Asi každý, kdo se někdy setkal s elektronikou, se také setkal s pojmem operační zesilovač. Dnes si povíme, co to je a jak ho použít, přičemž se pokusíme co nejvíce obejít bez složitější teorie.
Co je operační zesilovač?
Operační zesilovač (dále jen OZ) je tvořen komplexním zapojením elektronických součástek. Setkáte se s ním téměř výhradně ve formě integrovaného obvodu. Takový integrovaný obvod může obsahovat pouhý jeden operační zesilovač, stejně tak ale dva, čtyři, nebo i celé další zapojení, jehož součástí operační zesilovače jsou.
Protože ideální OZ neexistuje, vyrábí se mnoho rozdílných typů s parametry od ideálního stavu více či méně odlišnými. U těchto OZ je kladen důraz na některé konkrétní vlastnosti na úkor jiných, případně se do všech jejich vlastností promítá požadavek nejnižší výrobní ceny.
Většinou to ale není na škodu, protože v mnohých aplikacích vyhoví i OZ s parametry značně vzdálenými od ideálního.
OZ je obvod, (schématická značka níže) se dvěma vstupy, označenými znaménky plus a mínus a jedním výstupem. Na schématické značce jsou zakresleny také přívody napájení (nahoře kladné, dole záporné). Tyto přívody ale nemusí být ve schématu vždy zakresleny; například v případě, že jeden integrovaný obvod obsahuje více OZ se napájení zakresluje jen u jednoho z nich.
Obr. 1 – Schématická značka operačního zesilovače
Vlastnosti OZ
V ideálním případě mají vstupy nekonečnou impedanci a výstup impedanci nulovou. Impedanci si pro zjednodušení představte jako odpor (impedance je komplexnější veličinou, jejímž bližším rozborem bychom se pro účely tohoto článku zabývali zbytečně).
Ideální OZ má nekonečné zesílení. Rozdíl napětí mezi kladným a záporným vstupem nekonečně zesílí na výstup. Pokud je na vstupu se znaménkem plus (dále neinvertující vstup) vyšší napětí, než na vstupu se znaménkem mínus (dále invertující vstup), na výstupu se objeví maximální možné kladné napětí. A samozřejmě opačně, tedy pokud je na invertujícím vstupu vyšší napětí než na vstupu neinvertujícím, výstup se nastaví na nejzápornější možné napětí.
Pokud jste tento odstavec jen prolétli, přečtěte si ho prosím znovu, nejlépe několikrát, protože to je vůbec nejdůležitější informace v tomto článku.
Píšu o napětí na vstupech, ale znalec jistě namítne, že o velikosti napětí mohu mluvit pouze v případě, že je vztaženo k nějakému společnému bodu. Měli bychom si tedy říci, že operační zesilovač je napájen kladným a záporným napájecím napětím proti zemi, kde zemí rozumíme nikoli půdu pod nohama, ale jakýsi vztažný bod, vůči kterému definujeme velikost všech napětí.
Nebuďte ale překvapeni, že existují i zapojení s operačními zesilovači, kde o záporném napájecím napětí nebude ani zmínky. Napětí se vždy vztahuje k něčemu a tak je při napájení operačního zesilovače zcela lhostené, zdali se ta dvě napájecí napětí jmenují -15V a +15V, -5V a +10V, nebo 0V a +5V, protože důležité je jen, aby mezi nimi existoval požadovaný rozdíl (napětí) a aby vstupy OZ pracovaly v rozmezí, které je dáno jeho povolenými pracovními podmínkami. Když budu napájet OZ napětím +5V a -5V, většina OZ velice nerada pocítí na vstupu napětí +10V.
Velikost napájecího napětí OZ se může pohybovat ve značném rozsahu. Existují typy OZ, které jsou schopny pracovat z napájecím napětím menšími než 1,5 V mezi kladným a záporným pólem napájení, ale také typy, které jsou schopny pracovat s napětími poměrně vysokými, i přes 100 V.
O napájecím napětí zde píšu mezi vysvětlováním funkce proto, že má vliv na funkci OZ. Výstupní napětí OZ se může pohybovat jen v rozsahu napájecího napětí, většinou ale ještě v rozsahu o něco nižším, omezeném buď z obou stran nebo z jedné strany. Stejně tak velikost napětí, které je možno přivést na vstupy je omezena velikostí napájecího napětí.
Některé OZ jsou označovány jako rail-to-rail, což znamená, že jsou schopny pracovat se vstupním napětím v rozsahu napětí napájecího a že rozkmit jejich výstupního napětí má též stejnou velikost, jako napětí napájecí.
Ne vždy ale všechny parametry OZ odpovídají označení rail-to-rail, proto je nutno vždy před použitím konkrétního typu nahlédnout do katalogového listu výrobce (nejčastěji soubory pdf); v údajích, uváděných v katalozích prodejce nemusí být tyto parametry uváděny vždy úplně a pravdivě.
Ještě jsem ani nezačal a už je jasné, že vybrat vhodný OZ pro aplikaci není jen tak. Typ vynikající svými vlastnostmi pro audio, může být pro jiné aplikace prakticky nepoužitelný, příkladem pro svou nízkou vstupní impedanci v aplikaci, kde nás jeho nízký šum příliš nezajímá.
