Operaatiovahvistin

Vahvistus

Operaatiovahvistin

Tarkastellaan seuraavaksi lyhyesti käytännön elektroniikan vahvistinkomponenttia, operattiovahvistinta. Katsaus on pintapuolinen, tarkemmin asiaa käsitellään mm. kurssissa analogiatekniikka. Operaatiovahvistin on analogisen elektroniikan peruskomponentti. Se on jännitevahvistin, joka vahvistaa kahden tulonsa välistä jännitettä (erovahvistin eli differentiaalinen vahvistin). Periaatteessa operaatiovahvistimen voidaan ajatella olevan ohjattava lähde (Thévenin), jota ohjataan tulojännitteellä. Tutustutaan seuraavaksi lyhyesti operaatiovahvistimen toimintaan ja käyttökohteisiin.


Esimerkki käytännön operaatiovahvistimista ja operaatiovahvistimen piirikaaviosymboli.

Operaatiovahvistin on yksi tärkeimmistä nykyaikaisista analogiaelektroniikan rakenneosista. Aikoinaan se oli ensimmäisiä analogisia integroituja piirejä (IC) ja sitä käytettiin nimensä mukaisesti laskemaan matemaattisia operaatioita. Nykyään sitä käytetään erilaisissa vahvistimissa, suodattimissa, säätäjissä ym. Operaatiovahvistin ei yleensä ole tehovahvistin sanan varsinaisessa mielessä, sillä tyypillisestä operaatiovahvistimesta ei saada ulos kuormitukseen yleensä paljon virtaa/tehoa.

Operaatiovahvistimen seikkaperäinen analyysi vaati hyvää tuntemusta puolijohteista (transistoreista, diodeista, ym.), mutta monimutkaisiakin kytkentöjä voi suunnitella ymmärtämättä esim. transistoreista mitään. Seuraava tarkastellaan operaatiovahvistinta "mustana laatikkona", jonka sisuskaluista ei tarvitse tietää juuri mitään suunnitellessa yksinkertaisia kytkentöjä. Ideaalisen operaatiovahvistimen oletuksilla ja yksinkertaisella mallilla monimutkaisiakin kytkentöjä voi suunnitella operaatiovahvistinta ja muutamaa passiivista osaa käyttäen.

Operaatiovahvistimessa on kolme liityntää:

Lähtö
Ei-invertoiva tulo (+)
Invertoiva tulo (-)

Näiden kolmen toiminnallisen liitynnän lisäksi käytännön vahvistin tarvitsee käyttöjänniteliitynnät, josta vahvistin ottaa sähkötehoa toimintaansa varten (esim. paristosta). Käyttöjännitteet ovat aina tasasähköä (DC).

Esimerkkikytkennöissä ja monissa laskutehtävissä operaatiovahvistimen käyttöjännitteet jätetään usein merkitsemättä. Tämä ei kuitenkaan tarkoita etteikö operaatiovahvistin tarvitsisi käyttöjännitteitä.Operaatiovahvistin on aktiivinen komponentti ja tarvitsee aina toimiakseen käyttösähköt.

Operaatiovahvistimen käyttöjännitteet voivat olla esimerkiksi kaksipuoleiset kuten kuvassa +/-15V

Käytännön piirissä opeaatiovahvismen liitynnät ovat saatavissa piirikotelon "jaloista". Esimerkkinä seuraava kuva, joissa tulojen, lähdön ja käyttöjännitteen lisäksi on nollakohdan säätö (offset trim)

Käytännön operaatiovahvistimen "pinnijärjestys" voi olla esimerkiksi tällainen (yksi vahvistin kotelossa). Offset trim-liitynnät ja NC (=no connection, ei yhdistetty mihinkään) ovat lisäliityntöjä yksinkertaisimpaan vahvistimeen verrattuna.

<>Operaatiovahvistimen toiminta voidaan kiteyttää seuraavaan kaavaan. Operaatiovahvistin vahvistaa tulon jännite-eron sisäisellä vahvistuksellaan A_v, ja lähtöjännitteeksi U_o saadaan

U_o = A_v(U₍₊₎-U_(-))

Periaatteellinen kuva operaatiovahvistimen sisäisestä toiminnasta.

Ideaalisessa tapauksessa sisäinen vahvistus A_v on äärettömän suuri. Ideaalitapauksessa vahvistimen tulossa oleva nanovolttien jännite-ero vahvistuu äärettömän suureksi lähtöjännitteeksi. Tämän johdosta käytännön vahvistimeen tarvitaan vielä ulkoinen kytkentä, esimerkiksi kaksi vastusta, asettelemaan koko vahvistinkytkennän vahvistus järkeväksi.Esimerkkinä invertoiva operaatiovahvistinkytkentä, jossa operaatiovahvistimeen kytkettyjen kahden vastuksen avulla asetellaan vahvistus halutuksi.

Tyypillisimpiä operaatiovahvistimen peruskytkentöjä on esitetty täällä (A-kurssilaisille ja muuten kiinnostuneille).

Esimerkki erilaisista operaatiovahvistimista.