Operaatiovahvistin

Operaatiovahvistin (engl. operational amplifier) (puhekielessä opari, oppari tms.) on elektroniikan komponentti, joka vahvistaa kahden sisääntulonsa välistä potentiaalieroa eli jännitettä suurella vahvistuskertoimella "A". Komponentissa on viisi napaa: kaksi sisääntuloa, käyttösähkön navat ja ulostulonapa. Tyypillisesti operaatiovahvistinta käytetään vahvistamaan analogisia signaaleja, kuten audiosignaalia tai anturilta tulevaa mittaustietoa. 
Ideaalisen operaatiovahvistimen vahvistus on ääretön. Käytännössä vahvistus "A" ei ole ääretön, vaan esimerkiksi LM358-operaatiovahvistimessa vahvistus on n. 100 000 -kertainen.
Sisäisesti 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. Yksi komponentti voi sisältää useita operaatiovahvistimia. Esimerkiksi LM358-komponentti sisältää kaksi erillistä operaatiovahvistinta, joita voidaan käyttää toisistaan riippumatta. Operaatiovahvistin on hyvin yleinen komponentti niin kulutuselektroniikassa, teollisuudessa kuin myös tieteellisissä tutkimuslaitteissa.
Historia.
1941: 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 FET-malli, jossa oli tuloasteen kanavatransistorien (FET) ansiosta pienet tulonapojen biasvirrat
1972: Yksipuolisen käyttöjännitteen operaatiovahvistimet tuotantoon
Nykyiset trendit:
Teoriaa ja toimintaperiaate.
Operaatiovahvistin vahvistaa kahden tuloliittimensä välistä jännitettä. Lähtöjännitteen yhtälö voidaan kirjoittaa muodossa
formula_1,
missä "A" on avoimen silmukan vahvistus ja V+ ja V− ovat sisääntulonapojen jännitteet. Lähtöön välittyy siis yksinkertaisimmillaan tulojännitteiden erotus tietyllä vahvistuksella. Käytännön vahvistinkytkennöissä piirin vahvistus määrätään aina lisäämällä piiriin negatiivista takaisinkytkentää ulkoisten komponenttien avulla. Näin kytkettynä piiri toimii hyvin lineaarisesti tietyissä rajoissa.
Piirikaaviomerkinnät ja kytkentä.
Oikealla olevassa kuvassa on operaatiovahvistimen piirrosmerkki. Koko operaatiovahvistin kuvataan "kolmiona", joka vahvistaa sisääntuloliittimien välistä jännitettä ja syöttää sen ulostuloon (Vout). Riippuen operaatiovahvistimen käyttökohteesta tulosignaalin syöttöön käytetään joko invertoivaa (V-) tai ei-invertoivaa sisääntuloa (V+). Invertoivaa tuloa käytettäessä ulostulossa on vahvistuksen lisäksi 180 asteen vaihesiirto. Vs+ ja Vs− ovat operaatiovahvistimen oman käyttöjännitteen napoja. Operaatiovahvistin tarvitsee toimiakseen käyttösähkön, joka samalla määrää ulostulosignaalin maksimi- ja minimiarvon. Esimerkiksi kaksipuolisella 12 V:n käyttöjännitteellä lähtöön voidaan saada maksimissaan ±12 V, vaikka vahvistus vahvistaisikin jännitettä suuremmaksi. Pinnien (napojen) nimeämisessä voi olla eroja riippuen käytettävästä standardista ja alueellisista eroista. Usein operaatiovahvistimesta jätetään piirikaavioon merkitsemättä käyttöjännitteen navat, koska ne eivät vaikuta muun piirin toimintaan.
Avoimen silmukan operaatiovahvistin.
Avoimen silmukan operaatiovahvistimessa ei ole takaisinkytkentää, joten 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 positiivinen käyttöjännite; jos ei-invertoivaan sisääntuloon kytketään negatiivinen jännite, niin ulostuloon tulee negatiivinen käyttöjännite.
Suljetun silmukan operaatiovahvistin.
Suljetun silmukan operaatiovahvistimessa on takaisinkytkentä ulostulosta negatiiviseen (invertoivaan) sisääntulonapaan. Tällöin suljetun silmukan vahvistuksen suuruus riippuu lähes pelkästään takaisinkytkennässä käytetyistä komponenteista ja suljetun silmukan vahvistuksen arvo on huomattavasti pienempi kuin avoimen silmukan operaatiovahvistimen. Takaisinkytkentäkerroin on vastaavasti suuri.
Operaatiovahvistimen ominaisuuksia.
Ideaalinen operaatiovahvistin.
Ideaalisella operaatiovahvistimella on seuraavanlaisia ominaisuuksia:
Suljetussa silmukassa takaisinkytkentä yhdessä operaatiovahvistinkomponentin hyvin suuren vahvistuksen kanssa pyrkii pitämään sisääntulonapojen erotuksen nollana. (Käytännön piireissä napojen välillä vaikuttaa kuitenkin offset-jännite.)
Käytännön operaatiovahvistin.
Todellisuudessa ei ole olemassa ideaalisia operaatiovahvistimia. Käytännön vahvistimilla ei ole edellä mainittuja ideaalisia ominaisuuksia.
Operaatiovahvistimen kytkennät.
"Pääartikkeli: Operaatiovahvistimen kytkennät"
Ei takaisinkytkentää.
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.
Positiivisella takaisinkytkennällä voidaan toteuttaa esimerkiksi hystereesiä käyttävä komparaattori eli Schmitt-liipaisin. Tietynlaiset piirit kuten aktiivisuotimet ja kolmioaalto-oskillaattorit käyttävät positiivista sekä negatiivista takaisinkytkentää yhdessä.
Negatiivinen takaisinkytkentä.
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.
Ei-invertoivaan tuloon kytketty tulosignaali vastaa vahvistettua lähtöä, kun invertoiva tulo on kytketty kuvan mukaisesti vastuksista muodostettuun jännitteenjakajaan, jonka päät ovat operaatiovahvistimen annossa ja maassa.
Lähtöjännite Vout saadaan lasketuksi kaavalla
formula_2
Invertoiva vahvistin.
Ei-invertoiva tulo on kytketty maahan, ja invertoivaan tuloon tuleva signaali muuttuu vastakkaismerkkiseksi ja vahvistetuksi lähdössä.
Lähtöjännite Vout saadaan lasketuksi kaavalla
formula_3