📚 Elmélet: Integrált áramkörök, a műveleti erősíő

Utoljára frissítve: 2023. 09. 22. 17:49:42

Ebben a fejezetben a modern elektronik alapeleméről, az integrált áramkörről beszélünk.

Az IC története

A tranzisztor feltalálása hatalmas lökést adott az elektronikának, ugyanakkor nagyon gyorsan rájöttek a mérnökök és a tudósok, hogy bonyolult áramkörökhöz sok tucat, vagy akár még több tranzisztorra lesz szükség. Éppen ezért kidolgoztak egy technológiát, amivel nagyon sok kicsit tranzisztor (és más elektronikai alkatrész pl. ellenállás) helyezhető el egymás mellé kis helyen. Ezek az új eszközök, amik önmagukban is komplett áramkörök voltak az integrált áramkör vagy IC nevet kapták. Ezeket aztán később egymással kombinálva újabb, még bonyolultabb áramkörök építésére lehet használni.

Előállításuk hasonló nyákkészítéshez. Egy szilíciumlapra fotoérzékeny anyagot visznek fel és erre rávetítenek egy fénymintát. Ennek hatására a fényérzékeny réteg bizonyos részei megkeményednek, a maradék réteget lemossák végül a szilíciumot megmarják. Ahol maradt a fényérzékeny anyagól oda nem tud eljutni a maróanyag. Hasonló módon viszik fel a szennyezéseket. Egy ilyen, kb. 20 cm-es szilíciumlapon több ezer integrált áramkör is el tud készülni egyszerre. A lapot végül felvágják az egyes áramkörökre és műanyag tokba rakják, hogy védettek legyenek és könnyen lehessen forrasztani őke

<br>

Így néz ki egy modern integrált áramkör mikroszkóp alatt. Ebben az IC-ben több millió tranzisztor van.

A műveleti erősítő

A műveleti erősítő egyike volt az első igazán hasznos elektronikai áramköröknek. Eleinte matematikai műveletek elvégzésére lettek kitalálva (összeadás, kivonás, szorzás, összehasonlítás, de akár embernek bonyolult műveletek, pl. integrálás), mára azonban ezek mellé találtak nekik még egy sor hasznos funkciót.

A műveleti erősítőknek a tápellátáson kívül két bemenete van és egy kimenete. A bemeneteket invertáló és nem-invertáló bemenetnek nevezik. Ezeket egy + és egy - jellel jelölik. A bemenetek mindig nagy ellenállásúak, tehát a bemenetekbe nem tud sok áram folyni. Ez hasznos, mivel nagyon kicsi erejű jeleket is lehet így használni. A kimenet kis ellenállású, tehát áram folyni rajta (mindkét irányba).

A műveleti erősítő fő működési elve, hogy  a két bemenet különbségét próbálja nullára venni. Tehát ha a pozitív bemenet nagyobb, mint a negatív, akkor a kimeneten addig jelenik meg pozitív feszültség, amíg a két eredmény egyenlő nem lesz. Értelemszerűen ez amíg a bemenetek nem változnak soha nem fog megtörténni, csak akkor ha a kimenetnek van valamilyen módja a bemenetek megváltoztatására. Amint van erre mód, visszacsatolásról beszélünk. Attól függően, hogy a kimenet az invertáló vagy nem-invertáló bemenetet módosítja beszélhetünk negatív visszacsatolásról vagy pozitív visszacsatolásról. Ha egy műveleti erősítős kapcsolásban van visszacsatolás, zárt hurokról beszélünk (mert a kapcsolási rajzban nagyjából egy kört rajzolunk le a visszacsatolással); ha nincs visszacsatolás akkor pedig nyílt hurokról.

A komparátor

A komparátor vagy összehasonlító talán a legegyszerűbb műveleti erősítős kapcsolás, mivel a működéséhez még visszacsatolás sem szükséges. A működési elve, hogy a bemenetekre két feszültségértéket kötünk, és attól függően, hogy melyik a nagyobb, a kimeneten vagy a pozitív, vagy a negatív tápfeszültség fog megjelenni. Ennek oka, hogy visszacsatolás híján az erősítő a maximális mértékben próbál beavatkozni a bemenetek kiegyenlítésén, de ezt visszacsatolás híján nem tudja elérni.

A neminvertáló erősítő

Az invertáló erősítő

Az összeadó

Az összeadó az invertáló erősítőn alapul. a lényege, hogy a

A feszültség-áram átalakító

A differenciálerősító

Az integrátor

Az integrátor az integrálás matematikai műveletet valósítja meg. Papíron integrálni gyakran egy nagyon bonyolult művelet még tudósoknak és mérnököknek is, ezért ennek az áramkörnek az elektronika korai időszakában (amikor még nem voltak digitális számítógépek) nagyon nagy volt a jelentősége, de a mai napig fontosak a szabályozástechnikában.

Az integrálás - nagyon leegyszerűsítve - az a művelet, ami egy függvény (grafikon) vonala alatti terület nagyságát mondja meg. Egy grafikonnál két tengely van, ebből az egyik a függvény bemenete a másik a függvény által adott érték az adott bemenettel.

Ugye az integráció függ attól, hogy mi a bemenet, ez jelen esetben az idő, a kimenet pedig az, hogy ez idő alatt milyen feszültségértékek voltak. Az integrátor ezt a műveletet nagyon elegánsan oldja meg. Csupán egy olyan alkatrészt kell a visszacsatolási hurokba illeszteni, amelynek az ellenállása függ a bemenő feszültség változásától (kicsit sarkítva: frekvenciájától). A kondenzátor pontosan egy ilyen elem. Tehát a visszacsatolási ágba helyezett kondenzátorral a matematikailag bonyolult integráció művelete azonnal megvalósítható!

A derivátor

A derivátor a matematika deriválás műveletét valósítja meg.

A deriválás - nagyon leegyszerűsítve - az a művelet, amikor egy függvényből egy új függvényt hozunk létre. Ennek az új függvények az értékei egy adott pontban az eredeti függvény változása lesz.

Akár azt is lehet mondani, hogy az integrálás és a deriválás, egymás kiegészítő műveletei, olyan viszonyban vannak egymással, mint a szorzás és az osztás.

Ennek megfelelően a műveleti erősítővel megvalósított derivátor is nagyon hasonlít az integrátorra. Itt is az idő függvényében kell az visszacsatoláson változtatni, de nem az előző értékeket kell összegezni, hanem az előző értékeket egymásból ki kell vonni. Ezért a visszacsatolásban a kondenzátor a műveleti erősítő bemenetére kerül és az ellenállás köti össze a kimenetet a virtuális földponttal.

Az aktív szűrő

A sample-and-hold erősítő

A sample-and-hold (SAH, mérd-és-tartsd) erősítőt olyan helyeken lehet használni, ahol egy olyan jelet kéne tudni megmérni ami rövidebb ideig van jelen, mint ameddig a mérés tart. Itt két dolgot használunk ki: azt, hogy egy kis kapacitású kondenzátor szinte azonnal, minimális árammal feltölthető, illetve, hogy egy műveleti erősítő bemenete nagy ellenállású, tehát még a kis kapacitású kondenzátor is jelentős idő alatt fog csak tudni kisülni. A mérés elején a mérendő jelel gyorsan feltöltjük a kondenzátort, miután a jel eltűnt pedig a kondenzátor képes addig tartani a töltését, ameddig a műveleti erősítő bemenetből a megfelelő visszacsatolás segítségével ugyanazt a kimenetet tudja nagy árammal létrehozni.