Operaatiovahvistin
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.
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.
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.
Oikealla olevassa kuvassa on operaatiovahvistimen piirrosmerkki; koko operaatiovahvistin voidaan ajatella "kolmiona", joka vahvistaa sisääntuloliittimien välistä jännitettä ja syöttää sen ulostuloon (V). Riippuen operaatiovahvistimen käyttökohteesta, valitaan joko invertoiva (V) tai ei-invertoiva sisääntulo (V). Invertoivaa tuloa käytettäessä ulostulossa on vahvistuksen lisäksi 180 asteen vaihesiirto. V ja V 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.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 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.
Ideaalisella operaatiovahvistimella on seuraavanlaisia ominaisuuksia:
Suljetussa silmukassa operaatiovahvistin tekee kaikkensa pitääkseen kahden tulojännitteen eron nollana.
Todellisuudessa ei ole olemassa ideaalisia operaatiovahvistimia. Käytännön vahvistimilla ei ole edellä mainittuja ideaalisia ominaisuuksia.
"Pääartikkeli: Operaatiovahvistimen kytkennät"
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".
Positiivisella takaisinkytkennällä voidaan toteuttaa esimerkiksi hystereesiä käyttävä komparaattori eli Schmitt-liipaisin. Piirit, kuten aktiivisuotimet ja kolmioaalto-oskillaattorit, käyttävät positiivista sekä negatiivista takaisinkytkentää.
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-invertoivaan tuloon kytketty tulosignaali vastaa vahvistettua lähtöä, kun invertoiva tulo on kytketty maahan.
Lähtöjännite V saadaan laskettua kaavalla
Ei-invertoiva tulo on kytketty maahan ja invertoituun tuloon tuleva signaali muuttuu vastakkaismerkkiseksi vahvistetussa lähdössä.
Lähtöjännite V saadaan laskettua kaavalla1941: Ensimmäinen operaatiovahvistin
1947: Ensimmäinen operaatiovahvistin ei-invertoivalla sisääntulolla
1949: Ensimmäinen chopper-tasapainotettu operaatiovahvistin
1961: Ensimmäinen diskreetti integroitu operaatiovahvistinpiiri
1962: Ensimmäiset operaatiovahvistimet suljetuissa koteloissa
1963: Ensimmäinen operaatiovahvistin yhdellä IC-piirillä
1966: Ensimmäiset varaktorioperaatiovahvistimet
1968: μA741:n julkaisu
1970: Ensimmäinen nopea, pieni tulovirtainen kanavatransistori (FET, Field Effect Transistor) malli
1972: Yksipuolisen käyttöjännitteen operaatiovahvistimet tuotantoon
Nykyiset trendit: