Vahvistin tai operaatiovahvistin

Operaattori tai op-amp on DC-yhdistetty jännitevahvistin, jolla on erittäin korkea jännitevahvistus.

Op-amp on periaatteessa monivaiheinen vahvistin, jossa useita vahvistinvaiheita on yhdistetty toisiinsa hyvin monimutkaisella tavalla. Sisäinen piiri koostuu monista transistorista, FETeistä ja vastuista. Kaikki tämä vie hyvin vähän tilaa.
Niinpä se on pakattu pienessä paketissa ja se on saatavilla integroituina piireinä (IC). Termi Op-amp tarkoittaa vahvistinta, jota voidaan määrittää suorittamaan erilaisia operaatioita kuten vahvistaminen, vähentäminen, derivointi, yhteenlasku, integrointi jne. Yksi esimerkki on erittäin suosittu IC 741.

Symboli ja sen todellinen ulkonäkö IC-muodossa näkyvät alla. Symboli näyttää nuolenpään, joka merkitsee, että signaali kulkee ulostuloon syötteestä.

Toiminnallisen vahvistimen syöte- ja ulostuloterminalit

Op-ampillä on kaksi syötteterminalia ja yksi ulostuloterminal. Op-ampilla on myös kaksi jännitesyötteterminalia, kuten yllä nähdään. Kaksi syötteterminalia muodostavat differentiaalisyötteen. Kutsutaan terminalia, joka on merkitty negatiivisella (-) merkillä, käänteiseksi terminaliksi ja terminalia, joka on merkitty positiivisella (+) merkillä, ei-käänteiseksi terminaliksi toiminnalliselle vahvistimelle. Jos sovellamme syöttesignaalia käänteiseen terminaliin (-), niin vahvistettu ulostulossignaali on 180o vaihekuvaajassa verrattuna sovellettavaan syöttesignaaliin. Jos sovellamme syöttesignaalia ei-käänteiseen terminaliin (+), silloin saatu ulostulossignaali on vaiheessa, eli sillä ei ole vaiheeroivia eroja syöttesignaalin kanssa.

Toiminnallisen vahvistimen jännitelähde

Kuten yllä olevasta piirisymbolista nähdään, siinä on kaksi jännitesyötteterminalia +VCC ja –VCC. Op-ampin toiminnalle on välttämätöntä kaksipolttainen DC-jännitelähde. Kaksipolttaisessa jännitteessä yhdistämme +VCC positiiviseen DC-jännitteeseen ja –VCC-terminalin negatiiviseen DC-jännitteeseen. Kuitenkin joitakin op-ampieja voidaan käyttää myös yksipolttaisessa jännitteessä. Huomioi, että op-ampieissa ei ole yhteistä maajärjestelmää, joten maan on osoitettava ulkopuolella.

Op-ampin toimintaperiaate

Toiminnallisen vahvistimen avoin silmukka-toiminta

Kuten edellä mainittiin, op-ampilla on differentiaalisyöte ja yksipuolinen ulostulo. Joten, jos sovellamme kaksi signaalia, yksi käänteiseen ja toinen ei-käänteiseen terminaliin, ideaalinen op-amp vahvistaa kahden sovelletun syöttesignaalin välisen eron. Kutsumme tätä kahden syöttesignaalin välisenä erotuksen differentiaalisyötejännitteeksi. Alla oleva yhtälö antaa toiminnallisen vahvistimen ulostulon.Missä, VOUT on op-ampin ulostuloterminalin jännite. AOL on annetun op-ampin avoin silmukka-vahvistus ja se on vakio (idealisesti). IC 741:lle AOL on 2 x 105.
V1 on ei-käänteisen terminalin jännite.
V2 on käänteisen terminalin jännite.
(V1 – V2) on differentiaalisyötejännite.
On selvää yllä olevasta yhtälöstä, että ulostulo on nollasta poikkeava vain, jos differentiaalisyötejännite on nollasta poikkeava (V1 ja V2 eivät ole yhtäsuuret), ja on nolla, jos molemmat V1 ja V2 ovat yhtäsuuret. Huomioi, että tämä on ideaalinen tilanne, käytännössä op-ampissa on pieniä epätasapainoja. Op-ampin avoin silmukka-vahvistus on hyvin korkea. Siksi avoin silmukka-toimiva toiminnallinen vahvistin vahvistaa pieni sovellettu differentiaalisyötejännite valtaviin arvoihin.
Myös, jos sovellamme pientä differentiaalisyötejännitettä, toiminnallinen vahvistin vahvistaa sen huomattavaan arvoon, mutta tämä huomattava arvo ulostulossa ei voi ylittää op-ampin jännitelähdettä. Siksi se ei loukkaa energian säilymislakia.

Suljettu silmukka-toiminta

Yllä selitetyssä op-ampin toiminnassa oli kyse avoimesta silmukasta, eli ilman palautetta. Suljetussa silmukassa tuodaan palautuspolku, joka lähettää ulostulossignaalin syötteeseen. Siksi syötteissä on samanaikaisesti kaksi signaalia. Toista niistä on alkuperäinen sovellettu signaali, ja toista on palautussignaali. Alla oleva yhtälö näyttää suljetun silmukan op-ampin ulostulon.Missä VOUT on op-ampin ulostuloterminalin jännite. ACL on suljettu silmukka-vahvistus. Op-ampiin yhdistetty palautuspiiri määrittelee suljetun silmukan vahvistuksen ACL. VD = (V1 – V2) on differentiaalisyötejännite. Sanomme palautuksen positiiviseksi, jos palautuspolku lähettää signaalin ulostuloterminalista takaisin ei-käänteiseen (+) terminaliin. Positiivista palautusta käytetään värähtelijöissä. Palautus on negatiivinen, jos palautuspolku lähettää osan signaalista ulostuloterminalista takaisin käänteiseen (-) terminaliin. Negatiivista palautusta käytetään op-ampieissa, jotka toimivat vahvistimina. Jokaisella palautustyypillä, negatiivisella tai positiivisella, on omat etunsa ja haittansa.

Positiivinen palautus ⇒ Värähtelijä
Negatiivinen palautus ⇒ Vahvistin
Yllä oleva selitys on kaikkein perustavanlaatuisin toiminnallisten vahvistimien toimintaperiaate.

Ideaalisen op-ampin ominaisuudet