Operaatiovahvistinpiiri


Operaatiovahvistinta käytettiin alussa vain matemaattisten operaatioden (yhteen- ja vähennyslasku sekä integrointi ja derivointi) suorittamiseen. Sen takia sitä nimitetään operaatiovahvistimeksi.

  1. Rakenne

Itse piiri valmistetaan piilevyistä fotolitografialla. Ohuelle piisekoitelevylle levitetään lakkakerros. Lakkakerrokseen valotetaan johdinreittien haluttu valotuskuvio ja levy kehitetään. Tämän jälkeen ylimääräinen aines syövytetään pois. Kerros kuivataan huolella. Käsittely toistetaan kerroksittain haluttujen johdinreittien ja ominaisuuksien aikaansaamiseksi. Valmis piiri koteloidaan.
Kuvassa piiri on koteloitu muoviin tai metalliin.

DSCN13721.JPG

Yleisimpien opareiden pakkaustapa DIP oikealla (dual inline package).

Operaatiovahvistimella on tyypillisesti kaksi sisääntuloa: Invertoiva sisääntulo 2 ja ei-invertoiva sisääntulo 3 sekä yksi ulostulo (1). Invertoivan sisääntulon vaihe on eroaa 180 astetta ulostulon vaiheesta eli on niin sanotusti käännetty ylösalaisin eli invertoitu. Ei-invertoidun sisääntulon vaihe on sama kuin ulostulossa. Liittimet 4 ja 11 ovat käyttöjännitettä varten, joka useimmiten on tasajännitettä. Nämä käyttöjännite liitokset jätetään usein piirtämättä kaavakuvaan, mutta niitä ei ole syytä unohtaa. [1] [2]
[3]



741.JPG
741.JPG

Operaatiovahvistimen periaatteellinen kaaviokuva

2. Ominaisuudet

Vertailukohteena ideaalisen operaatiovahvistimen kanssa pidämme piiriä LM741 sillä se on yleisin käytetty opari. Ideaalioparin sisääntuloresistanssi on ääretön, joten sisään menevä virta on nolla, toisin sanoen ideaalinen opari ei kuormita lähdettä. Käytännössä sisääntuloresistanssi on hyvin suuri esim. LM 741 2M ohmia. BJT- transistoreilla päästään yli 80 M ohmiin . Jos tarvitaan korkeampia resistansseja voidaan käyttää FET vahvistimia.
Ideaalisen oparin ulostuloresistanssi on nolla. Käytännössä se on hyvin pieni, esim. LM741 75 ohmia on hyvin tyypillinen arvo.
Ulostuloresistanssia tärkeämpi ominaisuus on siihen liittyvä ulostulovirta. LM741 kestää ulostulovirtana 10- 20 mA. [2]
Ideaalisella oparilla on myös ääretön vahvistus. Vahvistus tarkoittaa ulostulojännitteen ja sisääntulojännitteen suhdetta. Käytännössä kuitenkin ulos tuleva jännite rajoittuu käyttöjännitteitä hieman alemmalle tasolle. [4] [5]

3. Toiminta ja käyttötavat

Vahvistimen ulostulossa nähdään sisääntulosignaalien erotus vahvistuskertoimella kerrottuna. Yleensä piiriä ei käytetä ilman takaisinkytkentää. Jos ulostulo on kytketty takaisin negatiiviseen sisääntuloon, puhutaan negatiivisestä takaisinkytkennästä. Jos taas ulostulo on kytketty positiivisesn sisääntuloon, puhutaan positiivisesta takaisinkytkennästä. Takaisinkytketyn piirin vahvistus ei ole oparin ominaisvahvistus vaan koko piirin ulostulojännitteen ja sisääntulojännitteen suhde. Jos takaisinkytkentää ei ole, toimii opari komparaattorina eli se vertailee sisääntulojen eroa. Positiivisella takaisinkytkennällä varustettu opari toimii myös komparaattorina, jolla on hystereesi. Usein tarpeellinen värähtelymoodi eli oskillaattorikytkentä saadaan silloin kuin positiivinen takaisinkytkentä tapahtuu vain tietyillä taajuuksilla. [6]

3.1 Differentiaalivahvistin

Tyypillisesti operaatiovahvistinpiiri koostuu vähintään kahdesta differentiaalivahvistin lohkosta. Katsotaan hieman differentiaalivahvistimen toimintaa. Nämä osat saavat aikaan oparissa korkean jännitevahvistuksen ja yhteissignaalin sietokyvyn.
Differentiaalivahvistimen yksinkertaistettu toiminta voidaan kuvata seuraavasti. Kun molemmat inputit ovat maadoitettu on ulostulevat jännitteet yhtäsuuria. Jos toiseen sisääntuloon ajetaan signaalia näkyy se invertoituna ja vahvistettuna samanpuolen ulostulossa ja ei-invertoituna ja vahvistettuna vastakkaisella ulostulolla.
wiki.JPG
Differentiaalivahvistimen kaaviokuva

Tyypillinen operaatiovahvistinpiiri ja sen datalehti (Datasheet LM741).
  1. ^ Electronic Devices fifth edition, Floyd, copyright Prentice Hall 1999, kpl 12
  2. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier, tarkastettu 30.01.2010
  3. ^ Microelectronics: Digital and Analog Circuits and Systems, copyright 1988 McGraw Hill Higher Education, kpl 14
  4. ^ Electronics a systems approach, Storey Neil, copyright 1992 Addison - Wesley Publishers Ltd. kpl 3.11
  5. ^ Integrated Electronics - Jacob Millman and Christos Hallkias, copyright 1971 Mcgraw-hill Inc kpl 15
  6. ^ http://fi.wikipedia.org/wiki/Operaatiovahvistin tarkastettu 30.01.2010