Analógové spracovanie signálov - zosilňovače
| Predmet |
|
|---|---|
| Konfigurovateľné mikroprocesorové systémy | |
| Tématická časť: | |
| Analógové spracovanie signálov |
Zosilňovač je elektronické zariadenie, ktoré je schopné transformáciou elektrickej energie z vonkajšieho napájacieho zdroja meniť parametre vstupného signálu. Z hľadiska elektroniky býva považovaný za aktívny dvojbran (nelineárny), ktorý je tvorený zosilovacím prvkom a pomocnými obvodmi zaisťujúcimi nastavenie a stabilizáciu pracovného bodu.
Obvykle zosilňovač slúži predovšetkým k zosilneniu amplitúdy signálu, alebo jeho úrovne na požadovanú hodnotu. Používa se ale i v zapojeniach, kde je potreba zmeniť tvar signálu a iných.
Obsah
- 1 Rozdelenie zosilňovačov
- 1.1 Podľa použitých aktívnych súčiastok
- 1.2 Podľa druhu a kmitočtu vstupného signálu
- 1.3 Podľa veľkosti vstupného (budiaceho) signálu
- 1.4 Podľa počtu stupňov
- 1.5 Podľa šírky přenášaného (zosilovaného) kmitočtového pásma
- 1.6 Podľa väzby medzi zosilovacími stupňami
- 1.7 Podľa polohy kľudového pracovného bodu
- 1.8 Podľa zapojenia tranzistorov
- 2 Operačný zosilňovač
- 3 Zdroje
Rozdelenie zosilňovačov
Zosilňovače môžeme deliť podľa konštrukcie, zosilňovacieho média, podľa veľkosti budiaceho signálu, podľa typu budiaceho signálu alebo napríklad podľa triedy zapojenia. Obvykle udávanými parametrami sú u nich zisk, šírka zosilovaného pásma a skreslenie.
Často býva v zariadeniach použitá kombinácia zosilňovačov ktoré signál upravujú postupne – najprv je zosilnený predzosilovačom, potom zosilňovačem (ktorý by ale s nepredzosilneným signálom nebol schopný pracovať) a nakoniec výkonový zosilňovač.
Podľa použitých aktívnych súčiastok
- elektrónkové zosilňovače
- tranzistorové zosilňovače
- zosilňovače s integrovanými obvodmi
- zosilňovače s inými súčiastkami (výbojky, relé, optoelektrické prvky … )
Podľa druhu a kmitočtu vstupného signálu
- nízkofrekvenčné (20Hz-20Khz. Použitie v elektroakustických zariadeniach)
- vysokofrekvenčné (20Khz a viac. K bezdrôtovému prenosu správ )
- impulzové (Používa se tam kde se pracuje s impulzmi …. Televízna technika, PC, rádiolokácia)
- jednosmerné (podstatná súčást meracích a regulačných zariadení, analógových PC atp.)
- mikrovlnné
- operačné
Podľa veľkosti vstupného (budiaceho) signálu
- predzosilovače - zosilujú signály malej úrovne
- výkonové zosilňovače – zosilují signály z predzosilovačov na požadovaný výkon
Podľa počtu stupňov
- jednostupňové
- viacstupňové
Podľa šírky přenášaného (zosilovaného) kmitočtového pásma
- úzkopásmové
- širokopásmové
Podľa väzby medzi zosilovacími stupňami
- s väzbou RC (kapacitná väzba) – patrí medzi najpoužívanejšie väzby.
- s transformátorovou väzbou
- s priamou väzbou
Podľa polohy kľudového pracovného bodu
- Trieda A - Triedou A rozumieme nejjednoduchšie riešenie, v ktorom výstupné tranzistory vedú (tj. nebudú celkom uzavrené) bez ohľadu na časový priebeh výstupného signálu. V tejto súvislosti potom hovoríme o vysokej linearite, ale malej účinnosti.
- Trieda B - U zosilňovačov, pracujúcich v triede B, vedú výstupné tranzistory len v rámci jednej polperiody (180 °) časového priebehu vstupného signálu. Inými slovami, k zosilneniu celého signálu budeme potrebovať dva prvky, jeden spracuje kladné výstupné úrovne a druhý tie zostávajúce – záporné. Trieda B síce vykazuje v zrovnaní s predchádzajúcim prípadom oveľa väčšiu účinnosť, trpí však zásadným prechodovým skreslením v oblasti, kde výstupný signál prechádza nulou.
