Operacijsko pojačalo: razlika između inačica

Izvor: Wikipedija
Izbrisani sadržaj Dodani sadržaj
Xqbot (razgovor | doprinosi)
Luckas-bot (razgovor | doprinosi)
Redak 142: Redak 142:
[[sv:Operationsförstärkare]]
[[sv:Operationsförstärkare]]
[[ta:செயல்படு பெருக்கி]]
[[ta:செயல்படு பெருக்கி]]
[[tr:Op amp]]
[[tr:İşlemsel kuvvetlendirici]]
[[uk:Операційний підсилювач]]
[[uk:Операційний підсилювач]]
[[vi:Mạch khuếch đại thuật toán]]
[[vi:Mạch khuếch đại thuật toán]]

Inačica od 12. listopada 2010. u 18:07

Operaciono pojačalo se u pravilu odnosi na elektronički sklop ili na integriranu elektroničku komponentu s mogućnosti pojačanja izmjeničnog i istosmjernog napona. Operaciono pojačalo ima u pravilu diferencijalni (simatrični) ulaz, jedan izlaz i vrlo veliko naponsko pojačanje kontrolirano negativnom reakcijom koja u cijelosti određuje njegova prijenosna svojstva. Ulazni električni otpor suvremenih operacionih pojačala može se smatrati praktički beskonačno velikim, dok je unutarnji električki otpor operacionog pojačala zanemarivo mali.

Povijest

Prvo operaciono pojačalo koje po svojim karakteristikama odgovara tom nazivu bilo je izvedeno elektronskim cijevima i sagrađeno u Bellovim laboratorijima, Sjedinjene Američke Države, tijekom 1941. godine. Operaciono pojačalo (slika desno) je imalo tri elektronske cijevi, naponsko pojačanje od kojih 90 dB i napajanje od 350V, a koristilo se u uređaju za navođenje artiljerijske vatre tijekom II svjetskog rata koji je zahvaljujući upravo operacionom pojačalu postigao prosječno 90% pogodaka. Pojava najprije germanijevog tranzistora 1947. godine te silicijevog tranzistora 1954. godine omogućila je daljnji brz razvoj operacionih pojačala. Tijekom 1961. godine konstruirano je prvo operaciono pojačalo u diskretnoj tehnici i izvedeno na tiskanoj pločici s odgovarajućim konektorima. Operaciono pojačalo u diskretnoj tehnici izvedeno s bipolarnim tranzistorima značajno je unaprijedilo karakteristike operacionih pojačala kako u pogledu pouzdanosti i dinamičkih svojstava, tako i u pogledu energetske učinkovitosti i niže cijene. Operaciona pojačala su se već tijekom 1962. godine serijski izrađivala u obliku modula koji se mogao priključiti u odgovarajući konektor na tiskanoj pločici, gdje se na taj način operaciono pojačalo moglo smatrati elektroničkom komponentom unutar složenijeg elektroničkog sklopa.

Operaciono pojačalo u diskretnoj tehnici


Prvo monolitno integrirano operaciono pojačalo, μA702, zamislio je Bob Widlar, Fairchild Semidonductor, SAD i proizvedeno je 1963. godine. Monolitni integrirani krug sadržavao je integrirane sve potrebne elektroničke sastavne dijelove, no tehnološki problemi proizvodnje kočili su dominaciju monolitnih operacionih pojačala sve do 1965. godine kada je proizveden znatno bolji μA709.

Monolitna operaciona pojačala su i dalje usavršavana te je 1967. godine proizvedeno monolitno integrirano operaciono pojačalo pod nazivom LM101, nakon čega je samo godinu dana kasnije uslijedio i poznati μA741, integrirani krug koji se pod raznim imenima radi svoje univerzalne primjene proizvodi i danas.

Razvojem unipolarnih tranzistora proizvedena su sedamdesetih godina prva operaciona pojačala izvedena JFET unipolarnim tranzistorima na ulazu operacionog pojačala, nakon čega su uslijedila i operaciona pojačala s MOSFET unipolarnim tranzistorima osamdesetih godina prošlog stoljeća.

