Műveleti erősítő

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Különböző műveleti erősítők 8 lábú DIL tokozásban.

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.

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 felépítése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Bemeneti fokozat[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 fokozat[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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

Végerősítő fokozat[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 felépítése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 katalógusadatai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 kompenzálása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 alapkapcsolásai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 alapkapcsolás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Neminvertáló alapkapcsolás.jpg

 A_v = {U_{ki} \over U_{be}} = 1 + {R1 \over R2}


Invertáló alapkapcsolás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Invertáló alapkapcsolás.jpg

 A_v = - {R2 \over R1}


Összeadó áramkör[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Analóg összegző.jpg

 U_{ki} = -R \left({U_1 \over R_1} + {U_2 \over R_2} + {U_3 \over R_3} ...\right)


Kivonó áramkör[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Analóg különbségképző.jpg

 U_{ki} = {R_2 \over R_1}(U_2 - U_1)


Hiszterézises komparátor alapkapcsolás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Hiszterézises komparátor.jpg


Analóg integráló alapkapcsolás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Integráló alapkapcsolás.jpg

 u_{ki} = - {1 \over RC} \int_{0}^{t} u_{be}\, dt + k

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

Analóg differenciáló alapkapcsolás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Differenciáló alapkapcsolás.jpg

 u_{ki} = -RC{du_{be} \over dt}


Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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