Analógové spracovanie signálov - zosilňovače

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.

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

Analogový počítač ELWAT.

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.

OZ K2-W.

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.

µA741 pouzdro čipu TO-5

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

Symbolické značenie operačného zosilňovača s týmito vývodmi:
1. napájacie vývody +U_n , -U_n
2. vývody frekvenčnej korekcie
3. výstup operačného zosilňovača U_out
4. neinvertujúcí vstup U+ -
5. invertujúcí vstup U-

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.

Vnitřní zapojení

Vnitřní zapojení klasického operačního zesilovače 741 skládá se z následujících bloků:
Vstupní diferenciální zesilovač (modře orámovaná část)
Napěťový zesilovač (purpurově orámovaná část)
Výstupní zesilovač (azurově orámovaná část)
Proudová zrcadla (červeně orámované části)

Vnitřní struktura operačního zesilovače je většinou tvořena třemi zesilovacími stupni. Vstupní zesilovací stupeň je tvořen diferenčním zesilovačem s velkým zesílením rozdílu vstupních signálů U+ - U- (zesílení rozdílového signálu Ad) a nízkým zesílením souhlasných signálů, přivedených současně na oba vstupy (zesílení souhlasného signálu Ag). Diferenční vstupní zesilovač má velký vstupní odpor. Za vstupním zesilovacím stupněm následuje jeden nebo několik středních zesilovacích stupňů, které zajišťují napěťové i proudové zesílení. Postupné napěťové zesílení je nutné pro zabezpečení velkého zesílení operačního zesilovače, proudové zesílení je potřebné pro činnost jeho koncového stupně, který má malý výstupní odpor.