Kasutaja:RethoricalCheese/Operatsioonivõimendi

Operatsioonvõimendi ehk operatsioonivõimendi (lühemalt opvõimendi või OV) on kahe sisendiga võimendi, millel on suur pingevõimendustegur. Niisugune võimendi võimaldab väheste väliskomponentide lisamisega luua mitmesuguseid lülitusi, mille parameetrid sõltuvad peamiselt vastusideahela (s.o negatiivse tagasiside ahela) omadustest. Spetsiaalseid, vastusideta operatsioonvõimendeid kasutatakse näiteks pingekomparaatoreina.

Ajalugu

Esimesed operatsioonvõimendid loodi kasutamiseks analoogarvutites lineaarsete operatsioonide (näiteks liitmine) ja mittelineaarsete operatsioonide (näiteks logaritmimine) modelleerimiseks.

Operatsioonvõimendeid kasutatakse erisuguse otstarbega võimenduslülitustes, analoogsagedusfiltrites ja muudes analoogsignaali töötlemise lülitustes, lävipingelülitustes, samuti pinge-vool-muundurina ja impedantsimuundurina (vt näiteks güraator). Kolmest operatsioonvõimendist koostatakse täppismõõtelülitusi.

Operatsioonvõimendi lihtsustatud põhimõtteskeem

Operatsioonvõimendi struktuur

Operatsioonvõimendi koosneb diferentslülituses sisendastmest (skeemil kollasel taustal), suure võimendusteguriga pingevõimendist (oranž) ja vastastakt-väljundastmest (sinine).

Diferentsvõimendil on inverteersisend (‒) ja mitteinverteersisend (+). Inverteerimine tähendab siin pinge faasi pööramist 180° võrra. Seega põhjustab pingemuutus mitteinverteerivas sisendis väljundis samasuunalise muutuse, pingemuutus inverteersisendis vastassuunalise muutuse. Diferentsvõimendi transistoride ühises emitteriahelas on püsivooluallikas. Niisugune diferentsvõimendi muundab väikesed sisendpingete erinevused nendega võrdelisteks väljundvoolu muutusteks.

Võimendusaste annab põhilise pingevõimenduse. Suure võimendusteguri tõttu vajab võimendi sageduskorrektsiooni, et ära hoida endaergutust ja sellest tulenevat genereerimist. Selleks on lülituses negatiivset tagasisidet loov kondensaator, mis määrab operatsioonvõimendi sagedusriba. On ka väliskorrektsiooniga operatsioonvõimendeid, millel on eraldi kontaktviigud vastusideahela ühendamiseks.

Vastastaktlülituses väljundastme ülesanne on tagada vajalik vooluvõimendus ja ühtlasi väike väljundtakistus.

Tegelikud operatsioonvõimendid on märksa keerukama skeemiga ja sisaldavad kasutusotstarbest tulenevalt mitmesuguseid lisaahelaid. Paljude operatsioonvõimendite sisendaste on kaitstud liigpinge eest ja väljundaste lühise eest.

A ‒ Operatsioonvõimendi tingmärk (1 ‒ mitteinverteersisend, 2 ‒ inverteersisend; 3 ‒ väljund; 4 ja 5 ‒ toitepinge +U ja ‒U)
B ‒ pingejärgur; C ‒ mitteinverteeriv võimendi; D ‒ inverteeriv võimendi; E ‒ pingesummaator;
F ‒ integraalkomponendina teostatud operatsioonvõimendi tüüpiline sokeldus (4 ‒U, 7 +U)

Operatsioonvõimendi põhiparameetrid

• Diferentssignaali võimendustegur on väljundpinge ja seda esilekutsunud diferentspinge suhe. Signaali sageduse tõustes võimendus väheneb 6 dB oktavi kohta ehk 20 dB dekaadi kohta (s.t 20 dB sageduse kümnekordistamisel).
• Ühissignaali võimendustegur on väljundpinge ja kokkuühendatud sisenditele antava pinge suhe.
• Ühissignaali nõrgendustegur (CMRR, lühend inglise keele sõnadest common-mode rejection ratio) avaldub diferentssignaali võimendusteguri ja ühissignaali võimendusteguri suhtena detsibellides (dB).
• Nihkepinge on selline alalispinge, mis tuleb rakendada operatsioonvõimendi sisendite vahele, et väljundpinge oleks null. Nimelt on reaalse operatsioonvõimendi väljundis ka sisendpinge puudumisel teatav alalispinge. Nihkepinge mõju kompenseerimist nimetatakse operatsioonvõimendi balansseerimiseks ehk tasakaalustamiseks.
• Transiitsagedus on sagedus, mille puhul tagasisidestamata operatsioonvõimendi pingevõimendustegur on vähenenud üheni (0 dB). Vastavalt on võimendusteguri ja transiitsageduse korrutis (GBWP või GBP, ingliskeelsetest sõnadest gain bandwidth product) 1.

