jeho nejstrmějších úsecích.

  8. Přechodová charakteristika
    Přechodová charakteristika ideálního operačního zesilovače má odpovídat přenosu 1. řádu (exponenciela).
    Přechodová charakteristika reálného operačního zesilovače se může značně lišit:
    Na přechodové charakteristice lze určit tyto intervaly:
    1. td doba zpoždění odezvy - 0 až 10% ustálené hodnoty
    2. tr doba náběhu - 10% až 90% ustálené hodnoty
    3. ts doba ustálení - od prvního dosažení 90% ustálené hodnoty do doby, od které zvlnění zůstává v pásmu od ustálené hodnoty. Nejčastěji v rozsahu .
    4. tz doba zotavení po popřebuzení v impulsním režimu - od okamžiku přechodu z přebuzeného stavu do okamžiku, od kterého zůstává zvlnění v pásmu od ustálené hodnoty. Pro dobu zotavení platí přibližný vztah .

  9. Vstupní klidové proudy operačního zesilovače
    Do vstupů skutečného operačního zesilovače tečou klidové proudy IB+ a IB- . Jejich velikost pro bipolární zesilovače je 0,01 až 1 mikroampér, pro vstupy FET je menší než 1 pA. Proudy obou vstupů nejsou obvykle shodné, proto se udává střední vstupní proud .

  10. Vstupní proudový offset (vstupní proudová nesymetrie)
    je rozdíl velikostí vstupních proudů obou vstupů . Přibližně platí: .

  11. Vstupní napěťový offset (vstupní napěťová nesymetrie)
    Vstupní proudový offset vyvolá v konkrétním zapojení operačního zesilovače nenulové výstupní napětí i při nulovém diferenčním napětí mezi oběma vstupy. Hodnota vstupní napěťové nesymetrie je hodnota napětí na vstupu, při které je výstupní napětí skutečně nulové .

  12. Proudový a napěťový drift
    je změna proudového a napěťového offsetu v závistosti na teplotě.
    Proudový drift je udáván v .
    Typická hodnota napěťového driftu je .

  13. Činitel potlačení součtového signálu H (common mode rejection ratio)
    Operační zesilovač je rozdílový, jeho zesílení je definováno . Kromě toho reálný operační zesilovač zesiluje i průměrné souhlasné napětí na svých vstupech: . Potom .
    Činitel potlačení součtového signálu je poměr: .
    Ideální operační zesilovač má činitel potlačení součtového signálu .
    Reálný operační zesilovač dosahuje .

  14. Šum operačního zesilovače
    Vyjadřujeme velikostí vstupního šumového napětí a vstupního šumového proudu na vstupu ideálního bezšumového operačního zesilovače.
    Celkové šumové napětí na vstupu je
    Johnsonův tepelný šum v rezistorech:
    k = 1,38.10-23 J/K …Boltzmanova konstanta
    T [K]…absolutní teplota
    Df [Hz]…šířka frekvenčního pásma
    Ri [W]…velikost odporu, kde šum vzniká
    Celkový šum OZ včetně tepelného šumu odporů
    Mimo Johnsonova tepelného šumu se projevuje Schottkyho šum při frekvencích 1kHz až 100kHz, interferenční šum v pásmu 10Hz až 1kHz a polovodičový šum 1/f na frekvencích 0,1Hz až 10Hz.

  15. Napájení operačních zesilovačů
    Klasické napájení operačních zesilovačů je symetrické dvojí polarity (typicky ±15V), dvěma zdroji napětí. Jejich společná svorka představuje tzv. operační zem, která je referenčním uzlem pro operační napětí vstupů a výstupů operačních zesilovačů.
    Moderní operační zesilovače mohou pracovat i s malým napájecím napětím (5V), protože mají nízká saturační napětí. Lze je napájet nesymetricky, jedním napětím proti zemi, zem může být společná i pro výkonové prvky.