- Trieda AB - Spojením toho najlepšieho z tried A a B vznikne trieda AB, ktorú charakterizujeme väčšou účinnosťou (v zrovnaní s triedou A) a menším skreslením (keď zrovnáme s triedou B). Za všetko môže jednoduchý posun pracovného bodu oboch tranzistorov tak, aby viedli aj v oblasti minimálnych amplitúd, kde inak východzia trieda B vykazuje nepríjemné nelinearity. V praxi to potom znamená aktivitu oboch tranzistorov i v prípadě malých signálov (trieda A). Väčšie amplitúdy sú potom spracované tak ako v triede B, pričom pre každú polperiódu je opět aktivovaný len jeden tranzistor.
- Trieda D - Zosilňovače triedy D produkujú pulzne spracovaný signál s kmitočtom, výrazne presahujúcim najvyššie zložky, ktoré ešte potrebujeme reprodukovať. Odozva výstupného, dolnopropustného filtru potom odpovedá privedenému vstupnému signálu. Základnou výhodou celej štruktúry je vysoká účinnost, ktorá často presiahne i 90 %, pretože výstupné tranzistory sú behom svojej činnosti buď celkom zopnuté nebo úplne deaktivované. Týmto spôsobom celkom vylúčime účasť lineárnej oblasti daného tranzistoru, ktorá je príčinou neúčinnosti zostávajúcich metód. Moderné zosilňovače triedy D pritom v otázke vernej reprodukcie dosahujú výsledkov zrovnateľných s triedou AB.
- Trieda G - Trieda G sa veľmi podobá zosilňovacím štruktúrám triedy AB, snáď len s tým rozdielom, že s radosťou využije dve alebo i viac napájacích hladín. Pokiaľ potrebujeme spracovať malé signálové úrovne, zosilňovač zvolí nižšie napájanie. Ak sa zvýšia amplitúdy, pomôže si celá štruktúra vyššou hladinou napájacieho napätia. Zosilňovače triedy G tak môžu v zrovnaní s triedou AB premrhať menej drahocennej energie, pretože maximálna veľkost napájecieho napätia využijú len v prípade skutočnej potreby, zatiaľčo zosilňovače triedy AB pobežia z plného napájania neustále.
- Trieda H - Zosilňovače triedy H regulujú svoje napájacie napätie s cieľom minimalizovať napäťové úbytky na koncovom stupni. Praktické prevedenie tak zahrňuje väčší počet diskrétnych úrovní alebo dokonca plynule nastaviteľnú veľkost napájacieho napätia. Aj keď sa na prvý pohľad môže veľmi podobať spôsobu, ktorým znižuje výkonové straty trieda G, nebudeme v prípade triedy H nutne vyžadovat viac napájacích zdrojov. Tento prístup je pri obecnom zrovnaní s inými návrhmi komplexnejší, pretože vyžaduje špeciálne štruktúry, ktorými zaistí predvídateľnost zmien i následné riadenie napájania.
Podľa zapojenia tranzistorov
- zo spoločným emitorom SE
- zo spoločnou bázou SB
- zo spoločným kolektorom SC
Operačný zosilňovač
Operačný zosilňovač (skratka OZ) je univerzálny jednosmerný zosilovací analogový elektronický obvod, ktorý je základným prvkem analógových elektronických systémov. Operačný zosilňovač je často v praxi a pre výpočty nahradzovaný ideálnym operačným zosilňovačom.
História
Operačné zosilňovače boli pôvodne vyvinuté pre realizáciu matematických operácií (odtiaľ ich názov) v ére analogových počítačov.
Prvé operačné zosilňovače boli konštruované z elektróniek a neskôr se prešlo na diskrétne polovodičové súčiastky. Dnešné operačné zosilňovače sú takmer výhradne konštruované ako integrované obvody, pričom často jeden taký obvod združuje niekoľko OZ.
Prvné integrované operačné zosilňovače pochádzajú z konca 60. rokov 20. storočia. Vôbec prvý bol obvod Fairchild μA709, ale ten bol skoro vytlačený obvodom μA741, ktorý je klasikou vo svete operačných zosilňovačov a vyrába ho mnoho firiem v mnoho prevedení dodnes. Obidva uvedené typy ako aj rada dalších OZ sú konštruované iba z bipolárnych tranzistorov.
Až v 70. rokoch sa začali v OZ používať unipolárne tranzistory FET a v 80. rokoch tranzistory MOSFET. Tieto súčiastky výrazne zlepšujú parametre OZ, takže se takmer blížia ideálnemu OZ. Konštrukcia mnohých OZ vybavených unipolárnymi tranzistormi aj tak stále vychádza z klasického obvodu 741, u neho je len niekoľko bipolárnych tranzistorov zamenených za unipolárne.
Behom tridsaťročného vývoja operačných zosilňovačov sa ťažisko ich aplikácií prenieslo z výskumných laboratórií aj do priemyselného využitia.
