|
De CA3080 en zijn tweelingbroertje de NTE996 zijn de enige nog goed verkrijgbare OTA's, Operational Transconductance Amplifiers. Interessante analoge schakelingen waarmee u in de audio versterkingstechniek prachtige schakelingen kunt maken. Met deze voorbeelden geven wij u een aanzet voor uw eigen experimenten. |
Kennismaking met de CA3080 en NTE996 OTA's
Wat zijn OTA's?
Over de werking en eigenschappen van de 'Operational Transconductance Amplifier', afgekort tot OTA, hebben wij een afzonderlijk artikel gepubliceerd, die noodzakelijke kennis gaan wij hier dus niet herhalen. Lees hiervoor: Componenten: Operational Transconductance Amplifiers.
De voorgeschiedenis
De CA3080 schakeling werd ontwikkeld door RCA in 1969 en nadien door diverse halfgeleiderfabrikanten zoals Harris Semiconductor, Intersil en NatSemi als second source aangeboden onder namen als LM3080 en μA3080. In de tijd van de grote reorganisaties van de diverse halfgeleiderfabrikanten kwam RCA elders terecht en werden de oude, volledig versleten fabricagelijnen afgebroken. De CA3080 en de meeste andere leden van de CA-familie van RCA werden 'obsolete' verklaard. Toen er vanuit de industrie toch nog veel vraag was naar een 'replacement' besloot het Amerikaanse bedrijf Rochester Electronics de bij Intersil nog resterende wafers op te kopen en deze in eigen productie weer als CA3080 op de markt te brengen.
Bovendien heeft het Amerikaanse bedrijf NTE Electronics een alternatieve schakeling ontwikkeld die volledig compatibel is en onder de naam NTE996 wordt aangeboden.
De schakelingen worden nu verkocht voor prijzen vanaf € 2,30 tot € 10,00. Goed zoeken op Google naar een goedkope leverancier is dus aan te bevelen!
De behuizingen
De CA3080 wordt geleverd in TO-5 en in DIL-8 behuizingen. De aansluitgegevens in bovenaanzicht zijn samengevat in de onderstaande figuur. Bij de versie in metalen TO-5 behuizing is pen 4 verbonden met deze behuizing. De NTE996 is uitsluitend in de DIL-versie leverbaar.
 |
| Symbool en aansluitgegevens van de CA3080 en NTE996. (© 2019 Jos Verstraten) |
In de onderstaande figuur is de volledig interne schakeling van dit IC weergegeven. Merk op dat pen 5, de 'Amplifier Bias Input' uitsluitend via de diode D1 is verbonden met de negatieve voedingsaansluiting en dat u dus erg goed moet weten waarop u deze pen aansluit. Sluit u bijvoorbeeld deze pen, al is het maar even, kort naar de massa dan gaat er zo'n grote stroom door de diode vloeien dat de chip onmiddellijk defect raakt.
 |
| Het intern schema van de CA3080. (© Harris Semiconductor) |
- Voedingsspanning: ±18 V max.
- Offsetspanning aan de ingangen: ±5 mV max.
- Offsetstroom aan de ingangen: ±0,6 μA max.
- Transconductantie (gm): 9.600 μmho typisch
- Uitgangsstroom: ±500 μA max.
- Uitgangsspanning: ±12,0 V max.
- Slewrate: 75 V/µs max.
