Už kdysi dávno jsem ve vidlácích řekl, že se obvody s operačními zesilovači nebudu zabývat, protože pro roboty jsou OZ příliš pomalé. Nicméně už když jsem probíral měření pH musel jsem do této oblasti zabrousit a to ještě netušíte, co mám teprve v úmyslu. Nebojte se - školometská schémátka Invertující a neinvertujícího zesilovače probírat nebudeme.
Nicméně i pokud se v operačních zesilovačích vyznáte - nemůžete se ubránit dojmu, že jsou to součástky poněkud složité, které potřebují "dvojité napájení" nebo "virtuální zem" a vůbec každý starší elektro-vidlák si pamatuje špinavé a zoxidované desky hustě pokryté "konzervami na 8 nožičkách" které vykonávaly (nebo vykonávat přestaly) nějakou nepochopitelnou analogovou funkci.
Ano ano - operační zesilovače jsou obvody s diferenciálním vstupem - jejich největší síla i slabost je v tom, že zesilují pouze rozdíl signálu mezi vstupem a nějakým referenčním napětím. Takže praotcové elektronici vymysleli, že operační zesilovač bude mít jako referenční napětí zem celého systému a kolem té bude kmitat. Aby mohl kmitat "pod zem" -potřebuje záporné napájení. To znamená, že máte digitální sekci s +5V a pak máte analogovou sekci s +15 a -15 V - takhle vypadala elektronika v minulém století.
Pokud se chcete zápornému napájení vyhnout - musíte vytvořit napěťovou úroveň zvanou "virtuální zem" která je někde uprostřed napájecího napětí a operační zesilovač přesvědčit že to je "jeho zem". Drobný problém je v tom, že pokud například na konec digitalizujete analogový signál musíme počítat s tím, že signál nebude 0-5V ale že úrovní "0 jednotek" odpovídá třeba 2,5 V kolem kterého signál kmitá.
S tímto lze vyjít v 90% případů. Dokonce mám občas pocit, že výtobci elektroniky i konstruktéři mají "fóbii ze záporného napětí" - něco jako renesanční fyzika měla "horror vacui". Něco na tom je - vyrobit si "virtuální zem" je zdánlivě snadné - většinou stačí odporový dělič, kterým získáte napětí "někde uprostřed" - pokud máte "obzvláštní nároky" na kvalitu virtuální země tak přidáte ještě filtrační kondenzátor. Pokud virtuální zemí potečou nezanedbatelné proudy "obětujete" jeden operační zesilovač, který vám bude virtuální zem držet jako buffer.
Naproti tomu generování záporného napětí vyžaduje spínaný zdroj - s cívkou (hrůza). Cívka ruší, proto se snažíte použít nábojové pumpy jenom s kondenzátorem, které zase mají nevýhodu, že třeba od MAXIMA stojí hrůzu pěněz a mívají velké zvlnění už při malinkatém proudu. Takže zdánlívě virtuální zem vítězí, což podporuje i marketingové ptydepe elektronických firem, které nabízejí "single supply" a "rail to rail" operační zesilovače.
Když se podíváte do struktury operačního zesilovče - zjistíte, že cena tranzistoru na čipu je laciná a dokonce pár tranzistorů zabere menší plochu čipu než odpor, proto už od dob skoro-krajana Roberta Vidláře jsou analogové obvody přecpané proudovými zdroji v místech, kde byste v normální elekgronice dali odpor.
To má zajímavý vedlejší efekt - že totiž výstupní signál prakticky nezávisí na napájení a moderní operační zesilovače se chlubí astronomickými hodnotami "power supply rejection ratii", které jsou běžně 80-100 decibelů. Na druhé straně virtuální zem je přímo součástí signálové cesty, takže pokud si představíme příklad 10x zesilující operační zesilovač - nestabilita napájení se nám o 80dB utlumí zatímco nestabilita "virtuální zěmě" se nám 10x zesílí. Z toto pohledu už to šílenství kolem "single supply" a "rail to rail" nevypadá tak atraktivně jak se původně zdálo že ?
Kromě otázky pochybné kvality "virtuální země" se (v mém případě) vyskytl ještě jeden problém - pokud bych následující "tajný obvod" stavěl pomocí virtuální země zbyl by mi užitečný signál v milivoltech přičtený k napětí virtuální zěmě - jejíž nestabilita je taky v milivoltech. Tím tedy obvyklé řešení s virtuální zemí naprosto ztratilo lesk a ukázalo se že mít signál v pár milivoltech nad "skutečnou zemí" stojí za otravu s výrobou záporného napětí pro operační zesilovače.
Obávám se že, dnešních 800 slov jsem vyčerpal a navíc jsem se při tom tak rozčílil, že si dáme radu paní Kubáčové novomanželkám a pokračujeme příště : Pokud vám chodí 3 balíky denně a předsíň vypadá jako sklad pošty - ani milující muž jen tak neuvěří, že neplýtváte "společným jměním manželů"
kony | 9. října 2014 v 9:10 |
hm, to je tak velkej problém napájet operačáky +-9V ze dvou baterek? Jejich proudovej odběr není zase až tak velikej ;)