Jaroslav Doleèek
MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY Operaèní zesilovaèe a komparátory
5. díl
Praha 2007
Jaroslav Doleèek
Moderní uèebnice elektroniky 5. díl Operaèní zesilovaèe a komparátory
Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnoována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenáena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost titìných materiálù. Pøedkládaná zapojení a informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odkodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Vekerá práva vyhrazena. © Ing. Jaroslav Doleèek, 2007 © Nakladatelství BEN technická literatura, Vìínova 5, Praha 10 Jaroslav Doleèek, MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY BEN technická literatura, Praha 2007
ISBN 80-7300-187-X
STRUÈNÝ OBSAH obsah 1. dílu Základní pojmy, R, L, C 1
ZÁKLADNÍ ELEKTRICKÉ VELIÈINY A POJMY
2
IDEÁLNÍ ELEMENTÁRNÍ AKTIVNÍ A PASIVNÍ LINEÁRNÍ PRVKY
3
ODPOROVÉ OBVODY A VÝKONOVÉ PØIZPÙSOBENÍ
4
EKVIVALENCE PASIVNÍCH JEDNOBRANÙ
5
ANALÝZA LINEÁRNÍCH ELEKTRONICKÝCH OBVODÙ
6
SLOENÉ JEDNOBRANY OBSAHUJÍCÍ IDEÁLNÍ OBVODOVÉ PRVKY
7
PØENOSOVÉ VLASTNOSTI DVOJBRANÙ
8
REÁLNÉ LINEÁRNÍ SOUÈÁSTKY ELEKTRONICKÝCH OBVODÙ
9
PØÍLOHA MATICE A DETERMINANT
obsah 2. dílu Polovodièe a elektronky 1
POLOVODIÈOVÉ SOUÈÁSTKY S JEDNÍM PØECHODEM PN
2
TRANZISTORY A POLOVODIÈOVÉ VÝKONOVÉ A SPÍNACÍ PRVKY
3
ELEKTRONKY
4
POLOVODIÈOVÉ SOUÈÁSTKY BEZ PØECHODU PN
obsah 3. dílu Optoelektronika 1
OPTOELEKTRONIKA
2
DIODY LED
3
LASEROVÉ DIODY (LD)
4
DETEKTORY SVÌTELNÉHO ZÁØENÍ
5
OPTOELEKTRONICKÉ VAZEBNÍ ÈLENY OPTRONY
6
ZOBRAZOVACÍ JEDNOTKY
7
OBRAZOVÉ SENZORY
8
OPTICKÁ VLÁKNA
obsah 4. dílu Zesilovaèe a filtry 1
PØENOSOVÉ VLASTNOSTI PASIVNÍCH LINEÁRNÍCH KOMPLEXNÍCH JEDNOBRANÙ A DVOJBRANÙ
2
PASIVNÍ KMITOÈTOVÉ FILTRY 1. A 2. ØÁDU
3
ANALÝZA ÈASOVÌ PROMÌNNÝCH SIGNÁLÙ
4
ZESILOVAÈE
obsah 5. dílu Zesilovaèe a komparátory 1
ZESILOVAÈE
2
OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE (OZ)
3
PØÍSTROJOVÉ (MÌØICÍ) ZESILOVAÈE
4
NAPÌOVÉ KOMPARÁTORY
5
AUDIO ZESILOVAÈE
PODROBNÝ OBSAH 1
ZESILOVAÈE ........................................................... 9
1.1
Úvod ............................................................................................................. 10
1.2
Pøehled integrovaných zesilovaèù ............................................................ 11
2
OPERAÈNÍ ZESILOVAÈE (OZ) (OPERATIONAL .... 13
2.1
Struènì z historie operaèních zesilovaèù ................................................ 14
2.2
Co je operaèní zesilovaè ............................................................................ 16
2.3
Ideální operaèní zesilovaè s napìovou zpìtnou vazbou (voltage feedback amplifiers, VFA) ........................................................... 19
2.3.1
Hlavní vlastnosti ideálního OZ ................................................................... 19
2.3.2
Základní zapojení ideálního operaèního zesilovaèe1 .............................. 22
2.3.2.1 2.3.2.2 2.3.2.3 2.3.2.4 2.3.2.5 2.3.2.6
Neinvertující zapojení zesilovacího stupnì s OZ (Non-Inverting Op Amp) ................................................................................ 24 Invertující zapojení zesilovacího stupnì s OZ .............................................. 28 Rozdílový (diferenèní) zesilovaè (Differential Op Amp) ................................. 33 Operaèní zesilovaè jako invertující souètový zesilovaè (Voltage Adder) ....... 36 Sloený zpìtnovazební obvod ...................................................................... 38 Obecný tvar invertujícího zapojení OZ .......................................................... 41
2.4
Reálný operaèní zesilovaè s napìovou zpìtnou vazbou ...................... 54
2.4.1
Zjednoduené schéma zapojení ................................................................ 54
2.4.2
Pøehled technologií monolitických operaèních zesilovaèù .................... 57
2.4.2.1 2.4.2.2 2.4.2.3 2.4.2.4
Bipolární operaèní zesilovaèe ....................................................................... 57 CMOS operaèní zesilovaèe .......................................................................... 60 Operaèní zesilovaèe BiFET .......................................................................... 60 Operaèní zesilovaèe BiCMOS a BiMOS ....................................................... 61
2.4.3
Dùleité vlastnosti reálného operaèního zesilovaèe ............................... 61
2.4.3.1 2.4.3.2
Zjednoduený model operaèního zesilovaèe ................................................ 61 Vliv záporné zpìtné vazby na velikost vstupní a výstupní impedance invertujícího a neinvertujícího zapojení OZ .................................................................. 64 Kladná a záporná saturace ........................................................................... 66 Vliv koneèné hodnoty zesílení otevøené smyèky .......................................... 66 Potlaèení souhlasného napìtí (Common mode Rejection Ratio CMRR) ................................................... 73 Citlivost na zmìnu napájecího napìtí (PSRR power supply rejection ratio, kSVR supply-voltage rejection ratio) .......................................................... 75