- Open-loop bandbreedte: 2 MHz typisc
- Ingangscapaciteit: 3,6 pF typisch
- Uitgangscapaciteit: 5,6 pF typisch
- Uitgangsweerstand: 15 MΩ typisch
- Ingang-naar-uitgang capaciteit: 0,024 pF typisch
- Propagation delay: 45 ns typisch
- X-factor: 19,2
Offsetcompensatie van de CA3080
Compensatie op één ingang
De ingangskring bestaat bij de CA3080 uit een verschilversterker. Als tussen beide ingangen geen spanningsverschil aanwezig is zal de schakeling geen stroom leveren aan de uitgang. Maar die wetmatigheid wordt in de praktijk beïnvloedt door de offset van de ingangskring. Het volstaat namelijk dat beide transistoren van de ingangstrap iets afwijkende basis/emitter-spanningen hebben of de stelling gaat niet meer op. Bovendien zit u bij OTA's met de beperking dat de ingangsspanningen hoogstens 20 mV groot mogen zijn. Offsetfouten spelen dan ook bij deze schakelingen een veel grotere rol dan bij operationele versterkers. Bij heel veel toepassingen zult u dan ook een compensatie voor deze offset moeten aanbrengen. In de onderstaande figuur is een eenvoudige compensatieschakeling getekend, die u bij iedere OTA kunt toepassen.
Door middel van een tussen de beide voedingsspanningen geschakelde instelpotentiometer R3 wordt een spanning via de grote weerstand R2 aangeboden aan de kleine weerstand R1. Deze is geschakeld tussen de massa en de niet-inverterende ingang. Let op de verhouding tussen beide weerstanden! De spanningsdeler R1/R2 zorgt ervoor dat van de voedingsspanning maar een paar mV over blijft.
 |
| Eenvoudige offsetcompensatie op één ingang van de CA3080. (© 2019 Jos Verstraten) |
Het afregelen van de offsetcompensatie gaat bij OTA's echter fundamenteel anders dan bij operationele versterkers. Voor het afregelen van de instelpotentiometer moet u de stuurstroom Iabc op nul instellen. Uiteraard worden ook de ingangsspanningen verwijderd. Vervolgens meet u de gelijkspanning op de uitgang van de OTA. Nadien stelt u de Iabc in op de maximale waarde die in de schakeling van toepassing is. U verdraait vervolgens de loper van de potentiometer tot u dezelfde gelijkspanning op de uitgang van de OTA meet.
De CA3080 als spanningsversterker
Een eenvoudige schakeling
In de onderstaande figuur is de schakeling gegeven van een eentraps wisselspanningsversterker. Met deze schakeling kunt u kleine wisselspanningen, bijvoorbeeld van elektreet-microfoons, versterken waarbij de versterkingsfactor instelbaar is met behulp van de potentiometer R4. Het ingangssignaal, dat een maximale waarde van 20 mV top-tot-top mag hebben, wordt aangeboden aan de inverterende ingang van de OTA. Beide ingangen worden afgesloten met weerstanden van 10 kΩ naar de massa. Daardoor wordt de sterk wisselende ingangsimpedantie van de OTA vastgelegd op een constante waarde. Dat is een voorwaarde voor het goed afsluiten van een microfoon. De uitgang wordt afgesloten met een weerstand van 100 kΩ.
De Iabc-ingang wordt gevoed uit de serieschakeling van de vaste weerstand R3 en de potentiometer R4. Is deze potentiometer ingesteld op 0 Ω, dan wordt de stuurstroom alleen bepaald door de weerstand R3 en met een voedingsspanning van 15 V wordt de maximale stuurstroom dan ongeveer 1 mA. U kunt de spanningsversterking van de schakeling berekenen deze formule:
Av = 19,2 ● Iabc ● R5
Av = 1.920
Een vrij forse versterkingsfactor, die tot gevolg heeft dat een ingangssignaal van 1 mV als ongeveer 2 V op de uitgang verschijnt! Wordt de potentiometer volledig in de schakeling gedraaid, dan daalt de versterkingsfactor tot ongeveer 11,5.
 |
| Een versterker voor kleine wisselspanningssignalen. (© 2019 Jos Verstraten) |
Het grote voordeel van deze schakeling is dat het te versterken signaal niets te maken heeft met de potentiometer die de versterking van de schakeling instelt. Zeker bij het versterken van kleine signalen is het altijd een probleem om dit signaal door een potentiometer te sturen. In de meeste gevallen wordt brom, ruis en lopergekraak opgepikt en mee versterkt. Hier kan daar geen sprake van zijn!
