Operaatiovahvistin

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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. Vs+ ja Vs− ovat operaatiovahvistimen oman käyttöjännitteen napoja, eli se vaati toimiakseen omaa sähköä; käyttöjännite toimii käytännössä vahvistuksen maksimiarvona, eli esimerkiksi 12 V:n käyttöjännitteellä ei voida saada suurempaa jännitettä lähtöön Vout. Pinnien nimeämisessä voi olla eroja riippuen käytettävästä standardista ja alueellisista eroista johtuen. Yleensä operaatiovahvistimesta jätetään merkitsemättä käyttöjännitteen navat, koska ne eivät vaikuta muun piirin toimintaan.

  • V+: ei-invertoiva tulo
  • V: invertoiva tulo
  • Vout: lähtö
  • VS+: positiivinen käyttöjännite
  • VS−: negatiivinen käyttöjännite

Teoriaa ja toimintaperiaate[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Operaatiovahvistin vertailee kahden tuloliittimensä välistä jännite-eroa. Lähtöjännitteen yhtälö voidaan kirjoittaa muodossa

V_{\!\text{out}} = A(V_{\!+} - V_{\!-})

missä A on avoimen silmukan vahvistus, V+ ja V napojen jännitteet. 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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ideaalinen operaatiovahvistin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ideaalisella operaatiovahvistimella on seuraavanlaisia ominaisuuksia:

  • Avoimen silmukan vahvistus ääretön
  • Ääretön tuloimpedanssi
  • Lähtöimpedanssi nolla
  • Tulon offset-jännite nolla, eli lähtö nolla differentaalijännitteen ollessa nolla
  • Äärettömän suuri lähtöjännite
  • Ääretön kaistanleveys
  • Vaihesiirto nolla
  • Lähtöjännitteen nousunopeus (slew rate) ääretön
  • Ei kohinaa

Suljetussa silmukassa operaatiovahvistin tekee kaikkensa pitääkseen kahden tulojännitteen eron nollana.

Käytännön operaatiovahvistin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Operaatiovahvistimen sijaiskytkentä

Todellisuudessa ei ole olemassa ideaalisia operaatiovahvistimia. Käytännön vahvistimilla ei ole edellämainittuja ideaalisia ominaisuuksia.

  • Avoimen silmukan vahvistus tyypillisesti 100 000–1 000 000
  • Tuloimpedanssi 1–100 MΩ
  • Lähtöimpedanssi alle 100 Ω
  • Tulon offset-jännite 0,01–6 mV
  • Lähtöjännite korkeimmillaan yhtä suuri kuin käyttöjännite
  • Ominaisuudet muuttuvat lämpötilan mukaan
  • Hyötysuhde ei ole 100 %, koska osa käyttösähköstä kuluu hukkalämpönä
  • Lähtöjännitteen nousunopeus 0,5–35 V/µs[1]

Operaatiovahvistimen sovellutuksia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

Operaatiovahvistimen historiaa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

1941: Ensimäinen operaatiovahvistin

  • Ensimmäisen yleiskäyttöisen tasajännitekytketyn operaatiovahvistimen, jossaon suuri tulojännite ja negatiivinen takaisinkytkentä, patentoi D. Swartzel Jr. vuonna 1941. Siinä hyödynnettiin kolmea tyhjiöputkea, joilla saatiin aikaan 90 dB:n vahvistus, ja se 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 keksintö osoitti käytännöllisyytensä M9-tykistöohjauksen osana. M9:n ja SCR584-tutkajärjestelmän avulla saatiin 90 prosentin osumatarkkuus, joka ei aiemmin ollut mahdollista.

1947: Ensimmäinen operaatiovahvistin ei-invertoivalla sisääntulolla

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

1949: Ensimmäinen chopper-tasapainotettu operaatiovahvistin

  • Edwin A Goldberg kehitti vuonna 1949 chopper-tasapainoitetun operaatiovahvistimen. Se sisälsi normaalin operaatiovahvistimen lisäksi myös vaihtojännitevahvistimen. Vahvistin sai vaihtojännitteen kytkemällä tasajännitettä ja maata vuoroin nopealla taajuudella (60 Hz tai 400 Hz). Saatu signaali vahvistettiin, korjattiin, suodatettiin ja syötettiin operaatiovahvistimen ei-invertoivaan sisääntuloon. Se nopeutti 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 markkinoille alkoi ilmestyä IC-operaatiovahvistimia. Vuonna 1953 tuli yleisille markkinoille tyhjiöputkia käyttäviä operaatiovahvistimia George A Philbrickin mallin K2-W:n myötä. Mallissa oli Loebe Julien mallinen operaatiovahvistin, ja samalla sitä voitiin käyttää chopper-tasapainoitettuna, jolloin se käytti ei-invertoivan tulon itsessään. Tämä malli aikaisempien kanssa aloitti operaatiovahvistimien laajan 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 operaatiovahvistimet 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[2]) oli muuten LM101:tä vastaava, mutta se sisälsi 30 pF kompensaatiokondensaattorin piirissään, jolloin ulkopuolista kompensaatiota ei tarvittu. Tämä yksinkertainen parannus teki μA741:stä ehdottomasti suosituimman operaatiovahvistimen, ja vieläkin siihen verrataan uusia operaatiovahvistimia. μA741 on edelleen usean valmistajan ohjelmassa, ja sen tunnistaa koodista 741.

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

  • 1970-luvulla FET:tejä käyttäviä nopeita vähävirtaisia operaatiovahvistimia alkoi tulla markkinoille. 1980-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 1970-luvulla tulla markkinoille myös hybridipaketteja, eli eri operaatiovahvistimien paketteja.

Nykyiset trendit:

  • Nykyisin käyttöjännitteet ovat pienentyneet analogisissa piireissä (ja digitaalisissa), ja operaatiovahvistimissakin on 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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kirjallisuutta aiheesta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • 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.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]