Műveleti erősítő

A műveleti erősítők néhány tucat tranzisztorból felépített közvetlen csatolt nagy[1] feszültségerősítéssel rendelkező áramkörök. A műveleti erősítőket az angol operational amplifier kifejezés rövidítése alapján gyakran nevezik „op-amp”-nek. Jellemzőik széles tartományban változtathatnak a felépítésüktől függően. Szimmetrikus bemenettel és általában aszimmetrikus kimenettel, nagy bemeneti és nagyon kis kimeneti ellenállással rendelkeznek. Jellemző még rájuk a linearitás és az alacsony határfrekvencia.

Különböző műveleti erősítők 8 lábú DIL tokozásban.

Felépítésük szerint lehet diszkrét elemekből felépített, vagy integrált áramkör. A műveleti erősítő megnevezésnek történeti okai vannak, mivel ezt a típusú áramkört a második világháború alatt analóg számítógépekhez dolgozták ki.


A műveleti erősítők széles körben elterjedtek alacsony áruk és széles tartományban rugalmasan beállítható jellemzőik miatt. Megtalálható egyen- és váltakozófeszültségű erősítőkben, keverőkben, mérőműszerekben, rezgéskeltőkben, szabályozástechnikai áramkörökben és így tovább. Néhány különleges monolit- vagy hibrid technológiával megvalósított típusa nagyon jó minőségű (gyors, nagyfeszültségű, kis zajú, jó bemeneti jellemzőkkel), ára ennek megfelelően magasabb.

A műveleti erősítők felépítéseSzerkesztés

Bemeneti fokozatSzerkesztés

A bemeneti fokozatban egy differenciálerősítő helyezkedik el. (A rajzon citromsárgával jelölve)

Feladata a szimmetrikus bemenet, valamint, az eredő áram- és feszültségdrift kis szinten tartása a bemeneten. Két szimmetrikus erősítőfokozatból épül fel. A következő fokozatban fázisösszegzőt helyeznek el, ami a differenciálerősítő szimmetrikus kimeneti jelét aszimmetrikussá alakítja át.

A „-” jellel jelölt bemenetet invertáló vagy fázisfordító bemenetnek nevezik, mivel erre a bemenetre kapcsolt feszültség a kimeneten fordított polaritással, illetve 180°-os fázistolással jelenik meg. Az erősítő az invertáló bemenetére kapcsolt feszültséget felerősíti és invertálja.

A „+” jellel jelölt bemenetet neminvertáló vagy fázist nem fordító bemenetnek nevezik, mivel a rákapcsolt feszültség azonos polaritással, illetve azonos fázishelyzetben jelenik meg a kimeneten. Az erősítő neminvertáló bemenetére kapcsolt feszültséget felerősíti, de nem invertálja.

Feszültségerősítő fokozatSzerkesztés

Ezt az aszimmetrikus jelet szintillesztés után egy újabb feszültségerősítő fokozat erősíti megfelelő szintre. (A rajzon okkersárgával jelölve)

Végerősítő fokozatSzerkesztés

A kimeneten elhelyezkedő végerősítő fokozat (A rajzon kékkel jelölve) egy újabb szinteltoló fokozaton kapja a vezérlőjelet. Az újabb integrált műveleti erősítők kimenetét a túlterhelés ellen áramkorlátozó elektronika védi.


Működés szempontjából a műveleti erősítő a vonatkoztatási ponthoz képest szimmetrikus tápfeszültséget igényel. Ha a műveleti erősítő két bemenetére különböző feszültséget kapcsolunk, akkor a kimeneten a két feszültség felerősített különbsége jelenik meg.

A 741 típusú műveleti erősítő felépítéseSzerkesztés

A bemeneten elhelyezkedő differenciálerősítő (kék vonallal bekeretezve) offset kiegyenlítése a Q5 és Q6 tranzisztorok emitterkörébe kötött 1kΩ-os ellenállások, és a kivezetett offset nullázó kimenetek (1-es 5-ös kivezetés) segítségével történik.