Een spanningsgestuurde versterker
Een CA3080 is ideaal voor het maken van een spanningsgestuurde versterker. In de onderstaande figuur is het basisschema van een dergelijke toepassing getekend. De Bias Control Input van de CA3080 wordt gestuurd uit een regelbare stroombron. Deze is opgebouwd uit de opamp-1 en de transistor T1. Aan de ingang Ustuur kunt u een gelijkspanning tussen 0 V en +5 V aanleggen. Deze spanning wordt omgezet in een stroom die de Iabc voor de OTA vormt. De ingangsspanning wordt weer flink gereduceerd door de spanningsdeler R1/R2.
 |
| Het basisschema van een spanningsgestuurde versterker. (© 2019 Jos Verstraten) |
Besluitend kunt u stellen dat deze trap een ideale elektronisch verzwakker vormt, met een instelbereik van meer dan 60 dB. U kunt deze schakeling bijvoorbeeld gebruiken als volume-insteller in mengpanelen. U kunt dan iedere ingangsversterker afzonderlijk met een gelijkspanning regelen, terwijl een master-fader ingebouwd kan worden die een regelspanning naar alle voortrappen stuurt.
Kwalitatief hoogwaardige amplitude-modulator
Tot slot van deze praktische versterkerschakelingen rond de CA3080 geeft de onderstaande figuur het schema van een kwalitatief uitstekende amplitude-modulator. Het in amplitude moduleren van een signaal komt uiteraard neer op het regelen van de versterking van het signaal. Vandaar dat een amplitude-modulator in feite niets anders is dan een versterker waarvan de versterkingsfactor door een regelspanning instelbaar is.
In dit schema worden geen compromissen gesloten. Alle deelschakelingen worden op de allerbeste manier samengesteld. Het resultaat is een zeer goede spanningsgestuurde versterker, waarvan de versterking instelbaar is tussen 0 en 1 door middel van een modulatiespanning tussen 0 V en +15 V. Een dergelijke amplitude-modulator heeft tal van interessante toepassingen. Te denken valt aan:
- Tremolo, gemoduleerd met een sinus met een frequentie van ongeveer 5 Hz.
- Regelbare versterkertrap in ruisonderdrukkers.
- Synthesizer bouwsteen.
- Automatische begrenzer in PA-systemen.
- Automatische microfoon-fader.
De stuurspanning Umodulatie wordt door middel van een spanning-naar-stroom omzetter uiterst lineair omgezet in de Iabc voor de OTA. Daarvoor zijn opamp-1 en T1 verantwoordelijk. De uitgangsstroom van de OTA wordt door middel van een stroom-naar-spanning omzetter opamp-2 omgezet in een uitgangsspanning met een zeer lage uitgangsimpedantie.
Met behulp van R5 kunt u de offset van de schakeling compenseren. Het ingangssignaal wordt door middel van de spanningsdeler R1/R2 met een factor 100 verzwakt, zodat ingangsspanningen tot 2 V probleemloos verwerkt kunnen worden.
De spanning-naar-stroom omzetter aan de uitgang verzorgt weer de noodzakelijke versterking om de totale versterking van de schakeling op één te brengen.
 |
| Het schema van een kwalitatief uitstekende amplitude-modulator. (© 2019 Jos Verstraten) |
De CA3080 als oscillator
Een AMV met regelbare duty-cycle
In de onderstaande figuur is het schema getekend van een astabiele multivibrator (AMV), waarvan de duty-cycle of de aan/uit-verhouding over een breed gebied regelbaar is. De werking van de schakeling is als volgt. De niet-inverterende ingang van de OTA wordt door middel van een condensator met de massa verbonden. Dit onderdeel bepaalt de frequentie waarop de schakeling oscilleert. De condensator wordt opgeladen en ontladen uit de uitgangsspanning van de schakeling. Er zijn hiervoor twee stroomkringen aanwezig. Enerzijds vloeit stroom via de weerstand R3, het linker deel van de potentiometer R5 en de diode D1. Anderzijds vloeit stroom via de weerstand R3, het rechter deel van de potentiometer R5 en de diode D2. De dioden bepalen de richting van de stroom. Het zal duidelijk zijn dat de diode D1 de laadstroom levert en de diode D2 de ontlaadstroom. Als de uitgangsspanning van de schakeling 'H' is, dan zal er uit deze hoge spanning een laadstroom via D1 naar de condensator vloeien. Is de uitgangsspanning 'L', dan zal er een ontlaadstroom vloeien uit de condensator via de diode D2.
