Operaatiovahvistin

A) Operaatiovahvistimen piirrossymboli
B, C, D, E) Yleisiä operaatiovahvistin kytkentöjä
F) De facto -standardi operaatiovahvistimen sisältävän mikropiirin pinnijärjestyksestä

LM358 -piirikomponentti

Operaatiovahvistimen piirrossymboli

Operaatiovahvistin (engl. operational amplifier) on elektroniikan komponentti, joka vahvistaa kahden sisääntulonsa välistä jännitettä tietyllä vahvistuskertoimella A. Komponentissa on viisi napaa: kaksi sisääntuloa, käyttösähkön navat ja ulostulonapa. Tyypillisesti operaatiovahvistin (puhekielessä opari, oppari tms.) käyttää tasajännitettä ja vahvistaa esimerkiksi analogisia signaaleja, kuten äänisignaalia. Operaatiovahvistimen avulla voidaan saavuttaa jopa kymmentuhatkertaisia jännitevahvistuksia, ja ideaalisesti äärettömyyteen asti.

Operaatiovahvistin koostuu useista eri komponenteista, kuten transistoreista, kondensaattoreista ja vastuksista, mutta koska käytännössä operaatiovahvistin toimii varsin tehokkaasti ja varmasti, useat eri valmistajat myyvät operaatiovahvistimia yksittäisinä valmiina mikropiireinä. Esimerkiksi kahdeksanjalkaisessa LM358 -piirissä on sisällä kaksi erillistä operaatiovahvistinta, joita voi käyttää toisistaan riippumatta. Operaatiovahvistin on hyvin yleinen komponentti niin kulutuselektroniikassa, teollisuudessa kuin myös tieteellisissä tutkimuslaitteissa.

Piirikaaviomerkinnät

Oikealla näkyvässä kuvassa on operaatiovahvistimen yksinkertainen kytkentä; koko operaatiovahvistinta voidaan ajatella "kolmiona", joka vahvistaa sisääntulon (inputin) jännitettä ja syöttää sen ulostuloon (output). Kuvassa näkyvät V₊ ja V_- ovat sisääntulonapoja, ja riippuen sovelluskohteesta, valitaan joko invertoiva tai ei-invertoiva sisääntulo; tämä vaikuttaa vain siihen näkyykö ulostulo vain vahvistuksena, tai vahvistuksena ja 180 asteen vaihesiirtona. V_s+ ja V_s- ovat operaatiovahvistimen oman käyttöjännitteen napoja, eli se vaati toimiakseen omaa sähköä; käyttöjännite toimii käytännössä vahvistuksen maksimiarvona, eli esimerkiksi 12V käyttöjännitteellä ei voida saada suurempaa jännitettä lähtöön V_out. Pinnien nimeämisessä voi olla eroja riippuen käytettävästä standardista ja alueellisista eroista johtuen. Yleensä operaatiovahvistimesta jätetään merkitsemättä käyttöjännitteen navat, koska ne ei vaikuta muun piirin toimintaan ja vaikuta muun piirin toimintaan.

• V₊: ei-invertoiva tulo
• V₋: invertoiva tulo
• V_out: lähtö
• V_S+: positiivinen käyttöjännite
• V_S−: negatiivinen käyttöjännite

Teoriaa ja toimintaperiaate

Operaatiovahvistin vertailee kahden tuloliittimensä välistä jännite-eroa, ja kertoo sen vahvistuksella A, ts. jännitteiden U₁ ja U₂ erotus (U₁ - U₂) kerrotaan vahvistuksella A, joten lopuksi saadaan A*(U₁ - U₂). Lähtöön välittyy siis yksinkertaisimmillaan tulojännitteiden erotus tietyllä vahvistuksella. Käytännössä usein kannattaa operaatiovahvistimeen lisätä negatiivista takaisinkytkentää järjestelmän suodatuksen ja paremman signaalin laadun takia.

Suurin osa operaatiovahvistimista tarvitsee toimiakseen kaksipuolisen tasajännitteen. Suljetun silmukan vahvistuksen suuruus riippuu takaisinkytkennässä käytetyistä komponenteista. Ilman takaisinkytkentää operaatiovahvistin toimii komparaattorina eli vertailijana. Positiivisella takaisinkytkennällä saadaan aikaan komparaattori, jolla on hystereesiä.