2.4.3.3 2.4.3.4 2.4.3.5 2.4.3.6
4
J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 5. DÍL
A
2.4.4
Dùleité stejnosmìrné parametry OZ ....................................................... 75
2.4.4.1
Vstupní napìová nesymetrie, vstupní napìový offset UIO (Input Offset Voltage VIO, VOS) ................................................................ 75 Vstupní klidové proudy (Input Bias Currents, IB) .......................................... 77 Vstupní proudová nesymetrie (vstupní proudový offset) (input offset current IIO, IOS) ..................................................................... 79 Celková chyba výstupního napìtí zpùsobená vstupní napìovou nesymetrií a vstupními klidovými proudy ........................................................................ 81
2.4.4.2 2.4.4.3 2.4.4.4 2.4.5
Kmitoètové a pøechodné charakteristiky operaèních zesilovaèù ................................................................................ 84
2.4.5.1 2.4.5.2 2.4.5.3
Vnìjí kompenzace kmitoètové charakteristiky OZ ...................................... 90 Vliv kapacit na vstupu a výstupu OZ na jeho stabilitu ................................... 92 Rychlost pøebìhu SR (Slew Rate) ............................................................. 97
2.4.6
umy v zapojeních s operaèními zesilovaèi .......................................... 101
2.5
Ideální operaèní zesilovaè s proudovou zpìtnou vazbou transimpedanèní zesilovaè (current feedback amplifier, CFA, té CFB op amps) ...................................................................................... 107
2.5.1
Princip zesilovaèe s proudovou zpìtnou vazbou (CFA) ....................... 107
2.5.2
Hlavní vlastnosti ideálního zesilovaèe s proudovou zpìtnou vazbou . 108
2.5.3
Základní zapojení OZ s proudovou zpìtnou vazbou ............................. 109
2.5.3.1 2.5.3.2
Neinvertující zapojení OZ s proudovou zpìtnou vazbou ............................ 110 Invertující zapojení OZ s proudovou zpìtnou vazbou ................................. 111
2.6
Reálný operaèní zesilovaè s proudovou zpìtnou vazbou .................... 112
2.6.1
Kmitoètové charakteristiky CFA .............................................................. 114
2.6.2
Porovnání hlavních vlastností operaèních zesilovaèù s napìovou (VFA) a s proudovou (CFA) zpìtnou vazbou 122
2.7
Operaèní zesilovaèe pro nízká napájecí napìtí ...................................... 125
2.7.1
Operaèní zesilovaèe s nesymetrickým (jednopólovým) napájením (Single Supply Op Amp) ........................................................................... 126
2.7.1.1
Stejnosmìrná vazba zdroje signálu se vstupem zesilovaèe ................................................................................ 127 Støídavá vazba zdroje signálu se vstupem zesilovaèe ................................ 134
2.7.1.2 2.7.2
Operaèní zesilovaèe se zvìtenými mezemi vstupního a výstupního napìtí (rail to rail RR, r to r) ............................................................................... 136
2.8
Rozdìlení operaèních zesilovaèù ............................................................ 141
2.8.1
Dìlení OZ podle typu zpìtné vazby ......................................................... 142
2.8.2
Dìlení OZ podle pouité technologii ....................................................... 142
A
J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 5. DÍL
5
2.8.3
Dìlení OZ podle parametrù ...................................................................... 144
2.9
Pøíklady aplikací operaèních zesilovaèù ................................................ 147
3
PØÍSTROJOVÉ (MÌØICÍ) ZESILOVAÈE ............... 155
3.1
Co je pøístrojový zesilovaè ....................................................................... 156
3.2
Rozdílové zesilovaèe ................................................................................ 157
3.2.1
Pøístrojový zesilovaè se tøemi operaèními zesilovaèi ........................... 158
3.2.1.1 3.2.1.2
Potlaèení souhlasného signálu CMRR ....................................................... 160 Vstupní napìová nesymetrie ..................................................................... 161
3.2.2
Základní zapojení pøístrojového zesilovaèe sloeného ze dvou operaèních zesilovaèù ............................................................... 162
3.2.3
Zpùsoby nastavení zesílení pøístrojových zesilovaèù .................................................................................................. 164
3.2.4
Pøístrojové zesilovaèe s autonulováním ................................................. 166
3.2.5
Hlavní vlastnosti pøístrojových zesilovaèù a jejich pouití ................... 167