Stavba
Operačné zosilňovače fungujú ako diferenciálný napäťový zosilňovač s vysokým ziskom a jednosmernou vnútrnou väzbou (modulárnou stavbou) a diferenčnými vstupmi, invertujúci (označovaný -) a neinvertujúcí (označovaný +) vstup a obvykle jednoduchý výstup.
Vývody frekvenčnej korekcie se používajú k potlačeniu zákmitov operačného zosilňovača, ak nieje vstup vybavený vnútornou korekciou. Ak je invertujúcí vstup U- uzemnený a signál privedený na neinvertujúcí vstup, potom signál na výstupe je vo fáze s vstupným signálom. Ak je neinvertujúcí vstup U+ uzemnený a signál privedený na invertujúcí vstup, potom signál na výstupe je fázovo posunutý o 180° vzhľedom k vstupnému signálu.
Niekteré špeciálne operačné zosilňovače ale bývajú vybavené diferenciálnym výstupom. Vzhľadem k vysokému zisku sú obvody konštruované s operačnými zosilňovačmi väčšinou vybavené zápornou spätnou väzbou, ktorá takmer výhradne určuje ich chovanie.
Vnútorné zapojenie
Vnútorná štruktúra operačného zosilňovača je väčšinou tvorená tromi zosilovacími stupňami. Vstupný zosilovací stupeň je tvorený diferenčným zosilovačom s velkým zosilnením rozdielu vstupných signálov U+ - U- (zosilnenie rozdielového signálu Ad) a nízkym zosilnením súhlasných signálov, privedených súčasne na obidva vstupy (zosilenie súhlasného signálu Ag). Diferenčný vstupný zosilovač má velký vstupný odpor. Za vstupným zosilovacím stupnom nasleduje jeden alebo niekoľko stredných zosilovacích stupňov, ktoré zaisťujú napäťové i prúdové zosilenie. Postupné napäťové zosilenie je nutné pre zabezpečenie veľkého zosilenia operačného zosilovača, prúdové zosilnenie je potrebné pre činnosť jeho koncového stupna, ktorý má malý výstupný odpor.
Vlastnosti operačnýchch zosilňovačov
Zosilnenie rozdielového signálu
Zosilnenie rozdielového signálu Ad môže byť vyjadrené ako
[math] A_d = \frac{\triangle U_{{out}}}{\triangle U_d} = \frac{\triangle U_{{out}}}{\triangle {U_+-U_-}} [/math]
a u reálnych operačných zosilovačov leží v intervale 80 -100 dB, nazýva sa vlastným zosilnením (zosilnenie bez spätnej väzby).
.png)
V intervale [math] U_{out}^{min}-U_{out}^{max} [/math] výstupné napätie Uout závisí na Ud takmer lineárne, táto oblasť sa nazýva oblasťou zosilnenia. V oblasti ([math] U_{out} \gt U^{max}_{{out}} [/math] alebo [math] U_{out}\lt U_{out}^{min} [/math]) zmena Ud nevyvolá zmenu výstupného napätia. OZ je v saturácií.
Zosilňovacia charakteristika ideálneho operačného zesilňovača prechádza počiatkom (plná krivka na obrázku). Zosilňovacia charakteristika reálneho operačného zesilňovača (čiarkovaná krivka na obrázku) je posunutá na osi Ud o veličinu U0. Posun zosilovacej charakteristiky U0 môže byť u väšiny operačných zosilovačov zanedbaný alebo vykompenzovaný. V praxi se tento posun zanedbáva.
Zosilnenie súhlasného signálu Ag
Ak je na invertujúcí i neinvertujúcí vstup privedené súčasne zhodné napätie Us, rozdiel vstupních napätí Ud sa nemení a v súlade so vzťahom pre zosilnenie rozdielového signálu se výstupné napätie Uout tiež nemení. V skutočnosti u reálnych operačných zosilňovačov toto neplatí a zosilnenie súhlasného signálu je definované vzťahom
[math] A_s = \frac{\triangle U_{{out}}}{\triangle U_s} [/math]
neni rovné nule. Zosilnenie As je u reálnych operačných zosilovačov približne rovné jednej. Neideálnosť operačných zosilovačov je často charakterizovaná tzv. činiteľom potlačenia súhlasného rušenia CMRR (Common Mode Rejection Ratio-pomer)[bezrozmerné číslo] alebo len CMR-[dB], ktoré je definováné ako
[math] CMR = \frac{A_d}{A_s} [/math]
a je přibližne rovné 70-75 dB (u kvalitnejších OZ 110 - 140 dB)
Vstupný odpor
Reálne operačné zosilovače majú konečný vstupný odpor. Rozlišujeme vstupný odpor voči rozdielovému signálu Rd a vstupný odpor voči súhlasnému signálu Rg. V operačných zosilovačoch s bipolárnymi tranzistormi vstupný odpor voči rozdielovému signálu Rd nadobúdá hodnôt miliónov Ohmov (megaohm) a vstupný odpor voči súhlasnému signálu môže byť až o tri rády väčší a je vyjadrený v miliardách ohmov (gigaohm).
Kmitočtová charakteristika
Kmitočtová charakteristika univerzálneho operačného zosilovača je totožná s kmitočtovou charakteristikou dolnofrekvenčnej priepusti. Pri kmitočtoch signálu väčších než fg (fg - medzný kmitočet, na ktorom modul zosilnenia |Ad| klesne o 3 dB) je |Ad| nepriamo úmerné kmitočtu. Zosilnenie klesá o 6 dB na oktávu. Na kmitočte ft modul zosilenia |Ad| = 1.
Ideálny operačný zosilňovač
Výstupné napätie operačného zosilňovača sa vypočíta ako:
- [math]U_{out} = A \cdot (U_+ - U_-)[/math]
kde
- Uout je výstupné napätie
- U+ je napätie na neinvertujúcom vstupe
- U- je napätie na invertujúcom vstupe
- A je zosilnenie (označované tiež ako zisk) operačného zosilňovača v otvorenej smyčke (bez spätnej väzby)
Ideálny operačný zosilňovač má nasledujúce vlastnosti:
- nekonečne velké napäťové zosilnenie (A = *),
- nekonečne velký vstupný odpor (Rin = *),
- nulový výstupný odpor (Rout= 0),
- nulové výstupné napätie (Uout = 0) pri rovnosti napätí na vstupoch (U+ = U- ),
- nekonečne velká šírka pásma (nulové omeškanie signálu prechádzajúceho zosilovačom)
- nekonečná vstupná impedancia
- nulová výstupná impedancia
- nekonečnú šírku pásma (zosiluje od nulovej do nekonečnú frekvenciu)
- nekonečný vstupný odpor oboch vstupov
- nulový šum
- nulové offsetové napätie (ak sú napätia na vstupoch zhodné, je na výstupe skutočne presne nulové napätie)
- fázový posun vstupný ku výstupnému je 0 alebo π
- žiadny z parametrov nezávisí na teplote
V praxi žiadná z vyššie uvedených vlastností neplatí, avšak v mnohých aplikáciach sa k nim môžeme priblížiť s dostatočnou presnosťou. Napríklad, ak je zosilnenie obmedzené prostredníctvom spätnej väzby na hodnotu 20 dB, môžeme zosilnenie vlastného zosilovača o hodnote 80 dB s dostatočnou presnosťou považovať za nekonečné
Reálny operačný zosilňovač
V skutočnosti neexistujú ideálne operačné zosilňovače. Reálne operačné zosilovače sa charakterizujú radou parametrov:
Jednosmerné parametre
- Zisk neni nekonečný - prejavuje se to najmä v obvodoch, ktoré majú mať zisk blížiaci sa vnútornému zisku OZ
- Vstupný odpor neni nekonečný - to obmedzuje maximálne použiteľné odpory spätnoväzobných obvodov
- Nenulový výstupný odpor - spravidla nehrá rolu pretože skôr sa prejavia výkonové limity súčiastky
- Nenulový vstupný prúd - do vstupov tečie rádovo desiatka nA u bipolárnych a jednotky pikoampér u unipolárnych OZ
- Nenulové ofsetové napätie - pri zhode napätia na vstupe neni nulové napätie na výstupe. U presných obvodov sa musí offset kompenzovať vonkajšími súčiastkami alebo má OZ špeciálne kompenzačné vstupy
Striedavé parametre
- Konečná šírka pásma - vnútorný zisk OZ sa znižuje so zvyšujúcou se frekvenciou, takže OZ dokáže zosilovať iba do určitej frekvencie
- Vstupná kapacita - hraje vplyv najmä u vysokofrekvenčných obvodov postavených z OZ
Nelinearity
- Saturácia - výstupné napätie je obmedzené (spravidla dosahuje hodnôt blížiacich se napájaciemu napätiu)
- Rýchlosť priebehu SR (Slew Rate) V/s - rýchlosť zmeny výstupného napätia neni nekonečná. Spravidla je obmedzená vnútornými kapacitami obvodu. Je to reakcia výstupu na zmenu vstupu.
- Nelineárna prenosová funkcia - výstupné napätie neni presne lineárne závislé na vstupnom
Výkonové parametre
- Obmedzený výstupný výkon - bežné operačné zosilovače dávajú len veľmi malý výstupný výkon. Konštruujú se ale aj špeciálne OZ s vyšším výkonom použiteľné napríklad ako koncové stupne menších audiozosilovačov
- Obmedzený výstupný prúd - maximálny výstupný prúd bežných OZ dosahuje obvykle rádovo hodnôt okolo 20 mA
