Műveleti erősítő

Az műveleti erősítő, mint integrált áramköri építőelem

Műveleti erősítőnek eredetileg az analóg számítógépekben a számítási műveletek végzéséhez használt, nagy erősítésű egyenfeszültségerősítőket nevezték. Ezeknél az erősítőknél galvanikus csatolást, és az ilyenkor fellépő problémák megelőzése érdekében nagymértékű negatív visszacsatolást alkalmaztak.

Ugyanez az elv az elektronika más területein is alkalmazható, de elterjedése csak akkor vált lehetővé, amikor az olcsó és jó minőségű integrált műveleti erősítők megjelentek. (Az un. monolit integrált áramkörökben az erősítő működéséhez szükséges szinte valamennyi áramköri elemet: tranzisztorokat, diódákat, ellenállásokat, sőt még kisebb kapacitású kondenzátorokat is) egyetlen miniatűr félvezető lapkán alakítják ki.)

Az általánosan alkalmazott műveleti erősítő (1. ábra) szimmetrikus bemenetű és aszimmetrikus kimenetű.

A szimmetrikus bemenet azt jelenti, hogy az erősítőnek két bemenete van, és a bemenő feszültséget e két (a „+” al jelölt nem invertáló és a „-” al jelölt invertáló) bemenő pont közé kell kapcsolni. A kimenet aszimmetrikus, azaz a kimenő feszültség a kimenet és a földpont között mérhető.

1. ábra: Műveleti erősítő

A műveleti erősítő be- és kimenő feszültsége közötti kapcsolat

[math]U_{ki} = A_o \cdot (U_{bep} - U_{ben}) = A_o \cdot U_{bes}[/math]

ahol

• A_o: a műveleti erősítő nyílthurkú (visszacsatolás nélküli) erősítése,
• U_bep: a pozitív bemenetre kapcsolt aszimmetrikus (a földhöz képest mért) jel
• U_ben:a negatív bemenetre kapcsolt aszimmetrikus (a földhöz képest mért) jel
• U_bes: a pozitív és a negatív bemenetek között mérhető (szimmetrikus) jel.

A képletből látható, hogy ha Ubes pozitív (azaz az 1. ábrán jelölt irányú), a kimenő jel is pozitív a földhöz képest, ha pedig Ubes negatív (az 1. ábrán jelölttel ellentétes irányú, a „-”-tól a „+” bemenet felé mutat), Uki a földhöz képest negatív lesz. Ez csak úgy lehetséges, ha a műveleti erősítőt a földhöz képest pozitív és negatív tápfeszültséggel is ellátjuk. A két tápfeszültséget +Ut és -Ut -vel jelöljük.

Kiolvasható továbbá a képletből, hogy (ideális műveleti erősítőnél) nincsen jelentősége annak, hogy Ubep és Uben a földhöz képest milyen értékű, a kimenő feszültség csak a két feszültség különbségétől függ.

Az ideális műveleti erősítő Ao nyílthurkú erősítése végtelen, a valóságos erősítőké jellegzetesen 1000...100000 -es nagyságrendű, és a tápfeszültségnek is függvénye.

A műveleti erősítő transzfer karakterisztikája

A műveleti erősítő transzfer karakterisztikája (a be- és kimenő feszültség közötti összefüggés) a 2. ábrán látható.

2. ábra: Műveleti erősítő transzfer karakterisztikája

Mint a karakterisztikából látható, az Uki = Ao Ubes összefüggés csak addig érvényesül, amíg a kimenő feszültség el nem éri a pozitív illetve a negatív tápfeszültséget. A műveleti erősítő nyilvánvalóan nem tud a tápfeszültségnél nagyobb kimenő feszültséget produkálni, ezért, ha a kimenő feszültség elérte a tápfeszültséget, Ubes bemenő feszültség további növekedése már nincs hatással a kimenő feszültségre.

Legyen pl. +U_t = +12 V és -U_t = -12 V valamint A_o = 10000 (a 2. ábra ezzel a feltételezéssel készült).

Ha U_bes=0V, akkor a U_ki=0V. U_bes növelésekor U_ki is nő, és akkor éri el a pozitív tápfeszültséget, amikor U_bes eléri az 1,2 mV (=12V/10000) értéket. Ha U_bes > 1,2 mV, a kimenő feszültség Ubes értékétől függetlenül 12V. Hasonló a helyzet negatív bemenő feszültség esetén is.

Felhasználása: erősítő vagy komparátor

A fentiek figyelembevételével a műveleti erősítő üzeme két szakaszra bontható:

• a) „lineáris szakasz”, „analóg üzem” amikor a kimenő feszültség még nem érte el a tápfeszültséget, és az Uki = Ao (Ubep -Uben) = Ao Ubes összefüggés érvényes,
• b) „komparátor” üzem, amikor a két bemenet közötti szimmetrikus feszültség (U_bes)meghaladja azt az értéket, amikor U_ki eléri a tápfeszültséget, ekkor U_ki = +U_t , ha U_bep > U_ben és ugyanez negatív irányban U_ki = -U_t , ha U_bep < U_ben. Azaz az erősítő „összehasonlítja”, „komparálja” a nem invertáló és az invertáló bemenetre adott feszültséget, és ha a nem invertáló bemenet feszültségszintje magasabb, a pozitív, ellenkező esetben a negatív tápfeszültséget adja a kimenetre.

Amikor a műveleti erősítőt erősítőként kívánjuk használni, karakterisztikájának lineáris szakaszán kell maradnunk, amikor a kimenő feszültség és a bemenő feszültség közti arányosság fennáll. Mint a 2. ábra példáján látjuk, ekkor a két bemenet között legfeljebb néhány tized millivolt feszültség lehet, ezt (az áramkörben mérhető egyéb feszültségekhez képest igen csekély) feszültséget a gyakorlati számítások megkönnyítésére el szoktuk hanyagolni, és azzal a közelítéssel élünk, hogy a műveleti erősítő bemenetei közötti feszültség 0.

A műveleti erősítő bemeneti ellenállása

Az integrált műveleti erősítők bemenő ellenállása igen nagy, a bemenő áram csak nA vagy pA nagyságrendű. Ez az áramkörben folyó többi áramköz képest rendszerint elhanyagolható, ezért a gyakorlati számításoknál alkalmazott másik közelítés, hogy a műveleti erősítő bemenő árama 0.