Transiitsageduse (või GBWP) järgi saab leida vastusidestatud operatsioonvõimendi võimendusteguri mingil madalamal sagedusel. Kui näiteks transiitsagedus on 10 MHz, siis pääsuribas, mille lõikesagedus on 100 korda madalam, s.o 0,1 MHz, on operatsioonvõimendi võimendustegur 10/0,1 = 100.

• Väljundpinge kasvukiirus on suurim kiirus (V/µs), millega on võimeline muutuma operatsioonvõimendi väljundpinge, kui tema sisendisse antakse suurima lubatava väärtusega ristkülikuline pingeimpulss. Kui signaali tegelik kasvukiirus on suurem, ei järgi väljundpinge täpselt sisendpinge muutusi, s.t väljundsignaal moonutub.

Operatsioonvõimendite tunnussuuruste orienteerivaid väärtusi:

• sisendtakistus 100 MΩ, väljundtakistus 20 Ω;
• päripinge võimendustegur vastusideta 100 000 kuni 1 000 000 (madalal sagedusel, näiteks 10 Hz);
• transiitsagedus (GBWP) 0,1‒10 MHz;
• nihkepinge 100 µV, lekkevool 100 nA;
• väljundpinge kasvukiirus 1 V/µs, eriotstarbelistel võib olla mitu suurusjärku suurem;
• ühissignaali nõrgendustegur 50‒100 dB;
• toitepinge ±(3‒32) V, voolutarve jõudeolekus 10‒100 µA.

Peale üldotstarbeliste ehk universaalsete operatsioonvõimendite toodetakse mitut liiki eriomadustega operatsioonvõimendeid:

• pretsisioon- ehk täppisoperatsioonvõimenditel on väike nihkepinge ja selle triiv; neid kasutatakse väga nõrga signaali võimendamiseks;
• müravaesed operatsioonvõimendid on kohased väga nõrga vahelduvpinge võimendamiseks;
• laiaribalistel operatsioonvõimenditel on suur väljundpinge kasvukiirus; neil puudub sisemine sageduskorrektsioon.

Kasutamine

Tagasisideta

Operatsioonivõimendi pingekomparaatorina

Tagasisideta operatsioonivõimendit nimetatakse pingekomparaatoriks. Sellisel juhul referentspingeallikas $V_{\text{ref}}$ ühendatakse ühe operatsioonivõimendi sisendviiguga. Kui mõõdetav pingeallikas $V_{\text{in}}$ on ühendatud operatsioonivõimendi inverteersisendiga $-$ ja pinge on suurem mitteinverteersisendisse $+$ ühendatud referentspingest $V_{\text{ref}}$, saab operatsioonivõimendi väljund $V_{\text{out}}$ võrdseks $+V$ toiteraja pingega. Referentspingest madalama sisendpingega saab väljund võrdseks $-V$ toiteraja pingega. Kui mõõdetav pingeallikas on ühendatud operatsioonivõimendi mitteinverteersisendiga ja pinge on suurem referentspingest, saab operatsioonivõimendi väljund võrdseks $-V$ toiteraja pingega. Referentspingest madalama sisendpingega saab väljund võrdseks $+V$ toiteraja pingega.

Kui referentspinge $V_{\text{ref}}=0V$, saame null-pinge detektori, mis on võimeline sisendviiguga ühendatud siinus-, kolmnurk- või ükskõik millist nulli suhtes sümmeetrilist signaali teisendama ruutsignaaliks.

Väljundpinge arvutamise valem:

$V_{\text{out}}=\left\{{\begin{matrix}V_{\text{S+}}&V_{1}>V_{2}\\V_{\text{S-}}&V_{1}<V_{2}\end{matrix}}\right.$

Positiivse tagasisidega

Positiivne tagasiside - Schmitti trigger

Levinud on ka operatsioonivõimendid, mis kasutavad positiivset tagasisidet, mille korral väike osa väljundpingest $V_{\text{out}}$ mõjutab mitteinverteersisendit $+$. Üks olulisemaid selliseid näiteid on hüstereesiga komparaator ehk Schmitti trigger, mis võimaldab mürarikast signaali teisendada müravabaks.

Negatiivse tagasisidega

Pingejärgija

Pingejärgija

Pingejärgija korral on ühendatud operatsioonivõimendi väljund $V_{\text{out}}$ kas otse või voolu piiramise eesmärgil läbi takisti inverteersisendisse $-$. Mitteinverteersisendisse $+$ ühendatakse sisendpinge $V_{\text{in}}$. Seda nimetatakse pingejärgijaks, sest väljundpinge $V_{\text{out}}$ on sellise ühenduse korral võrdne sisendpingega $V_{\text{in}}$.

