11. Vlastnosti a parametry operačních zesilovačů

• Značka, zjednodušená schémata, vnitřní struktura
• Základní vlastnosti ideálního/reálného OZ
• Ochrana OZ proti přetížení
• Rozdělení OZ
• Výpočet přenosu invertujícího a neinvertujícího zesilovače

---

Značka, zjednodušená schémata, vnitřní struktura

• Operační zesilovač (OZ) je stejnosměrný zesilovač s velmi vysokým ziskem.
• Původně byly navrženy pro realizaci matematických operací, jako je sčítání, odčítání, násobení, dělení, integrace a derivace, v analogových počítačích.
• Díky svým vlastnostem, které se blíží ideálnímu zesilovači, našly široké uplatnění v mnoha dalších oblastech elektroniky, například v zesilovačích, komparátorech, aktivních filtrech, A/D převodnících, měřicích přístrojích a PID regulátorech.

• Vnitřní struktura

  
  1. Vstupní rozdílový (diferenční) zesilovač:
     • Jeho hlavním úkolem je zesílit rozdíl napětí mezi invertujícím a neinvertujícím vstupem a sloučit jej do jediného signálu. Základem je dvojice tranzistorů (bipolárních nebo unipolárních) se spojenými emitory, které jsou napájeny ze zdroje konstantního proudu. Tento stupeň zajišťuje vysokou vstupní impedanci a potlačení souhlasného signálu (CMRR).
  2. Napěťový budící stupeň (rozkmitový stupeň):
     • Zajišťuje potřebné napěťové zesílení signálu z prvního stupně. Často je realizován jako Darlingtonova dvojice tranzistorů.
  3. Koncový (výstupní) stupeň:
     • Obvykle je tvořen komplementární dvojicí tranzistorů (NPN a PNP) v zapojení beztransformátorového zesilovače. To mu umožňuje dodávat do zátěže kladný i záporný proud s nízkou výstupní impedancí.
     • Zajišťuje nízkou výstupní impedanci a dostatečný proudový výkon pro buzení zátěže. Bývá zapojen jako komplementární zesilovač (tzv. push-pull) ve třídě AB, což minimalizuje zkreslení. Vazba mezi jednotlivými stupni je galvanická, což umožňuje zesilovači pracovat i se stejnosměrnými signály (dolní mezní kmitočet je 0 Hz).

---

Základní vlastnosti ideálního/reálného OZ

Vlastnost	Ideální OZ	Reálný OZ
Napěťové zesílení (A)	Nekonečně velké (A → ∞)	Velké, ale konečné (např. 10⁵–10⁶)
Vstupní odpor (Rin)	Nekonečně velký (Rin → ∞)	Velký (např. 1 MΩ až 10⁹ Ω)
Výstupní odpor (Rout)	Nulový (Rout → 0)	Malý, ale nenulový (např. jednotky až desítky Ω)
Frekvenční pásmo	Nekonečně široké (0 až ∞ Hz)	Omezené, závislé na typu (např. jednotky MHz)
Zkreslení	Nulové	Malé nelineární zkreslení
Vlastní šum	Nulový	Malý, ale existuje
Teplotní závislost	Žádná	Přítomná (zesílení i offset se mění s teplotou)
Offset napětí (Vₒff)	0 V	Malý (µV až mV)
Spotřeba proudu	Žádná	Malá (z napájecího zdroje)

• Statické parametry:

  • Napěťové zesílení otevřené smyčky:
    • Dosahuje hodnot $10^4$.
    • Je to zesílení rozdílu napětí mezi vstupy bez zavedené zpětné vazby.
    • $A_0=\frac{U_2}{U_1}=\frac{U_2}{U_{+}-U_{-}}$
  • Vstupní odpor:
    • U OZ s tranzistory FET na vstupu může dosahovat až $10^{14}\Omega$.
    • Díky vysokému vstupnímu odporu OZ nezatěžuje zdroj signálu.
  • Výstupní odpor:
    • Po zavedení záporné zpětné vazby je velmi malý, v řádu desítek mΩ.
  • Činitel potlačení souhlasného signálu (CMRR):
    • Udává, jak dobře zesilovač potlačuje signál, který je přiveden na oba vstupy současně. Měl by být co největší.
    • $CMRR=20\cdot log\frac{A_0}{A_{CM}}$
  • Vstupní napěťová a proudová nesymetrie (offset):
    • Vzniká kvůli nedokonalé symetrii vstupních tranzistorů. Jedná se o malé napětí nebo proud, které je nutné přivést na vstup, aby na výstupu bylo nulové napětí. Způsobuje tzv. drift, tedy změnu nesymetrie s teplotou.

• Dynamické a nelineární parametry:

  • Rychlost přeběhu (Slew Rate):
    • Definuje maximální rychlost změny výstupního napětí v čase (např. V/µs).
    • Pokud je rychlost změny vstupního signálu vyšší, než je rychlost přeběhu, dochází ke zkreslení výstupního signálu.
    • Běžné hodnoty jsou 0,5–5 V/µs.
  • Mezní výkonová frekvence (ω ):
    • Maximální frekvence sinusového signálu, který je OZ schopen přenést na výstup bez zkreslení a v maximální amplitudě. Souvisí s rychlostí přeběhu vztahem $S={\omega }_m\cdot U_{v\acute{y}stm}$
  • Kmitočtový rozsah:
    • Sahá od stejnosměrného napětí až do desítek MHz. Se zvyšujícím se kmitočtem klesá zesílení.