3.2.6
Monolitické diferenèní zesilovaèe ........................................................... 168
3.3
Poznámky k aplikacím pøístrojových zesilovaèù .......................................................................... 169
3.4
Pøíklady pouití pøístrojových zesilovaèù .......................................................................... 170
3.4.1
Pøíklad mìøení signálu z tenzometrického mùstku napájeného støídavým proudem ................................................................................... 170
3.4.2
Nesymetrické napájení pøístrojového zesilovaèe .................................. 171
3.4.3
Aplikace AD628 ......................................................................................... 172
4
NAPÌOVÉ KOMPARÁTORY ............................... 175
4.1
Úvod ........................................................................................................... 176
4.2
Princip funkce napìového komparátoru .............................................. 176
4.3
Obvodové uspoøádání napìových komparátorù ........................................................................ 178
4.4
Komparaèní úroveò a hystereze .............................................................. 180
4.4.1
Komparaèní úroveò .................................................................................. 180
4.4.2
Hystereze ................................................................................................... 180
6
J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 5. DÍL
A
4.4.3
Komparátor s hysterezí ............................................................................ 182
4.4.3.1 4.4.3.2
Invertující zapojení komparátoru s hysterezí .............................................. 182 Neinvertující zapojení komparátoru s hysterezí .......................................... 184
4.5
Operaèní zesilovaè ve funkci komparátoru ............................................ 186
4.6
Pouití komparátorù ................................................................................. 188
5
AUDIO ZESILOVAÈE ........................................... 193 Audio pøedzesilovaèe ............................................................................... 194 Výkonové audio zesilovaèe ..................................................................... 195
DODATKY ............................................................ 197 DODATEK A ............................................................................................... 197 DODATEK B ............................................................................................... 204 DODATEK C ............................................................................................... 207
LITERATURA ...................................................... 215 REJSTØÍK ........................................................... 221 SLOVNÍÈEK ........................................................ 222
A
J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 5. DÍL
7
O KNIZE Hlavním zamìøením pátého dílu uèebnice je oblast operaèních zesilovaèù a jejich aplikací. Popisuje hlavní vlastnosti a pravidla pro pouívání operaèních zesilovaèù s napìovou a s proudovou zpìtnou vazbou, vysvìtluje principy pøístrojových zesilovaèù a komparátorù, zmiòuje se o problematice audio zesilovaèù. Popisované obvody jsou základními stavebními prvky analogových a analogovì èíslicových obvodù. Text knihy je úvodem do problematiky, který má ètenáøi umonit, aby získal pøedstavu o monostech a zpùsobech øeení obvodù a systémù s uvedenými integrovanými obvody. Pøi správné aplikaci vede pouívání integrovaných obvodù ke zlepování technických parametrù, ke zvyování spolehlivosti, zmenování rozmìrù, sniování energetické nároènosti a ceny elektronických zaøízení. V textu jsou uvedeny pøíklady obvodù s operaèními a pøístrojovými zesilovaèi a s komparátory spolu se zpùsoby jejich øeení. Aplikacím operaèních zesilovaèù a nìkterých speciálních integrovaných obvodù v oblasti aktivních filtrù, generátorù signálù, tvarovacích a dalích obvodù je vìnováno samostatné pokraèování této knihy. Publikace obsahuje mnoství obrázkù a názornì øeených pøíkladù. Mùe slouit jako studijní pomùcka pro posluchaèe prùmyslových i vysokých kol, a také pro potøeby technické veøejnosti a elektrotechnikù amatérù. Softwarovou pomoc pøi øeení obvodù s operaèními zesilovaèi nabízejí jejich výrobci. Do jejich programù staèí zadat hlavní poadované parametry aplikace, naèe program nabídne typ operaèního zesilovaèe daného výrobce a jeho zapojení, nakreslí kmitoètové charakteristiky atd. Pro obecné øeení elektronických obvodù je moné z èeských programù uvést napø. program SNAP, jeho verzi 2.61 lze stáhnout z internetu na adrese www.webpark.cz/snap. Svìtovì rozíøenými programy jsou napø. PSPICE, MICROSIM, TINA a dalí.
8
J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY 5. DÍL
A
