Transcript OPERAČNÍ ZESILOVAČ

OPERAČNÍ ZESILOVAČ
VOŠ a SPŠ Varnsdorf
Elektrická měření
Bc. David FURKA
ZÁKLADNÍ INFORMACE O OZ:
• základní člen měřicích zesilovačů a převodníků,
• stejnosměrně vázaný zesilovač |AU| > 104 (až 109),
• 2 vstupy – invertující a neinvertující,
• 1 výstup,
• zesiluje rozdíl mezi napětími na vstupech (UD).
ELM - operační zesilovač
1
OZ – náhradní schéma
• OBVODY S UZAVŘENOU
ZPĚTNOVAZ. SMYČKOU
↓
OZ považujeme ZA IDEÁLNÍ
Vlastnosti obvodu dány
zpětnovazebním obvodem
• Pro ideální zesilovač platí:
–
–
–
–
|AU| → ∞
Ri → ∞
Ro = 0
I1P = I1N = 0
ELM - operační zesilovač
2
Reálný operační zesilovač
•
•
•
•
•
•
•
•
svorky navíc (frekvenční komp., komp.vstupní napěťové nesymetrie)
konečné zesílení
frekvenčně závislé zesílení (pro vyšší kmit. je AU kompl.číslo)
nenulové vstupní klidové proudy (10-7 až 10-12 A)
– stř.hod.vstupního klid. proudu IB=(1/2)(I1P+I1N)
– vst. rozdílový proud (vst. zbytkový proud) I01= I1N + I1P ~ 0,1 IB
vstupní napěťová nesymetrie – ofset (pro UD=0 je Uo≠0
→ kompenzace UD0 [μV až mV]
změny vst. nap. nesymetrie – drift (zhoršování kompenzace teplotou)
omezení výstupního napětí – saturace
omezená max.rychlost změny výst.napětí – max. doba přeběhu
ELM - operační zesilovač
3
Převodní charakteristika
Převodní charakteristika OZ
• napájeno větš. symetricky
(typicky +15 V, -15 V)
Uo [V]
15
10
5
UD = U1P - U1N
0
• na výstupu lze pak získat
max. 13,5 ÷ 14 V
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
-5
-10
-15
-20
ELM - operační zesilovač
4
Měřicí zesilovače
U/U I/I U/I I/U
• Určené pro zesílení velmi malých napětí a proudů za účelem měření
• Používají OZ s uzavřenou zpět. vazbou – rozdělení podle druhu ZV
• Stejnosměrně vázané zesil. – zesilují od stejnosměrného signálu do
signálu o horní mezní frekvenci fh  - 3 dB
• S kondenzátorem na vstupu  střídavý zesilovač  zesiluje mezi
dolním a horním kmitočtem fd a fh
ELM - operační zesilovač
5
Měřicí zesilovače
frekvenční charakteristiky
stejnosměrně váz. zesilovač
střídavě vázaný zesilovač
ELM - operační zesilovač
6
U/U zesilovač (neinvertující)
R2
U1  U 2
R1  R2
Rvst  Rvýst  0
 R1 
U 2  U1 1  
 R2 
R1
A  1
R2
ELM - operační zesilovač
7
U/U zesilovač (invertující)
I1   I 2
U1
U2

R1
R2
R2
U 2  U1
R1
Rvst  R1
Rvýst  0
ELM - operační zesilovač
R2
A
R1
8
I/U Převodník
I1   I 2
U2
I1  
R2
U 2   I1 R2
U 2  k p I1
Rvst  0
Rvýst  0
ELM - operační zesilovač
k p   R2
9
U/I Převodník (invertující)
I1   I 2
U1
 I2
R1
U1
I2  
R1
Rvst  R1
Rvýst  
ELM - operační zesilovač
I 2  kU1
1
kp  
R1
10
U/I převodník (neinvertující)
U 1  I 2 R2
U1
I2 
R2
I 2  U 1k p
Rvst   Rvýst  
ELM - operační zesilovač
1
kp 
R2
11
Zesilovač I/I
R1
I zv  I 2
  I1
R1  R2
Rvst  0 Rvýst  
 R2 
I 2   I1 1  
 R1 
 R2 
A  1  
 R1 
ELM - operační zesilovač
12
Další aplikace oper. zesil.
•
•
•
•
•
•
•
Napěťový sledovač
Napěťový komparátor
Aktivní sčítač proudů
Aktivní sčítač napětí
Diferenciální zesilovač
Aktivní integrátor
Aktivní derivátor
ELM - operační zesilovač
13
Napěťový sledovač
• zvláštní provedení neinv.
zesilovače U/U
• zesílení A = 1
Použití:
• Impedanční přizpůsobení
měřicích obvodů
Rvst  
Rvýst  0
ELM - operační zesilovač
14
Napěťový komparátor
• porovnává dvě napětí přivedená na vstupy
(měřené a referenční)
• výstup (logic. 0, 1) – dle polarity rozdílu vstupních napětí
• komparátor bez hystereze - nejjednodušší
• komparátor s hysterezí – nereaguje v pásmu hystereze
ELM - operační zesilovač
15
Komparátor bez hystereze
•
• bez zpětné vazby
• reaguje na malé změny
vst. napětí
• pro min. šum vstupních
signálů
ELM - operační zesilovač
16
Komparátor s hysterezí
• při malém kolísání vstupů  výstup konst.
• nereaguje na kolísání vstupu v pásmu
hystereze UA – UB
R1
U S  U r 
U A  Ur 
R1  R2
R1
 U S  U r 
UB  Ur 
R1  R2
ELM - operační zesilovač
17
Aktivní integrátor s OZ
• převádí vstupní napětí u1 na nabíjecí
proud kondenzátoru Ic
• velikost u1 lineárně ovlivňuje
rychlost růstu u2
t
t
1
1
u2 (t )   ic ( )d  
u1 ( )d

C0
RC 0
5
15
u2 [V]
u1 [V]
4
12
3
9
2
6
u1A
1
u1B
u2A
3
u2B
0
0
t
t
ELM - operační zesilovač
18
Aktivní sčítač napětí
R2
U o   R2 I  
R1
ELM - operační zesilovač
n
U
i 1
i
19
Aktivní sčítač proudů
n
U o   RI   R I i
i 1
ELM - operační zesilovač
20
Diferenční zesilovač
U2
UA 
UB
2
U1  U B U B  U o

R
R
U o  2U B  U 1  U 2  U 1
ELM - operační zesilovač
21