Oznaka operacionog pojačala

Univerzalna oznaka, odn. simbol operacionog pojačala (slika desno) razlikuje invertirajući (V-) i neinvertirajući ulaz (V+), izlaz operacionog pojačala (V_out) i napajanje operacionog pojačala (V_S+, V_S-).

Invertirajući ulaz okreće fazu ulaznog električnog signala te se on na izlazu operacionog pojačala pojavljuje kao pojačani napon suprotnog predznaka, dok neinvertirajući ulaz pojačava ulazni signal ne zakrećući njegovu fazu te se on na izlazu operacionog pojačala pojavljuje u fazi, odn. s istim polaritetom. Operaciona pojačala se u pravilu napajaju iz stabiliziranog ispravljača sa simetričnim naponom.


Nadomjesni sklop operacionog pojačala

Operaciono pojačalo je složeni elektronički sklop koji objedinjuje brojne manje cjeline (diferencijalni ulaz, izvori konstantne struje za postavljanje radnih točaka, izlazni stupanj i td.). U razmatranju karakteristika operacionog pojačala uobičajeno je operaciono pojačalo zamisliti kao nadomjesni sklop (slika lijevo).

Sa stanovišta korisnika operaciono pojačalo je opisano svojim u pravilu vrlo velikim ulaznim otporom na kojem se pojavljuje ulazni napon , naponskim pojačanjem G, gdje je naponski izvor definiran nazivnim naponom i relativno malim izlaznim otporom operacionog pojačala ().


Frekvencijska karakteristika operacionog pojačala

Frekvencijska karakteristika operacionog pojačala mora osigurati frekvencijsku stabilnost pojačala na višim frekvencijama. To se kod starijih operacionih pojačala postiže vanjskom, a kod suvremenijih monolitnih integriranih pojačala unutarnjom frekvencijskom kompenzacijom pojačanja operacionog pojačala.

Pojačanje operacionog pojačala (slika desno) počinje se smanjivati u tom smislu već za ulazni napon frekvencije veće od kojih 50 Hz () i to strminom 6 dB/oktavi, odn. 20 dB/dekadi. Frekvencijskom kompenzacijom pojačanja osigurava se da u području viskih frekvencija povratni signal negativne reakcije ne može imati dovoljnu veliku amplitudu i dovoljno velik fazni pomak za nastanak samooscilacija.


Način spajanja operacionog pojačala

Operaciono pojačalo se može izvesti kao diferencijalno pojačalo te kao sklop s asimetričnim ulazom u neinvertirajućem ili invertirajućem spoju.

Operaciono pojačalo kao diferencijalno pojačalo

Idejno rješenje jednostavnog diferencijalnog pojačala izvedenog operacionim pojačalom

Diferencijalno pojačalo izvedeno je operacionim pojačalom (slika lijevo), gdje se ulazni simetrični električni napon (, ) dovodi na invertirajući, odnosno neinvertirajući ulaz operacionog pojačala. U izvedbi diferencijalnog pojačala treba mrežu otpornika izvesti na način da su i ulazni otpor i pojačanje diferencijalnog pojačala jednaki za oba ulaza. Naponsko pojačanje invertirajućeg, odnosno neinvertirajućeg ulaza sklopa sa slike je određeno jednakostima:

i

gdje su pojačanja po definiciji diferencijalnog pojačala suprotnih predznaka. Simetričnost ulaznog otpora i naponskog pojačanja invertirajućeg i neinvertirajućeg ulaza postiže se uz uvjet da je: = i =. Izlazni napon se u obliku asimetričnog napona pojavljuje na izlazu operacionog pojačala i može se koristiti za pobudu slijedećeg stupnja elektroničkog uređaja.

