Operationele versterker

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
V+: niet-inverterende ingang
V: inverterende ingang
Vout: uitgang
VS+: +voeding
VS−: -voeding

Een operationele versterker (of opamp van het Engelse operational amplifier) is een actieve elektronische component, meestal in de vorm van een geïntegreerde schakeling, met een zeer hoge versterkingsfactor Ao waarmee de ingangsspanning versterkt op de uitgang wordt aangeboden.

Vout = Ao(V+ - V-)

Ideale opamp[bewerken]

Een ideale operationele versterker heeft:

Reële opamp[bewerken]

In de praktijk zijn de eigenschappen minder dan ideaal:

  • Versterkingsfactor circa 105 en hoger,
  • Ingangsimpedantie ter grootte van mega-ohms
  • Ingangsstroom mag verwaarloosd worden
  • Uitgangsimpedantie rond de 100 ohm.
  • Bandbreedte: zeer groot
  • CMRR: zeer groot

De uitgangsspanning wordt doorgaans beperkt door de aangelegde voedingsspanning, terwijl ook de maximale uitgangsstroom afhankelijk is van de externe spanningsbron.

Een opamp is de meest voorkomende versterkercomponent omwille van zijn parametriseerbare eigenschappen. Het is eigenlijk een parametriseerbare of programmeerbare versterker. De parametrisering gebeurt door de keuze van de componenten voor de tegenkoppeling. Om met een op-amp een praktisch bruikbare versterkerschakeling te maken wordt tegenkoppeling toegepast.

Basisschakelingen met op-amps[bewerken]

Inverterende versterker met
A = -R2 / R1

Inverterende versterker[bewerken]

Deze schakeling heeft de volgende eigenschappen:

  • Versterkingsfactor: A = - R2 / R1
  • Ingangsimpedantie: R1
  • Uitgangsimpedantie: laag (low)

Werking: Door de zeer hoge versterking van de opamp zal een geringe spanning tussen de beide ingangen de uitgang tot aan de voedingsspanning sturen. De terugkoppeling voorkomt dit. De uitgang levert zo veel stroom door R2 als nodig is om de spanning op de inverterende ingang gelijk te maken aan die op de niet-inverterende ingang (0 Volt). R1 en R2 vormen een soort hefboom rond het spanningsniveau op de inverterende ingang. Met name in Amerikaanse literatuur wordt dat verschijnsel wel het virtuele aardpunt genoemd. Deze term is zeer misleidend. Allereerst verschijnt op de inverterende ingang bij een vlekkeloos werkende opamp-schakeling de spanning van de niet-inverterende ingang. Wanneer die ingang geen nul volt voert, maar bijvoorbeeld de halve voedingsspanning, zal de inverterende ingang dat ook doen: wég "virtueel aardpunt". Verder is de mate waarin de spanning op de inverterende ingang de spanning op de niet-inverterende ingang volgt afhankelijk van diverse factoren. De versterking van het IC is een belangrijke en wanneer de gebruikte signalen de 10.000 Hz te boven gaan wordt de afwijking doorgaans aanzienlijk. Het "aardpunt" voert dan wel degelijk een goed meetbaar signaal! Een inverterende versterker zorgt ook voor een faseverschuiving van 180 graden.


Niet-inverterende versterker met
A = 1 + (R2 / R1)

Niet-inverterende versterker[bewerken]

Eigenschappen:

  • Versterking: A = 1 + (R2 / R1)
  • Ingangsimpedantie: zeer hoog
  • Uitgangsimpedantie: laag

Werking : De weerstanden R2 en R1 vormen samen een spanningsdeler die ervoor zorgt dat op de inverterende ingang dezelfde spanning komt te staan als op de niet-inverterende ingang. Het geheel werkt als een hefboom met als draaipunt het aardpunt.


