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. Opamp-schakelingen worden in zeer veel toepassingen gebruikt, bijvoorbeeld als versterker, filter, "ideale" gelijkrichter, differentiator, integrator etc.

Opamp-schakelingen worden zeer veel gebruikt vanwege hun parametriseerbare eigenschappen. De parametrisering gebeurt hoofdzakelijk door de keuze van de componenten die de tegenkoppeling beïnvloeden.

Zonder omliggende componenten kan de uitgangsspanning Vout worden beschreven als:

Vout = Ao(V+ - V-)


Ideale opamp[bewerken]

Een ideale operationele versterker heeft:

Reële opamp[bewerken]

In de praktijk zijn de eigenschappen niet ideaal. Een gangbaar type kan bijvoorbeeld de volgende eigenschappen hebben:

  • Open lus versterkingsfactor niet groter dan circa 105,
  • Ingangsimpedantie niet groter dan enkele tientallen mega-Ohm
  • Ingangsstroom in de orde van enkele nano-Ampères (nA)
  • Uitgangsimpedantie rond de 100 ohm.
  • Bandbreedte niet groter dan enkele tientalllen kHz
  • Beperkte CMRR

De maximale uitgangsamplitude wordt in ieder geval beperkt door de aangelegde voedingsspanning(en). Lang niet alle opamps zijn in staat, hun uitgangen tot aan de voedingsspanning(en) uit te sturen (rail-to-rail).


Basisschakelingen met opamps[bewerken]

Noot: In de voorbeelden wordt uitgegaan van een bipolaire voeding (positief en negatief).

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 grote spanningsversterking van de opamp zal zonder tegenkoppeling (negatieve terugkoppeling) een geringe spanning tussen de beide ingangen de uitgang tot dicht bij de voedingsspanning sturen. De tegenkoppeling werkt dit tegen. De uitgang probeert zoveel stroom door R2 te leveren als nodig is om de spanning op de inverterende ingang gelijk te maken aan die op de niet-inverterende ingang. R1 en R2 vormen een soort hefboom rond het spanningsniveau op de inverterende ingang. Dat punt wordt - ook bij de hierna beschreven niet-inverterende versterker - wel een virtueel aardpunt genoemd. Deze term is misschien verwarrend. Bedoeld wordt dat het punt het spanningsniveau aan de niet-inverterende ingang volgt waardoor ingangsstromen zoals die door een ingangssignaal op de inverterende ingang worden veroorzaakt naar dit relatief constante "aardpunt" lopen. De "hardheid" van het virtuele aardpunt wordt natuurlijk beperkt door de gelijk- en wisselspanningskarakteristieken van de schakeling met niet in de laatste plaats de opamp.


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.


Spanningsvolger[bewerken]

Spanningsvolger met A = 1

Eigenschappen:

  • Versterking: A = 1 aangezien (zie bij niet-inverterende versterker)
  • A = 1 + (R2 / R1)
  • R2 = 0 en R1 oneindig

Werking: Een spanningsvolger is een niet-inverterende versterker met versterkingsfactor 1. Hij werkt als impedantie-omvormer; van een hoge (ingangs)impedantie naar een lage (uitgangs)impedantie. Op die manier wordt vermeden dat een signaalbron belast wordt door een daaropvolgende schakeling.

Sommator-schakeling met 3 ingangen

Sommator[bewerken]

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


Differentiële versterker met 2 ingangen

Differentiële versterker[bewerken]

Wanneer deze versterker als inverterende versterker wordt gebruikt, wordt de (+)-ingang met massa verbonden, en geldt: (Wanneer R1=R3 en R2=R4)

Wanneer de versterker als niet-inverterende versterker wordt gebruikt, wordt de (-)-ingang met massa verbonden, en geldt:

Voor de schakeling geldt in het algemeen:

Stroombron met een opamp

Stroombron[bewerken]

De differentiële versterker kan met een weerstand worden uitgebreid tot bidirectionele 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:

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. Zo niet 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:

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