---

Ochrana OZ proti přetížení

• Ochrana výstupu proti zkratu:
  • Do série s výstupem se zařazuje rezistor o hodnotě 47 Ω až 2 kΩ. Moderní OZ mohou mít integrované elektronické pojistky.
• Ochrana vstupů proti napěťovému přetížení:
  • Lze použít Zenerovy nebo křemíkové diody zapojené mezi vstupy a zem.
• Ochrana proti chybnému připojení napájecího napětí:
  • Do napájecích větví se zapojí ochranné diody.
• Omezení výstupního napětí:
  • Například pro buzení TTL logiky je potřeba omezit výstupní napětí na +5 V.
• Blokovací kondenzátory:
  • V těsné blízkosti napájecích vývodů OZ je nutné zapojit keramické kondenzátory (10–100 nF) proti zemi pro filtraci napájení.

---

Rozdělení OZ

• Operační zesilovače (OZ) lze dělit z několika hledisek, přičemž nejčastěji se setkáváme s rozdělením podle typu signálu, základního zapojení a jejich funkce.

• Rozdělení podle typu vstupního a výstupního signálu:

  • Toto je základní rozdělení, které klasifikuje OZ podle toho, jaký typ signálu (napětí nebo proud) zpracovávají na vstupu a jaký poskytují na výstupu.
    
    
  • Napěťový OZ (napětí na napětí, UU): Jedná se o nejběžnější typ operačního zesilovače. Chová se jako napěťově řízený napěťový zdroj. V ideálním případě má nekonečný napěťový zisk, nekonečnou vstupní impedanci a nulový výstupní odpor.
  • Proudový OZ (proud na proud, II): Tento typ funguje jako proudově řízený proudový zdroj. Ideálně má nekonečný proudový zisk, nekonečný výstupní odpor a nulový vstupní odpor.
  • Transrezistentní OZ (proud na napětí, IU): Chová se jako proudově řízený napěťový zdroj. Ideálně má nekonečný transrezistenční zisk a nulový vstupní i výstupní odpor.
  • Transkonduktantní OZ (napětí na proud, UI): Tento OZ funguje jako napěťově řízený proudový zdroj. V ideálním případě má nekonečný transkonduktanční zisk a nekonečný vstupní i výstupní odpor.

• Rozdělení podle základního zapojení:

  • Toto rozdělení vychází z toho, na který vstup operačního zesilovače je přiveden zesilovaný signál.
    
    
  • Invertující zapojení
  • Neinvertující zapojení
  • Sledovač napětí

• Další rozdělení podle funkce a aplikace:

  • Operační zesilovače byly původně vyvinuty pro realizaci matematických operací a jejich použití v různých specifických obvodech vedlo k dalšímu funkčnímu dělení.
  • Mezi další častá zapojení patří:
    • Součtové zapojení
    • Rozdílové zapojení
    • Derivující zapojení
    • Integrující zapojení
    • Napěťový komparátor (porovnávací obvod)
    • Aktivní elektronické filtry
    • Klopné obvody a omezovače amplitudy

---

Výpočet přenosu invertujícího a neinvertujícího zesilovače

• Ke snížení obrovského zesílení samotného OZ se využívá záporná zpětná vazba, realizovaná nejčastěji rezistorem mezi výstupem a invertujícím vstupem.

• Invertující zesilovač

  • U tohoto zapojení je vstupní signál přiveden přes rezistor R1 na invertující vstup (-). Neinvertující vstup (+) je připojen na zem. Výstupní napětí je zesílené, ale s opačnou polaritou (fázově posunuté o 180°).

  • Princip: Díky velkému zesílení se OZ snaží udržet nulové napětí mezi svými vstupy. Jelikož je neinvertující vstup na zemi, invertující vstup se stává tzv. virtuální zemí (má téměř nulové napětí).

  • Výpočet přenosu (zesílení):

    • Proud tekoucí rezistorem R1 ($I_1=\frac{U_{in}}{R_1}$) nemůže téci do vstupu OZ kvůli jeho vysoké impedanci, a proto musí celý protékat zpětnovazebním rezistorem R2. Podle I. Kirchhoffova zákona pro uzel na invertujícím vstupu platí: $$\begin{gathered} I_1+I_2= \\ \frac{U_{in}}{R_1}+\frac{U_{out}}{R_2}=0 \end{gathered}$$.

    
    
    

    • Z toho plyne vztah pro napěťové zesílení (přenos):
      • Zesílení je dáno poměrem odporů R2 a R1 a je záporné, což značí invertování signálu. $U_{out}=-U_{in}\frac{R_2}{R_1}$ $Z_{in}=R_1$ $A_u=\frac{U_{out}}{U_{in}}=-\frac{R_2}{R_1}$

• Neinvertující zesilovač

  • Vstupní signál je přiveden přímo na neinvertující vstup (+). Zpětnovazební síť (dělič z rezistorů R1 a R2) je připojena na invertující vstup.
  • Vlastnosti: Výstupní signál je ve fázi se vstupním signálem. Zesílení je vždy větší než 1.
  • Oproti invertujícímu zapojení má toto zapojení velmi vysokou vstupní impedanci (řádově MΩ až TΩ), která je dána vstupní impedancí samotného OZ a nezávisí na hodnotách rezistorů.

• Sledovač napětí:

  • Speciálním případem neinvertujícího zapojení je sledovač napětí, kde je výstup přímo spojen s invertujícím vstupem (R2=0, R1=∞). Jeho zesílení je rovno 1 a používá se pro impedanční oddělení – převádí vysokou vstupní impedanci na nízkou výstupní impedanci.

---