Spanningsvolger met A = 1

Spanningsvolger[bewerken]

Eigenschappen:

  • Versterking: A = 1

Werking: Eigenlijk gaat het hier om een niet-inverterende versterker, met versterkingsfactor 1. De opamp regelt de uitgangsspanning naar dezelfde waarde als de ingangsspanning. De ingang trekt vrijwel geen stroom; alle stroom wordt door de uitgang geleverd.
Het nut hiervan is om twee delen van een netwerk te scheiden. Wordt vaak gebruikt als buffer; vanwege de zeer hoge ingangsimpedantie wordt de bron vrijwel niet belast.

Sommator-schakeling met 3 ingangen

Sommator[bewerken]

Een sommator kan een aantal signalen ieder met een eigen vermenigvuldigingsfactor bij elkaar optellen. Het is eigenlijk een uitbreiding op de inverterende versterker. Het aantal ingangen is uitbreidbaar.

V = - { R2 \over R11} \cdot U_{E1} - { R2 \over R12} \cdot U_{E2} - { R2 \over R13} \cdot U_{E3}

Differentiële versterker met 2 ingangen

Differentiële versterker[bewerken]

Wanneer deze versterker als inverterende versterker wordt gebruikt, wordt de (+)-ingang met massa verbonden, en geldt: U_{a1} = -{ R2 \over R1} \cdot U_{e-} (Wanneer R1=R3 en R2=R4)

Wanneer de versterker als niet-inverterende versterker wordt gebruikt, wordt de (-)-ingang met massa verbonden, en geldt: U_{a2} = { R4 \over {R3 + R4}} \cdot{ {R1 + R2} \over R1} \cdot U_{e+}

Voor de schakeling geldt in het algemeen: U_{a} = { R4 \over {R3 + R4}} \cdot{ {R1 + R2} \over R1} \cdot U_{e+} -{ R2 \over R1} \cdot U_{e-}

Stroombron met een opamp

Stroombron[bewerken]

De differentiële versterker kan met een weerstand worden uitgebreid tot bidirektionele stroombron. De uitgangsstroom vloeit door R5 en zal door de twee spanningsdelers R1/R2 en R3/R4 in vaste relatie worden gehouden met de verschilspanning aan de beide ingangen. In normale toepassingen hebben deze weerstanden alle een gelijke waarde, zodat de waarde van R5 bepalend is voor de overzetverhouding.

i = (Vin+ - Vin-) / R5

Integrator

Integrator[bewerken]

Bij de integrator vindt terugkoppeling plaats via een condensator. Om bij een gelijkblijvende spanning op de ingang de verschilspanning op nul Volt te houden, zal de integrator een constante elektrische stroom naar de condensator sturen. Hierdoor zal de uitgangsspanning lineair stijgen of dalen (net zo lang totdat de maximale uitsturing is bereikt). De integrator integreert de ingangsspanning volgens onderstaande formule: U_{a} = - {1 \over {C \cdot R}} \cdot U_{e} \cdot t

De integrator wordt in de meet- en regeltechniek toegepast, en in het verleden ook in analoge computers.

Wanneer een extra weerstand parallel aan de condensator wordt geplaatst, ontstaat een zgn. tamme integrator. Deze werkt als een laagdoorlaatfilter.

Het is onmogelijk dat er geen R parallel staat over de C, er hoort een resistieve compensatie te staan. Zoniet zal de opamp bij de geringste spanningssprong aan de ingang "clippen" tegen het voedingsspanningsniveau aan de uitgang. Dit is een eigenschap die gebruikt wordt bij het omzetten van een blokgolf naar een zaagtand.

Differentiator

Differentiator[bewerken]

Bij de differentiator wordt net zoals bij de integrator een condensator toegepast, alleen niet in de terugkoppelweg, maar aan de ingang. Wanneer er een spanningsverandering aan de ingang optreedt, zal er een laad- of ontlaadstroom door de condensator lopen, en zal de uitgangsspanning variëren. De differentiator differentieert de ingangsspanning volgens onderstaande formule:

U_{a} = - {{C \cdot R}} \cdot {{\Delta U_{e}} \over {\Delta t}}

De differentiator wordt, net als de integrator, toegepast in de meet- en regeltechniek, en in het verleden ook in analoge computers.