Rest nog de vraag hoe de uitgangsspanning omschakelt van 'L' naar 'H' en van 'H' terug naar 'L'. Daarvoor is de terugkoppeling tussen de uitgang en de inverterende ingang verantwoordelijk. De OTA is namelijk geschakeld als comparator. De schakeling vergelijkt de spanning over de condensator met een drempel op de inverterende ingang. Die terugkoppeling zorgt er nu voor dat de drempelspanning op de inverterende ingang ofwel hoger, ofwel lager is dan de condensatorspanning. De condensator gaat dan ofwel opladen naar de hogere drempelwaarde ofwel ontladen naar de lagere drempelwaarde.
Het zal duidelijk zijn dat u de verhouding tussen de laad- en de ontlaadstroom over een zeer breed bereik kunt instellen door de loper van de potentiometer R5 te verdraaien. Staat deze in de middenstand, dan zijn laad- en ontlaadstroom aan elkaar gelijk en zal het laden naar de bovenste drempel even lang duren als het ontladen naar de onderste drempel. De schakeling levert dan een mooie symmetrische blokspanning af. Zet u de loper van de potentiometer in de meest linkse stand, dan zal de laadstroom veel groter zijn dan de ontlaadstroom. De schakeling wekt dan zeer smalle positief gerichte naaldpulsjes op. In het andere geval (loper helemaal rechts) is de ontlaadstroom veel groter dan de laadstroom en wekt de schakeling negatief gerichte naaldpulsjes op.
 |
| Een astabiele multivibrator met regelbare puls/pauze-verhouding. (© 2019 Jos Verstraten) |
Een functiegenerator is, in de meest primitieve vorm, een schakeling die rechthoek- en driehoekvormige signalen genereert. OTA's zijn ideale IC's voor het ontwerpen van spanningsgestuurde functiegeneratoren. De driehoek wordt immers altijd gevormd door een condensator door middel van twee even grote maar tegengestelde stromen op te laden en nadien weer te ontladen. Het zal duidelijk zijn dat OTA's, met hun stroomuitgang, ideale schakelingen voor dit doel zijn. Het basisschema van een spanningsgestuurde functiegenerator met OTA is getekend in de onderstaande figuur.
De uitgangsstroom van de OTA laadt of ontlaadt de condensator C1. De spanning over dit onderdeel zal dus lineair stijgen of dalen, afhankelijk van de richting van de uitgangsstroom van de OTA. Deze richting wordt bepaald door een terugkoppeling, die is aangebracht tussen de uitgang van de schakeling en de niet-inverterende ingang van de OTA. De operationele versterker opamp-1 is als buffer geschakeld. Deze trap zorg ervoor dat de condensator met een zeer hoge impedantie wordt afgesloten, zodat het lineaire op- en ontladen van de condensator niet verstoord wordt door de belasting van de condensator. De spanning op de uitgang van de buffer is gelijk aan de spanning over de condensator. Opamp-2 is als comparator geschakeld. Deze stelt vast wanneer de spanning over de condensator gelijk wordt aan vooraf bepaalde grenzen. Op dat moment schakelt de uitgang van de comparator om en de reeds genoemde terugkoppeling zorg ervoor dat de OTA omschakelt van laden naar ontladen of van ontladen naar laden.