Operaatiovahvistimen ominaisuuksia sekä ideaalisissa että käytännön tapauksissa

Teoriassa ja ideaalisessa tapauksessa operaatiovahvistin toimii matemaattisen tarkasti ja vahvistus olisi äärettömän suuri. Tuloimpedanssi olisi äärettömän suuri kun taas lähtöimpedanssi olisi nolla. Signaalissa ei tapahtuisi minkäänlaisia häiriöitä eikä viiveitä, vaan vahvistettu lähtevä signaali olisi identtinen tulosignaalin kanssa. Lisäksi operaatiovahvistimen kaistanleveys olisi ääretön; ei ole väliä minkä taajuista signaalia tulisi sisään, nollasta äärettömään hertsiin asti. Ideaalinen operaatiovahvistin ei ota sisäänsä virtaa ollenkaan, ja ulostulo toimii taas ideaalisena jännitelähteenä.

Koska ei eletä ideaalisessa maailmassa, ei ole olemassa ideaalisia komponentteja. Sen takia operaatiovahvistimen absoluuttinen maksimivahvistus on sen käyttöjännitteen rajoissa, eli esim. 24V operaatiovahvistin ei voi syöttää 100V ulostuloa. Operaatiovahvistin tarvitsee oman käyttösähkönsä, ja koska minkään laitteen hyötysuhde ei ole 100%, osa energiasta menee hukkaan esimerkiksi lämpönä; sen takia isoja operaatiovahvistimia täytyy jäähdyttää jollain tavalla. Käytännössä myös tuloimpedanssi ei tietenkään voi ole ääretön, vaan sen arvo on hyvin suuri tyypillisesti 1-100 megaohmia, ja vastaavasti lähtöimpedanssi ei voi olla nolla, vaan sen arvo on yleensä reilusti alle kilo-ohmin. Lisäksi käytönnön operaatiovahvistimella esiintyy offset-jännitettä ja -virtaa, mikä pitää ottaa huomioon.

Operaatiovahvistimen sovellutuksia

Erilaisia operaatiovahvistimen sisältäviä komponentteja. Vasemmanpuoleisin alhaalla oleva komponentti sisältää yhden operaatiovahvistimen.

• invertoiva vahvistin eli kääntävä vahvistin
• ei-invertoiva vahvistin eli suora vahvistin
• jänniteseuraaja
• analoginen summain
• differentiaalivahvistin
• integraattori
• derivaattori
• suotimet
• komparaattori eli vertailupiiri
• tarkka tasasuuntaaja mittaussovelluksiin
• tarkka tasolukko
• lineaarinen jännitteen regulointi
• piikki-ilmaisin (huippuarvoilmaisin)
• näytteenotto ja pitopiiri (A/D-muuntimissa)
• oskillaattorit ja aaltomuotogeneraattorit
• tarkka vakiovirtalähde
• instrumenttivahvistin

Operaatiovahvistimen historiaa

1941: Ensimäinen operaatiovahvistin

• Ensimmäinen yleiskäyttöinen tasajännitekytketty suuren tulojännitteen ja negatiivisen takasinkytkennän omaava operaatiovahvistin patentoitiin D. Swartzel Jr:n toimesta vuonna 1941. Tämä operaatiovahvistin hyödynsi kolmea tyhjiöputkea saadakseen aikaan 90 dB:n vahvistuksen ja toimi ±350 V jännitevälillä. Siinä oli vain yksi invertoiva sisääntulo toisin kuin nykyisissä operaatiovahvistimissa, joissa on yleensä invertoiva ja ei-invertoiva sisääntulo. Toisessa maailmansodassa Swartzelin tuotos osoitti käytännöllisyytensä M9 tykistöohjauksen osana. M9:n ja SCR584 tutkajärjestelmän avulla saatiin aikaiseksi 90 % osumatarkkuus, joka ei aiemmin ollut mahdollista.

