Operationsförstärkare
Från Rilpedia
Operationsförstärkare, förstärkarkrets med hög förstärkning. Operationsförstärkare kan byggas med diskreta komponenter (enskilda transistorer, resistorer etcetera), men förekommer nästan alltid i form av integrerade kretsar. Ett vanligt användningsområde för operationsförstärkare är som byggelement i funktionskretsar, där man ofta använder negativ återkoppling för att begränsa förstärkningen.
En operationsförstärkare matas vanligen med två symmetriska spänningar, en positiv och en lika stor negativ.
Den ideala operationsförstärkarens egenskaper är:
- oändlig förstärkning vid likspänning och växelspänning oavsett frekvens
- oändlig inimpedans
- ingen utimpedans
- 0V in=0V ut
Verkliga operationsförstärkare har egenskaper som mer eller mindre liknar de ideala:
- hög förstärkning, minst 100 000 gånger vid likspänning
- hög inimpedans, ofta över 1 MΩ
- låg utimpedans, under 100 Ω
- begränsad bandbredd, förstärkningen avtar med ökande frekvens och eller amplitud
När man konstruerar kretsar med operationsförstärkare kan man oftast, åtminstone som en utgångspunkt, anta att operationsförstärkaren har ideala egenskaper.
Den kan i grova drag beskrivas som en förstärkare med en inverterande ingång (-) och en icke-inverterande ingång (+). Spänningsskillnaden mellan dessa båda ingångar förstärks och normalt har operationsförstärkaren mycket stor förstärkning. Förstärkningen hos den färdiga kretsen begränsas och bestäms med hjälp av återkoppling, oftast negativ återkoppling (motkoppling). Fördelen med detta att kretsens uppförande i princip blir oberoende av operationsförstärkarens egenskaper och bara bestäms av några få kringkomponenter.
Tillsammans bildar operationsförstärkaren, och konceptet med återkoppling, hjärtat i många analoga kretsar. Återkopplingen ökar bandbredden och förbättrar de linjära egenskaperna. Många operationsförstärkare kan motkopplas ner till genomgångsförstärkning (1x) utan att det uppstår stabilitetsproblem. Andra klarar inte alls detta eller också måste de kompenseras med ett yttre RC-filter.
Historia
Operationsförstärkare i en eller annan form har funnits under lång tid. De användes först som räknande element i analoga datorer. De kan utföra sådana matematiska operationer som subtraktion, teckeninvertering, delning, integrering och differentiering. Det var genom att utföra dessa operationer som de fick namnet operationsförstärkare.
De första operationsförstärkarna var stora, otympliga och effekthungriga komponenter, baserade på elektronrör. De var relativt dyrbara och jämfört med dagens varianter ganska opålitliga. För att få bra prestanda hos dem måste dessutom många av komponenterna vara noggrant anpassade till varandra. När transistorn 1948 uppfanns av Brattain, Bardeen och Shockley revolutionerade detta hela elektronikbranschen och "op-amparna" var inget undantag från detta. Transistorn minskade storleken och priset på operationsförstärkare samtidigt som pålitligheten ökade. Fortfarande fanns det dock vissa nackdelar. Komponenter, såsom ingångstransistorerna måste fortfarande vara noggrant matchade med varandra för att undvika funktionsfel och priset var fortfarande för högt för att operationsförstärkarna skulle bli allmänt tillgängliga. Svaret på detta problem, och naturligtvis en hel del andra, var uppfinningen av den integrerade kretsen av Texas Instruments och Westinghouse i början av 1960-talet. De individuella komponenterna i en opamp kunde nu matchas mycket exakt eftersom de alla tillverkades på samma kiselskiva, där kemikalierna kom från samma burk och som tillverkades under samma tryck och samma temperatur. Att tillverka operationsförstärkare blev nu billigt och det blev lätt att hålla en hög standard. Operationsförstärkarnas framgång var given och de har nu en framstående position när det gäller analoga IC-kretsar.