A jel a Q4, Q6 tranzisztorok közös kollektorpontjáról az áramkör fő feszültségerősítő fokozatát alkotó Q15-Q19 darlington-kapcsolás bázisára kerül. A darlington-kapcsolás munkaellenállása a Q12-Q13 tranzisztorokból felépített áramgenerátor. A 30 pF értékű kondenzátor az áramkör frekvenciakompenzálását végzi. Ez a kondenzátor azonban nemcsak az erősítő határfrekvenciáját szabja meg, hanem a kapcsolás slew rate értékét is hozzávetőleg 0,6 V/μs-re. A kimeneti fokozatot a Q14 és Q20 tranzisztorok alkotják, AB osztályú komplementer erősítőként, amelynek rövidzárlat elleni védelmét a Q17 tranzisztor látja el.

A kapcsolásra jellemző, hogy kevés passzív elemet tartalmaz, ahol lehet inkább aktív elemeket használ.

A műveleti erősítők katalógusadataiSzerkesztés

RBES Bemeneti ellenállás

A műveleti erősítő szimmetrikus bemeneti ellenállása. Jellemző értéke bipoláris tranzisztoros bemeneti fokozat esetén néhány MΩ, FET tranzisztoros bemenet esetén néhány TΩ.

A bemeneti impedancia nagyobb frekvenciákon jellemző érték, amely már a kapacitív tagokat is figyelembe veszi a bemeneten.

CBES Bemeneti kapacitás

A műveleti erősítő szimmetrikus bemeneti kapacitása. Ez az érték erősen hőmérséklet, illetve frekvenciafüggő, értéke néhány pF.

RKI Kimeneti ellenállás

A műveleti erősítő aszimmetrikus kimeneti ellenállása. Visszacsatolás nélkül az értéke néhány 10 Ω és néhány 100 Ω között szokott lenni a végerősítő fokozat kivitelétől függően.

UKImax Kivezérelhetőség

A maximális kimeneti feszültség, aminél az erősítő teljesíti az adatlap szerinti jellemzőket,

AUO Nagy jelű differenciális feszültségerősítés

A bemenetekre kapcsolt feszültséget (Az invertáló, és neminvertáló bemenet feszültségének a különbsége) az erősítő külső visszacsatolás nélkül hányszorosára erősíti a kimenetén, névleges terhelés mellett. Ez az érték általában 100 dB körüli (néhány 100 000 szeres), különleges kapcsolásokkal elérhető 170 dB feletti erősítés is.

CMRR Közös módusú feszültségelnyomási tényező

A Nagy jelű differenciális feszültségerősítés és a közös módusú feszültségerősítés (Amikor az invertáló, és neminvertáló bemenetet közösen vezéreljük a referenciaponthoz képest) hányadosa dB-ben kifejezve. Értéke tipikusan 90 dB feletti.

Utmax Maximális tápfeszültség

Az a tápfeszültség amely mellett az áramkör károsodás nélkül elvisel.

Utmin Minimális tápfeszültség

A minimális tápfeszültség amely mellett a műveleti erősítő még üzemképes.

SVRR Tápfeszültség elnyomási tényező

A tápfeszültség változás hatására jelentkező kimeneti feszültség, és az azt létrehozó tápfeszültség változás hányadosa, általában decibelben kifejezve értéke általában 80 dB feletti

Ukimax Maximális kimeneti feszültség

Mivel erősen függ a terhelő ellenállástól a katalógusok általában grafikusan adják meg.

Ikimax Maximális kimeneti áram

A műveleti erősítő maximális kimeneti árama (Tipikusan a tokozáson belül korlátozva)

SR Maximális jelváltozási sebesség (Slew Rate)

 
A slew rate hatása a négyszögjelre (piros a bemeneti- zöld a kimeneti jelalak)

Gyakran a magyar szakirodalom is az angol nevén nevezi ezt a paramétert. A kimeneten mérhető maximális jelváltozási sebesség (meredekség), jellemzően V/μs nagyságrendű. Az SR-nél nagyobb jelváltozási sebességű jelet nem tud előállítani, ezt legkönnyebben négyszögjel vezérlés mellett lehet megfigyelni és mérni.