1947: Ensimmäinen operaatiovahvistin ei-invertoivalla sisääntulolla

• Vuonna 1947 operaatiovahvistin mainittiin ja määriteltiin ensimmäistä kertaa virallisessa tutkielmassa professori John R. Ragazzinin (Columbian Yliopisto) toimesta. Samalla prof. Ragazzini mainitsee erään opiskelijan, Loebe Julien, uuden monella tavalla käänteentekevän operaatiovahvistinmallin. Siinä oli kaksi suurta innovaatiota: sisääntulon ja ulostulon kuormat sovitettiin triodin avulla jolloin ulostulon nopeutta saatiin kasvatettua ja Julien malli oli ensimmäinen operaatiovahvistin, jossa oli invertoiva ja ei-invertoiva sisääntulo. Tämä mahdollisti useita uusia operaatiovahvistinkytkentöjä, mutta jäi pitkäksi aikaa unohduksiin chopper-operaatiovahvistimien nostaessa suosiotaan.

1949: Ensimmäinen chopper-tasapainotettu operaatiovahvistin

• Vuonna 1949, Edwin A Goldberg kehitti chopper-tasapainoitetun operaatiovahvistin. Tämä sisälsi normaalin operaatiovahvistimen lisäksi myös vaihtojännitevahvistimen. Vahvistin sai vaihtojännitteen kytkemällä tasajännitettä ja maata vuoroin nopealla taajuudella (60 Hz tai 400 Hz). Saatu signaali sen jälkeen vahvistettiin, korjattiin, suodatettiin ja syötettiin operaatiovahvistimen ei-invertoivaan sisääntuloon. Tällä nopeutettiin operaatiovahvistimen toimintaa, saatiin lisää vahvistusta ja vähennettiin tasajänniteoffsettia. Samalla tosin estettiin ei-invertoivan sisääntulon muu käyttö. Silti chopper-operaatiovahvistimen edut tekivät siitä yleisimmän käyttöversion operaatiovahvistimissa aina 1960-luvulle saakka, kunnes IC operaatiovahvistimet alkoivat ilmestyä markkinoille. Vuonna 1953 tyhjiöputkia käyttävät operaatiovahvistimet tulivat yleisille markkinoille George A Philbrickin mallin K2-W:n myötä. Mallissa oli käytettävissä Loebe Julien mallinen operaatiovahvistin, ja samalla sitä voitiin käyttää chopper-tasapainoitettuna, jolloin se käytti ei-invertoivan tulon itsessään. Tämä malli aikaisempien kanssa aloitti operaatiovahvistimien suuren käytön teollisuudessa.

1961: Ensimmäinen diskreetti integroitu operaatiovahvistinpiiri

• Transistorien synnyn (1947) ja siitä piitransistorien (1954) kehityttyä, integroiduista piireistä tuli totta. Transistorien teon ja ladonnan kehityttyä 1959 Planar process saatiin IC:stä tarpeeksi luotettavia kaupalliseen tuotantoon. Nämä operaatiovahvitimet olivat pieniä piirilevyjä joissa oli liitännät tuloille paljaana. Niissä oli yleensä valmiina valittuna vastukset jotta niille saatiin valmiiksi paremmat jäniteoffsetti ja nopeus. P45 (1961) omasi 94 dB vahvistuksen ja toimi ±15 V jänniterajoilla. Se oli tarkoitettu ±10 V signaaleille.

1962: Ensimmäiset operaatiovahvistimet suljetuissa koteloissa

• Vuonna 1962 useat yritykset toivat markkinoille operaatiovahvistimia, jotka voitiin kytkeä muihin piirilevyihin. Nämä paketit olivat tarpeellisia, koska ne mahdollistivat operaatiovahvistimen ajattelun yhtenä komponenttina systeemissä.

1963: Ensimmäinen operaatiovahvistin yhdellä IC-piirillä

• Vuonna 1963, Bob Widlarin suunnittelema μA702 julkaistiin. Toisin kuin diskreeteissä operaatiovahvistimmissa, Bob Widlarin malli sisälsi vain yhden mikropiirin, eikä yhtään diskreettiä osaa. Nykyään lähes kaikki operaatiovahvistimet ovat Widlarin mallin mukaisia. Alkuun uusissa operaatiovahvistimissa oli liikaa ongelmia, ja se ei lyönytkään läpi kun vasta 1965 Bob Widlarin μA709 myötä.