Operaciono pojačalo u neinvertirajućem spoju

Operaciono pojačalo u neinvertirajućem spoju

Operaciono pojačalo u neinvertirajućem spoju (slika desno) ne zakreće fazu ulaznog signala () te se on na izlazu operacionog pojačala pojavljuje pojačan () i u istom faznom odnosu s ulaznim signalom. Naponsko pojačanje operacionog pojačala u neinvertirajućem spoju je prema pojednostavljenom prikazu na slici određeno otporima i :

Ulazni otpor sklopa je vrlo velik te se u stvarnoj izvedbi paralelno ulazu operacionog pojačala u neinvertirajućem spoju spaja otpornik s odgovarajućom vrijednosti električnog otpora koja tada u cijelosti definira ulazni otpor sklopa.

Sklop može poslužiti kao osnova ua konstrukciju mikrofonskog poretpojačala za priključak mikrofona s niskom ili visokom izlaznom impedancijom ili za izvedbu linijskog ulaza (radio, magnetofon i sl.).

Operaciono pojačalo u invertirajućem spoju

Operaciono pojačalo u invertirajućem spoju

Operaciono pojačalo u invertirajućem spoju (slika lijevo) zakreće fazu ulaznog signala () te se on na izlazu operacionog pojačala pojavljuje pojačan () i fazno zakrenut za .

Naponsko pojačanje operacionog pojačala u invertirajućem spoju je prema pojednostavljenom prikazu na slici određeno otporima i :

Ulazni otpor sklopa određen je nazivnom vrijednosti otpora i može se u širokim granicama prilagoditi izlaznom otporu (impedanciji) priključenog električnog izvora,dok je izlazni otpor vrlo mali što se odnosi i na operaciono pojačalo u neinvertirajućem spoju. Sklop također može poslužiti kao osnova za konstrukciju mikrofonskog poretpojačala za priključak mikrofona s niskom ili visokom izlaznom impedancijom ili za izvedbu sklopa pretpojačala linijskog ulaza (radio, magnetofon i sl.).

Niskofrekventno pojačalo snage s OP u predstupnju

Niskofrekventno pojačalo snage s OP u predstupnju

Operaciono pojačalo može poslužiti i za izvedbu niskofrekventnog pojačala snage jednostavne konstrukcije (slika desno).

Sklop je izveden u hibridnoj tehnici, odn. u kombinaciji operacionog pojačala u integriranoj izvedbi i izlaznog dijela pojačala snage izvedenog u diskretnoj tehnici. Operaciono pojačalo u tom smislu postavlja osnovnu radnu točku izlaznog stupnja pojačala i osigurava odgovarajuće naponsko pojačanje, dok tranzistori u izlaznom stupnju spojeni kao NPN/PNP zakretači faze (C945/A733) pobuđuju izlazne tranzistore snage (C5042). Trimerski potenciometri u izlaznom krugu omogućuju točno određivanje kolektorske struje mirovanja u izlaznom krugu. Umjesto navedenim, pojačalo se može izvesti i brojni drugim bipolarnim tranzistorima odgovarajućih karakteristika. Ulazni otpor sklopa prema slici iznosi 10 kOhma, naponsko pojačanje =100, a izlazna snaga pojačala je oko 6 W na opteretnom otporu od 4 Ohma.

Značaj

Upotreba i ugradnja operacionog pojačala kao cjelovite elektroničke komponente je daleko lakša, jednostavnija i jeftinija nego ugradnja znatno većeg broja elektroničkih komponanti (otpornika, dioda i tranzistora) koji bi imali istu funkciju. Operaciona pojačala imaju brojne primjene te se uz odgovarajuće ostale elektroničke komponente koriste kao:

  • audio i video pojačala
  • komparatori napona
  • diferencijalna pojačala
  • diferencijatori i integratori
  • aktivni elektronički filteri
  • vrlo točni ispravljači
  • vrlo točni detektori razine električnog signala
  • naponski i strujni regulatori
  • analogno-digitalni konverteri
  • digitalno-analogni konverteri
  • oscilatori i generatori valnih funkcija.


Literatura

  • Electronic Circuits (Fifth edition) by Sedra/Smith
  • D.F. Stout Handbook of Operational Amplifier Circuit Design (McGraw-Hill, 1976, ISBN 007061797X ) pp. 1–11.

Predložak:Link FA