Stel dat de uitgangsspanning van de comparator positief is. Deze spanning wordt door de geleidende diode D2 begrensd op +0,65 V. Deze spanning gaat, via de spanningsdeler R2/R3, naar de niet-inverterende ingang van de OTA. De negatieve ingang van deze schakeling ligt aan de massa. Het gevolg is dat de OTA een positieve uitgangsstroom genereert. De uitgang zal dus een constante stroom leveren aan de belasting. Die belasting wordt gevormd door de condensator C1. Een condensator, die met een constante stroom wordt geladen, zal een lineaire spanningsstijging vertonen.
De spanning over de condensator zal dus zaagtandvormig stijgen. Deze stijgende spanning wordt via de buffer opamp-1 aangeboden aan de inverterende ingang van de als comparator geschakelde operationele versterker opamp-2. De niet-inverterende ingang van deze operationele versterker is via de weerstand R8 verbonden met de uitgang. Deze ingang staat dus op een spanning van +0,65 V. Op het moment dat de condensatorspanning groter wordt dan deze waarde klapt de comparator om. De uitgang wordt negatief en deze negatieve spanning wordt via de diode D1, die nu gaat geleiden, begrensd op een spanning van -0,65 V. Deze negatieve spanning komt via de spanningsdeler R2/R3 op de niet-inverterende ingang van de OTA terecht. De spanning op deze ingang wordt negatief ten opzichte van de spanning op de inverterende ingang. De OTA gaat nu een negatieve stroom leveren. Dat wil zeggen dat de uitgang stroom gaat trekken uit de belasting. Omdat de absolute waarden van de spanningen aan de ingang niet veranderd zijn zal deze stroom, alweer in absolute waarde, even groot zijn dan de positieve stroom. De condensator wordt dus nu ontladen met een even grote stroom en de spanning over het onderdeel zal even snel dalen. Dit verschijnsel gaat door tot de spanning over de condensator ontladen is tot -0,65 V. Dan slaat de comparator lC3 weer om en het systeem begint aan een nieuwe periode.
 |
| De basisschakeling van een spanningsgestuurde functiegenerator met een OTA als basis. (© 2019 Jos Verstraten) |
Over de condensator C1 ontstaat een mooie driehoekvormige spanning, die varieert tussen de grenzen -0,65 V en +0,65 V. Op de uitgang van opamp-2 staat een mooie blokvormige spanning met dezelfde maximale en minimale waarde. De grootte van de laad- en de ontlaadstromen wordt uiteraard mede bepaald door de grootte van de Iabc van de OTA. Deze stroom kunt u instellen door de loper van de potentiometer R5 te verdraaien. De twee instelpotentiometers R4 en R6 kunt u gebruiken om de onderste en bovenste frequentie van de schakeling in te stellen.
Met een dergelijke schakeling kunt u zonder al te grote schakeltechnische problemen een frequentiebereik van 1 op 10.000 realiseren. Hetgeen in de praktijk betekent dat u met één draai aan de potentiometer het volledige audio-bereik van 5 Hz tot 50 kHz kunt sweepen!
De CA3080 in diverse schakelingen
Inleiding
In deze paragraaf worden enige zeer uiteenlopende toepassingen van de CA3080 beschreven. Een bewijs te meer hoe universeel bruikbaar deze schakeling is.
Sample-and-hold schakeling
Een sample-and-hold, afgekort tot S&H, is een schakeling die de momentele grootte van een analoge spanning even kan vasthouden. U kunt een S&H dus een analoog geheugen noemen. Sample-and-hold schakelingen zijn onmisbaar als u analoge signalen in een ADC wil omzetten in een digitale code. De S&H neemt dan eerst even een monstertje van het analoge signaal. De ADC zal nadien de grootte van dit monstertje meten en er een digitale code uit afleiden die een maat is voor de gemeten signaalgrootte.