1966: Ensimmäiset varaktorioperaatiovahvistimet

• Varaktorioperaatiovahvistimet kehitettiin myöhään 60-luvulla. Niiden oli taroitus toimia pienillä sisääntulovirroilla ja ne ovat vieläkin yksiä parhaista yhteismuotoisen tilan estossa koska ne pystyvät toimimaan satojen volttien tuloilla.

1968: μA741:n julkaisu

• Yksilevyisten piirien suosio kasvoi entisestään LM101:n (1967) myötä, jolla korjattiin useita aiempia heikkouksia. μA741 (1968) oli muuten LM101:tä vastaava, mutta se sisälsi 30 pF kompensaatio kondensaattorin piirissään jolloin ulkopuolista kompensaatiota ei tarvittu. Tämä yksinkertainen parannus teki μA741:stä ehdottomasti suosituimman operaatiovahvistimen, ja vieläkin siihen verrataan uusia operaatiovahvistimia. μA741:stä valmistetaan vieläkin usean valmistajan toimesta, ja sen tunnistaa koodista 741.

1970: Ensimmäinen nopea, pieni tulovirtainen kanavatransistori (FET, Field Effect Transistor) malli

• 70 -luvulla FET:tejä käyttäviä nopeita vähävirtaisia operaatiovahvistimia alkoi tulla markkinoille. 80 –luvulla FET:it korvattiin MOSFET:eillä.

1972: Yksipuolisen käyttöjännitteen operaatiovahvistimet tuotantoon

• Yksipuolisen käyttöjännitteen operaatiovahvistimella tarkoitetaan operaatiovahvistinta, jonka tulo- ja lähtöjännitteet voivat olla yhtä alhaisia kuin negatiivinen käyttöjännite. Näin operaatiovahvistin voitiin monissa sovelluksissa kytkeä negatiiviselta puolelta maahan, jolloin ei tarvita erillistä negatiivista jännitelähdettä.
  LM324 (1972) oli yksi operaatiovahvistintyyppi, jota myytiin neljän paketeissa (yhdessä komponentissa oli neljä erillistä vahvistinta). Tästä tuli standardi muillekin operaatiovahvistimen valmistajille. Paitsi että useamman saman operaatiovahvistimen paketit yleistyivät, alkoi 70 –luvulla tulla markkinoille myös hybridipaketteja, eli eri operaatiovahvistimien paketteja.

Nykyiset trendit:

• Nykyisin käyttöjännitteet ovat pienentyneet analogisissa piireissä (ja digitaalisissa) ja operaatiovahvistimissakin ollaan siirrytty matalajännitteisiin versioihin. 5 V, 3,3 V ja jopa 1,8 V käyttöjännitteen operaatiovahvistimista on tullut tavallisia. Signaalin maksimoinnin takia operaatiovahvistimet usein käyttävät rail-to-rail uloslähtöä, eli jännite voi vaihdella koko operaatiovahvistimien käyttöjännitealueella

Katso myös

• Operaatiovahvistimen kytkennät
• Operaatiovahvistin, H. Honkanen, Kajaanin ammattikorkeakoulu

Lähteet

• Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith: Microelectronics Circuits 5th edition. Oxford University Press, 2004.

Kirjallisuutta aiheesta

• Timo Haiko: Analoginen elektroniikka - komponentit, mittalaitteet, peruskytkennät, simulointi. WSOYpro Oy, 1. painos, ISBN 978-951-0-26039-5, 2009.
• Pentti Salo: Analogista elektroniikkaa - periaatteita ja sovellutuksia. Otava Kirjapaino Oy, 1. - 4. painos, ISBN 915-1-11247-3, 2004.
• Kimmo Silvonen, Gaudeamus Helsinki University: Elektroniikka ja puolijohdekomponentit. Otatieto, Gaudeamus Helsinki University Press, ISBN 978-951-672-361-0, 2009.