Operatsioonvõimendi

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.

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 pingemuutus mitteinverteerivas sisendis põhjustab 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.

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 võimendusteguri ja transiitsageduse korrutis (GBWP või GBP, inglise keele sõnadest gain bandwidth product) on 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- e. 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.

Välislingid