Operační zesilovač

Vnitřní zapojení klasického operačního zesilovače 741 skládá se z následujících bloků:
Vstupní diferenční 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.

Zesílení rozdílového signálu A_d může být vyjádřeno jako

${\displaystyle A_{d}={\frac {\triangle U_{out}}{\triangle U_{d}}}={\frac {\triangle U_{out}}{\triangle {U_{+}-U_{-}}}}}$

• ${\displaystyle A_{d}}$ je zesilovací činitel
• ${\displaystyle \triangle U_{out}}$ je rozdíl mezi výstupním napětím a zemí
• ${\displaystyle \triangle U_{d}}$ je rozdíl mezi napětím na neinvertujícím a invertujícím vstupu
• ${\displaystyle U_{+}}$ je napětí na neinvertujícím vstupu
• ${\displaystyle U_{-}}$ je napětí na invertujícím vstupu

U reálných operačních zesilovačů leží v intervalu 80 -100 dB, nazývá se vlastním zesílením (zesílení bez zpětné vazby).

Závislost výstupního napětí U_out na rozdílu vstupních napětí U_d

V intervalu ${\displaystyle U_{out}^{min}-U_{out}^{max}}$ výstupní napětí U_out závisí na U_d téměř lineárně, tato oblast se nazývá oblastí zesílení. V oblasti (${\displaystyle U_{out}>U_{out}^{max}}$ nebo ${\displaystyle U_{out}<U_{out}^{min}}$) změna U_d nevyvolá změnu výstupního napětí. OZ je v saturaci.

Zesilovací charakteristika ideálního operačního zesilovače prochází počátkem (plná křivka na obrázku). Zesilovací charakteristika reálného operačního zesilovače (čárkovaná křivka na obrázku) je posunuta na ose U_d o veličinu U₀. Posun zesilovací charakteristiky U₀ může být u většiny operačních zesilovačů zanedbán nebo vykompenzován. V praxi se tento posun zanedbává.

Je-li na invertující i neinvertující vstup přivedeno současně shodné napětí U_s, rozdíl vstupních napětí U_d se nemění a v souladu se vztahem pro zesílení rozdílového signálu se výstupní napětí U_out také nemění. Ve skutečnosti u reálných operačních zesilovačů toto neplatí a zesílení souhlasného signálu definováno vztahem

${\displaystyle A_{s}={\frac {\triangle U_{out}}{\triangle U_{s}}}}$

není rovno nule. Zesílení As je u reálných operačních zesilovačů přibližně rovno jedné. Neideálnost operačních zesilovačů je často charakterizováno tzv. činitelem potlačení souhlasného rušení CMRR (Common Mode Rejection Ratio-poměr)[bezrozměrné číslo] nebo jen CMR-[dB], které je definováno jako

${\displaystyle CMRR={\frac {A_{d}}{A_{s}}}}$

a je přibližně rovno 70-75 dB (u kvalitnějších OZ 110 – 140 dB)

Reálné operační zesilovače mají konečný vstupní odpor. Rozlišujeme vstupní odpor vůči rozdílovému signálu R_d a vstupní odpor vůči souhlasnému signálu R_g. V operačních zesilovačích s bipolárními tranzistory vstupní odpor vůči rozdílovému signálu R_d nabývá hodnot miliónů Ohmů (megaohm) a vstupní odpor vůči souhlasnému signálu může být až o tři řády větší a je vyjádřen v miliardách ohmů (gigaohm).

Frekvenční (kmitočtová) charakteristika univerzálního operačního zesilovače

Kmitočtová charakteristika univerzálního operačního zesilovače je totožná s kmitočtovou charakteristikou dolnofrekvenční propusti. Při kmitočtech signálu větších než f_g (f_g – mezní kmitočet, na kterém modul zesílení |A_d| klesne o 3 dB) je |A_d| nepřímo úměrné kmitočtu. Zesílení klesá o 6 dB na oktávu. Na kmitočtu f_t modul zesílení |Ad| = 1.

• Zisk není nekonečný – projevuje se to zejména v obvodech, které mají mít zisk blížící se vnitřnímu zisku OZ
• Vstupní odpor není nekonečný – to omezuje maximální použitelné odpory zpětnovazebních obvodů
• Nenulový výstupní odpor – zpravidla nehraje roli, protože dříve se projeví výkonové limity součástky
• Nenulový vstupní proud – do vstupů teče řádově desítka nA u bipolárních a jednotky pikoampér u unipolárních OZ
• Nenulové offsetové napětí – při shodě napětí na vstupu není nulové napětí na výstupu. U přesných obvodů se musí offset kompenzovat vnějšími součástkami nebo má OZ speciální kompenzační vstupy

• Konečná šířka pásma – vnitřní zisk OZ se snižuje se zvyšující se frekvencí, takže OZ dokáže zesilovat pouze do určité frekvence
• Vstupní kapacita – hraje vliv zejména u vysokofrekvenčních obvodů postavených z OZ

• Saturace – výstupní napětí je omezené (zpravidla dosahuje hodnot blížících se napájecímu napětí)
• Rychlost přeběhu SR (Slew Rate) V/s – rychlost změny výstupního napětí není nekonečná. Zpravidla je omezena vnitřními kapacitami obvodu. Je to reakce výstupu na změnu vstupu.
• Nelineární přenosová funkce – výstupní napětí není přesně lineárně závislé na vstupním

• Omezený výstupní výkon – běžné operační zesilovače dávají pouze velmi malý výstupní výkon. Konstruují se ovšem i speciální OZ s vyšším výkonem použitelné například jako koncové stupně menších audiozesilovačů
• Omezený výstupní proud – maximální výstupní proud běžných OZ dosahuje obvykle řádově hodnot kolem 20 mA, starší typy vyžadovaly na výstupu ochranný rezistor proti přetížení