Operaatiovahvistin

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Erilaisia operaatiovahvistimen sisältäviä komponentteja. Vasemmanpuoleisin alhaalla oleva komponentti sisältää yhden operaatiovahvistimen.

Operaatiovahvistin (engl. operational amplifier) (puhekielessä opari, oppari tms.) on elektroniikan komponentti, joka vahvistaa kahden sisääntulonsa välistä jännite-eroa tietyllä vahvistuskertoimella A. Komponentissa on viisi napaa: kaksi sisääntuloa, käyttösähkön navat ja ulostulonapa. Tyypillisesti operaatiovahvistinta käytetään vahvistamaan analogisia signaaleja, kuten äänisignaalia tai antureilta tulevaa mittaustietoa. Ideaalisen operaatiovahvistimen vahvistus on ääretön. Käytännössä vahvistus ei ole ääretön, vaan esimerkiksi LM358-operaatiovahvistimessa vahvistus on 100 000 -kertainen[1].

Operaatiovahvistin koostuu useista eri komponenteista, kuten transistoreista, kondensaattoreista ja vastuksista, mutta käytännössä käyttäjän ei tarvitse tietää operaatiovahvistimen sisäistä kytkentää. Useat eri valmistajat myyvät operaatiovahvistimia yksittäisinä valmiina mikropiireinä. Esimerkiksi LM358-komponentti sisältää kaksi erillistä operaatiovahvistinta, joita voidaan käyttää toisistaan riippumatta. Operaatiovahvistin on hyvin yleinen komponentti niin kulutuselektroniikassa, teollisuudessa, kuin myös tieteellisissä tutkimuslaitteissa.


Teoriaa ja toimintaperiaate[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

missä A on avoimen silmukan vahvistus, ja V+ ja V sisääntulonapojen jännitteet. Lähtöön välittyy siis yksinkertaisimmillaan tulojännitteiden erotus tietyllä vahvistuksella. Käytännössä usein kannattaa operaatiovahvistimeen lisätä negatiivista takaisinkytkentää järjestelmän suodatuksen ja paremman signaalin laadun takia.

Piirikaaviomerkinnät ja kytkentä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Operaatiovahvistimen piirrosmerkki

Oikealla olevassa kuvassa on operaatiovahvistimen piirrosmerkki; koko operaatiovahvistin voidaan ajatella "kolmiona", joka vahvistaa sisääntuloliittimien välistä jännitettä ja syöttää sen ulostuloon (Vout). Riippuen operaatiovahvistimen käyttökohteesta, valitaan joko invertoiva (V-) tai ei-invertoiva sisääntulo (V+). Invertoivaa tuloa käytettäessä ulostulossa on vahvistuksen lisäksi 180 asteen vaihesiirto. Vs+ ja Vs− ovat operaatiovahvistimen oman käyttöjännitteen napoja. Operaatiovahvistin tarvitsee toimiakseen käyttösähkön, joka toimii käytännössä vahvistuksen maksimi- ja minimiarvona. Esimerkiksi kaksipuoleisella 12 V:n käyttöjännitteellä lähtöön voidaan saada maksimissaan ±12 V, vaikka vahvistus vahvistaisikin jännitettä suuremmaksi. 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

Avoimen silmukan operaatiovahvistin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Avoimen silmukan operaatiovahvistin

Avoimen silmukan operaatiovahvistimessa ei ole takaisinkytkentää, jolloin se toimii komparaattorina. Tällöin operaatiovahvistin vahvistaa sisääntulonapojen välisen jännitteen avoimen silmukan vahvistuskertoimensa A arvolla, kuitenkin saamansa käyttöjännitteen rajoissa. Esimerkiksi jos invertoiva sisääntulo on kytketty maahan ja ei-invertoivaan tuloon kytketään positiivinen jännite, niin ulostuloon tulee käyttöjännitteen maksimiarvo; jos ei-invertoivaan sisääntuloon kytketään negatiivinen jännite, niin ulostuloon tulee käyttöjännitteen minimiarvo.

Suljetun silmukan operaatiovahvistin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suljetun silmukan operaatiovahvistin

Suljetun silmukan operaatiovahvistimessa on takaisinkytkentä ulostulosta jompaankumpaan sisääntulonapaan, riippuen käyttötarkoituksesta. Suljetun silmukan vahvistuksen suuruus riippuu takaisinkytkennässä käytetyistä komponenteista, jolloin suljetun silmukan vahvistuksen arvo on huomattavasti pienempi kuin avoimen silmukan operaatiovahvistimen.

Operaatiovahvistimen ominaisuuksia[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 edellä mainittuja 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[2]

Operaatiovahvistimen kytkennät[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Operaatiovahvistimen kytkennät

Ei takaisinkytkentää[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Operaatiovahvistin toimii komparaattorina jos sen vahvistusta ei hallita takaisinkytkennällä. Lähtöjännite vastaa positiivista käyttöjännitettä, kun V+ on pienempi kuin V- ja negatiivista, kun V- on pienempi kuin V+.

Positiivinen takaisinkytkentä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Positiivisella takaisinkytkennällä voidaan toteuttaa esimerkiksi hystereesiä käyttävä komparaattori eli Schmitt-liipaisin. Piirit, kuten aktiivisuotimet ja kolmioaalto-oskillaattorit, käyttävät positiivista sekä negatiivista takaisinkytkentää.

Negatiivinen takaisinkytkentä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Negatiivinen takaisinkytkentä on yleisin operaatiovahvistimen kytkentä. Negatiivisen takaisinkytkennän seurauksena operaatiovahvistimen tulojen jännite-ero on nolla. Kun huomioidaan ideaalinen ääretön tuloimpedanssi, eli virtaa ei kulje tuloihin, operaatiovahvistimen kytkentöjen analyysi helpottuu.

Ei-invertoiva vahvistin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Operaatiovahvistinkytkentä ei-invertoivassa vahvistuksessa

Ei-invertoivaan tuloon kytketty tulosignaali vastaa vahvistettua lähtöä, kun invertoiva tulo on kytketty maahan. Lähtöjännite Vout saadaan laskettua kaavalla

Invertoiva vahvistin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Operaatiovahvistinkytkentä invertoivassa kytkennässä

Ei-invertoiva tulo on kytketty maahan ja invertoituun tuloon tuleva signaali muuttuu vastakkaismerkkiseksi vahvistetussa lähdössä. Lähtöjännite Vout saadaan laskettua kaavalla

Muita kytkentöjä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Operaatiovahvistimen historiaa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

1941: Ensimmäinen 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-tasapainotetun 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-tasapainotettuna, 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[3]) 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.
  • Salste, Mikko; Porra, Veikko: Elektroniikka: sovelletun elektroniikan ja digitaalitekniikan perusteet. Otaniemi: Otakustantamo, 1973. ISBN 951-671-053-0.

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]