Sledovač napětí
Vzpomeňte si, co dělá OZ, když má na vstupech různá napětí. Takže si teď představte, co udělá, když jeho výstup spojíme s invertujícím vstupem a do neinvertujícího vstupu přivedeme napětí. Pokud by bylo napětí na výstupu, který je připojen do invertujícího vstupu, vyšší než na neinvertujícím vstupu, muselo by se napětí na výstupu snižovat. Pokud je ale napětí na invertujícím vstupu menší než na neinvertujícím, muselo by se napětí na výstupu zvyšovat. Výsledkem je tedy situace, kdy se na výstupu objeví napětí, které přesně odpovídá napětí přivedenému na neinvertující vstup.
Navíc, pokud je výstup zatížen nějakou další zátěží, ovlivňuje to v zapojení i invertující vstup a tak výstupní napětí bude shodné se vstupním až do okamžiku kdy je přesažena velikost výstupního proudu, který může konkrétní OZ dodat do zátěže – velikost zátěže v určitých mezích tedy neovlivňuje výstupní napětí OZ.
K čemu je to dobré? Toto je základem většiny zapojení s OZ. Protože víme, že výstup OZ má velmi malou impedanci a vstupy velmi velkou, můžeme takto velice „měkký“ signál – třeba z odporového děliče s rezistory o velkých hodnotách – posílit, a vyrobit z něj signál dostatečně „tvrdý“ o přesně stejné hodnotě, vhodný pro další zpracování.
Obr. 2 – Sledovač napětí
Všimněte si prosím, že ve schématu nejsou zakresleny žádné kondenzátory, filtrující napájecí napětí, které naleznete v reálných zapojeních. Tento obrázek je určen jen pro vysvětlení činnosti zapojení a tak k němu také přistupujte.
Stejnosměrný zesilovač
Co se ale stane, když výstup nepřipojíme k invertujícímu vstupu přímo, ale přes odporový dělič?
Obr. 3 – Stejnosměrný zesilovač
OZ se bude opět snažit udržet na obou vstupech stejné napětí. Napětí na invertujícím vstupu je ale výstupním, poděleným dělícím poměrem napěťového děliče. Řekněme, že napěťový dělič je sestaven z rezistorů R1=10k, R2=1k. Na neinvertující vstup přivedeme 1 V. Výstup se nastaví tak, aby na výstupu z napěťového děliče byl také 1 V a toho dosáhne jedině tak, že na výstupu nastaví 11 V. Zkusíme-li to pro -1 V na neinvertujícím vstupu, na výstupu musí být -11 V.
Každý už asi pochopil, že zde máme napěťový zesilovač se zesílením 11. Podmínkou pro uvedený příklad je, že máme dostatečně velké napájecí napětí; u běžných OZ by zde vyhovělo +/-15V a k nim zem (GND), ke které připojíme spodní konec napěťového děliče.
V mnoha aplikacích ale máme jen jedno napájecí napětí, záporné napětí chybí. Některé OZ umí pracovat se vstupními úrovněmi od záporného napájecího napětí a s výstupem taktéž. Příkladem LM358 – jde o dvojitý OZ s nijak oslnivými vlastnostmi, ovšem za cenu v řádu jednotek korun. Pro pokus tedy připojíme napájení takového OZ mezi +5V a zem a za zem budeme také zem považovat. Záporné napájecí napětí zcela chybí. Omezení tohoto zapojení je v tom, že OZ bude zesilovat pouze kladná vstupní napětí vůči zemi. Ale i tak se takové zapojení může velice dobře hodit, například pro zesílení napětí, přiváděného na vstup analogově digitálního převodníku (ADC) MCU, když výstupní napětí připojovaného zařízení je příliš pro využití plného rozsahu ADC.
V některých případech, kdy má signál dostatečné úrovně, ale jeho zdroj má vysokou výstupní impedanci, vyhoví i zapojení se zesílením 1, tedy výše popsaný napěťový sledovač.
Právě tak pomůže OZ v situaci, když vstupní napětí je vyšší, než je povolené napětí ADC v MCU. Signál můžeme zmenšit napěťovým děličem se dvěmi rezistory o poměrně velkých hodnotách do patřičných mezí a pak jej napěťovým sledovačem impedančně přizpůsobit parametrům vstupu ADC.
OZ je tedy cestou, jak analogový signál (napětí) upravit do mezí vhodných pro zpracování MCU.
Ještě doplním, že obvod LM358 má rozkmit výstupního napětí sice od záporného napětí, ale ne až do kladného, dosáhne zhruba o 1,5 V pod něj. Proto při napájecím napětí o velikosti 5 V nemůžete očekávat na výstupu více než 3,5 V. Pokud má ADC v použitém MCU napěťovou referenci (a tedy i rozsah vstupních napětí) od 0 do 3,3 V, je všecho v pořádku.
Pokud ADC pro správnou činnost požaduje plný rozsah napájecího napětí, je na čase se poohlédnout po jiném OZ, například po MCP602.