Ezt a paramétert a kompenzálás módja nagymértékben befolyásolja.

f0 Nyílt hurkú sávszélesség (határfrekvencia)

Azt a frekvenciát jelent, ahol visszacsatolatlan erősítő erősítése 3 dB-t csökken a névleges frekvencián mért erősítéshez képest. Jellemzően 5-10 Hz körüli érték (a visszacsatolt erősítő határfrekvenciája nagyobb lesz).

Adatlapokon gyakran a frekvencia és az azon a frekvencián érvényes feszültségerősítés szorzatát adják meg (GBP, Gain Bandwidth Product), egy az f0-nál nagyobb frekvencián (a frekvenciamenet jellege miatt a GBP nem függ a frekvenciától, legalábbis a két törésponti frekvencia között). Például egy adott μA741-nél 100 kHz-en mérve 1 MHz körüli a GBP, azaz 100 kHz-en 10-szeres az erősítés stb.

Belső kompenzálású áramköröknél ez az érték hőmérsékletfüggő lehet.

A műveleti erősítők frekvencia kompenzálásaSzerkesztés

 
A kompenzált és kompenzálatlan műveleti erősítő átviteli diagramja.

Mivel a műveleti erősítőket általában külső visszacsatoló áramkörökkel együtt használjuk, elvárás, hogy a visszacsatolt áramkör is stabilan működjön (ne lépjen fel gerjedés, illetve oszcillátorok esetén a rezgés kontrollált legyen).

A frekvenciakompenzálás (röviden kompenzálás) célja, hogy a műveleti erősítő frekvencia/erősítés karakterisztikája „egy töréspontos” legyen, azaz az erősítés csökkenése az egységnyi erősítés eléréséig sehol ne haladja meg a 20 dB/dekád meredekséget.

A kompenzálás lehet:

  • belső (Például:μA741), ebben az esetben a frekvenciakompenzáló áramkört a műveleti erősítő tokozásán belül helyezik el. Előnye, hogy a kompenzáláshoz nem szükségesek külső elemek, ami a felhasználást egyszerűsíti, a kivezetések számát csökkenti. A hátránya, hogy a lapka tervezésekor eldől, hogy milyen feltételekkel stabil az áramkör, ami a gyakorlatban általában alacsonyabb határfrekvenciát, kisebb jelváltozási sebességet jelent, mint külső kompenzálással elérhető lenne.
  • Külső (Például:μA709), ekkor a frekvenciakompenzáció elemeit külön kell az áramkörbe beépíteni. Előnye, hogy a frekvenciakompenzálást az adott felhasználáshoz lehet igazítani. Hátránya, hogy az áramkör így bonyolultabb (1 vagy 2 áramköri elem beépítése szükséges pluszban a belső kompenzálású műveleti erősítőhöz képest), illetve tervezéskor a kompenzáló áramkört is méretezni kell, amit a gyártók általában a katalógusokban található grafikonokkal segítenek. Különleges igények esetén fel kell venni a kapcsolatot a gyártóval, az áramkör adataival kapcsolatban.

Műveleti erősítők alapkapcsolásaiSzerkesztés

Az itt ismertetett képletek feltételezik, hogy a műveleti erősítők erősítése végtelenül nagy, illetve a feldolgozandó jel a kapcsolás határfrekvenciája alatt van. Ezek a gyakorlatban általában megengedhető egyszerűsítések, speciális felhasználás esetén azonban az elhanyagolásokkal tisztában kell lenni.

Nem invertáló alapkapcsolásSzerkesztés

 


Invertáló alapkapcsolásSzerkesztés

 


Összeadó áramkörSzerkesztés

 


Kivonó áramkörSzerkesztés

 


Hiszterézises komparátor alapkapcsolásSzerkesztés


Analóg fázist fordító integráló alapkapcsolásSzerkesztés

 

ahol k értéke a kezdeti feltételektől (t=0) függ

Analóg fázist fordító differenciáló alapkapcsolásSzerkesztés

 


ForrásokSzerkesztés

  1. Általában 100 dB feletti, gyakorlati szempontból végtelen nagy.