Väljundpinge arvutamise valem:

$V_{\text{out}}=V_{\text{in}}\!\$

Mitteinverteeriv võimendi

Mitteinverteeriv võimendi

Mitteinverteeriva võimendi puhul on operatsioonivõimendi väljundi $V_{\text{out}}$ ning maa vahele ühendatud kahest takistist, $R_{f}$ ja $R_{1}$, koosnev pingejagur, mille väljund on ühendatud operatsioonivõimendi inverteersisendisse $-$. Sisendpinge $V_{\text{in}}$ on ühendatud operatsioonivõimendi mitteinverteersisendisse $+$. Selliselt ühendatud võimendi puhul muutub väljundpinge $V_{\text{out}}$ sisendpingega $V_{\text{in}}$ samasuunaliselt. Väljundpinge on sisendpinge ja võimendusteguri $G$ korrutis, kusjuures võimendustegur jääb vahemikku $(1;\infty )$.

Väljundpinge arvutamise valem:

$V_{\text{out}}=G*V_{\text{in}}\,$

Võimendusteguri arvutamise valem:

$G=1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}$

Inverteeriv võimendi

Inverteeriv võimendi

Inverteeriva võimendi puhul on operatsioonivõimendi mitteinverteersisend $+$ ühendatud maaga. Väljundi $V_{\text{out}}$ ning sisendsignaali $V_{\text{in}}$ vahele on ühendatud kahest takistist, $R_{f}$ ja $R_{\text{in}}$, koosnev pingejagur, mille väljund on ühendatud operatsioonivõimendi inverteersisendisse $-$. Selliselt ühendatud võimendi puhul muutub väljundpinge $V_{\text{out}}$ sisendpingega $V_{\text{in}}$ vastupidises suunas. Väljundpinge on sisendpinge ja võimendusteguri $G$ korrutis, kusjuures võimendustegur jääb vahemikku $(-\infty ;0)$.

Väljundpinge arvutamise valem:

$V_{\text{out}}=G*V_{\text{in}}\!\$

Võimendusteguri arvutamise valem:

$G=-{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{in}}}}$

Summeeriv võimendi

Inverteeriv summeeriv või keskmistav võimendi

Summeeriv võimendi on inverteeriva võimendi erijuht. Inverteeriva võimendi inverteersisendisse $-$ on lisatud läbi takistite $R_{1},\cdots ,R_{\text{n}}$ sisendpinged $V_{1},\cdots ,V_{n}$, mida on soovitud liita. Summaatori puhul peaks takistite $R_{f},R_{1},...,R_{\text{n}}$ väärtused olema võrdsed valitud väärtusega $R$. Selliselt ühendatud operatsioonivõimendi väljundiks on vastasmärgiga sisendpingete summa korrutatud võimendusteguriga $G$.

• Kui $R_{1}=R_{2}=\cdots =R_{n}=R\neq R_{\text{f}}$, siis

väljundpinge arvutamise valem:

$V_{\text{out}}=G*(V_{1}+V_{2}+\cdots +V_{\text{n}})\!\$

võimendusteguri arvutamise valem:

$G=-{\frac {R_{\text{f}}}{R}}$

• Kui $R_{1}=R_{2}=\cdots =R_{n}=R=R_{\text{f}}$

Väljundpinge arvutamise valem:

$V_{\text{out}}=-(V_{1}+V_{2}+\cdots +V_{n})\!\$

Keskmistav võimendi

Keskmistav võimendi on inverteeriva võimendi erijuht. Inverteeriva võimendi inverteersisendisse $-$ on lisatud läbi takistite $R_{1},\cdots ,R_{\text{n}}$ sisendpinged $V_{1},\cdots ,V_{\text{n}}$, mida on soovitud keskmistada. Keskmistaja puhul peaks sisendtakistite väärtused olema võrdsed $R_{1}=\cdots =R_{\text{n}}=R$ ning takistite suhe ${\frac {R_{\text{f}}}{R}}={\frac {1}{n}}$.

Väljundpinge arvutamise valem:

$V_{\text{out}}=G*(V_{1}+V_{2}+\cdots +V_{n})\!\$

Võimendusteguri arvutamise valem:

$G=-{\frac {R_{\text{f}}}{R}}=-{\frac {1}{n}}$

Lahutav võimendi

Lahutav võimendi

$V_{\text{out}}={\frac {\left(R_{\text{f}}+R_{1}\right)R_{\text{g}}}{\left(R_{\text{g}}+R_{2}\right)R_{1}}}V_{2}-{\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}V_{1}$

• Kui $R_{1}=R_{\mathrm {f} }\,$ ja $R_{2}=R_{\mathrm {g} }\,$, siis

väljundpinge arvutamise valem:

$V_{\mathrm {out} }=V_{2}-V_{1}\,\!$

Välislingid

• Haapsalu Kutsehariduskeskus - Operatsioonvõimendid
• Amatöörrobootika - Operatsioonivõimendi
• Ideaalne operatsioonivõimendi