In de onderstaande figuur is het basisschema getekend van een met een CA3080 opgebouwde S&H. De schakeling maakt gebruik van het groot regelbereik van de uitgangsimpedantie van een OTA. Is de Iabc maximaal, dan is de uitgangsimpedantie relatief laag. Is de stroom echter nul, dan stijgt de praktische uitgangsimpedantie van de schakeling tot wel 1.000 MΩ. Deze zeer grote variatie in uitgangsimpedantie kunt u vergelijken met een schakelaar, die geopend of gesloten wordt op bevel van de Iabc. Wordt de stuuringang aangesloten op een spanning van 0 V, dan zal de schakeling een maximale Iabc trekken. De kleine condensator C1 wordt dan via de vrij lage uitgangsimpedantie van de OTA opgeladen tot de momentele waarde van de ingangsspanning. De spanning over de condensator zal bovendien de variatie van de ingangsspanning getrouw volgen.
Maakt u de stuuringang echter negatief, dan valt de stuurstroom terug tot nul. De uitgangsimpedantie wordt dan meer dan 1 GΩ en de condensator wordt als het ware losgekoppeld van de rest van de schakeling. De spanning over de condensator kan nu niet afvloeien en blijft dus vrij constant. Op dat moment moet u de op de schakeling aangesloten ADC opdracht geven om het in de condensator opgeslagen ingangsmonster om te zetten in een digitale code.
De terugkoppeling van de uitgang naar de ingang zorgt ervoor dat de schakeling in staat is grotere amplitudes dan 10 mV zonder problemen te verwerken. De inverterende ingang volgt nu immers de spanning op de niet-inverterende ingang waardoor er een minimaal spanningsverschil tussen beide ingangen optreedt, zelfs als de schakeling wordt gestuurd met signalen in de grootte-orde van volts.
De sample-condensator C1 moet uiteraard met een als buffer geschakelde operationele versterker worden afgesloten. Deze buffer zorgt ervoor dat de kleine lading op de condensator niet via de belastingsweerstand kan afvloeien naar de massa.
 |
| De CA3080 in een sample and hold schakeling. (© 2019 Jos Verstraten) |
Een belangrijke toepassing van de CA3080 is het omzetten van driehoeken in sinussen. Een dergelijke trap hebt u steeds in een analoge functiegenerator nodig, want uiteraard wilt u dat een dergelijke generator naast de driehoeken en rechthoeken ook in staat is sinusvormige spanningen te genereren. Meestal gebruikt men voor het omzetten van een driehoek in een sinus ingewikkelde weerstand/diode-netwerken in de terugkoppeling van een operationele versterker. De dioden schakelen, naarmate de driehoekspanning aan de ingang stijgt, steeds meer weerstanden in de terugkoppelkring, waardoor de versterking van de op-amp daalt en de toppen van de driehoek worden afgerond. Op deze manier ontstaat aan de uitgang van de schakeling een benaderde sinusspanning, waarop evenwel nog een vrij grote harmonische vervorming zit.
Hetzelfde kunt u echter veel eenvoudiger doen met één OTA, zie het schema van de onderstaande figuur. De driehoek, die een top-tot-top waarde van 10 V moet hebben (let het woordje moet!), wordt eerst door de spanningsdeler R1/R2 gereduceerd tot ongeveer 100 mV. Deze spanning wordt op de inverterende ingang van de OTA gezet. De niet-inverterende ingang van de OTA ligt aan de massa, met als gevolg dat de OTA flink overstuurd wordt.
De uitgangsstroom wordt op de gebruikelijke manier omgezet in een uitgangsspanning. Door het oversturen van de schakeling zal de uitgangsstroom en dus ook de uitgangsspanning min of meer sinusvormig gaan verlopen. De versterking van de schakeling is zo ingesteld, dat ook de sinus op de uitgang een top-tot-top waarde heeft van 10 V. Door het instellen van de Iabc en de offset kunt u de vervorming op de sinus minimaliseren. Met de getekende schakeling zijn in het Vego-lab minimale vervormingspercentages van 2 á 4 % gehaald, voorwaar niet slecht voor een dergelijke eenvoudige schakeling! Een en ander blijkt ook tamelijk afhankelijk te zijn van de exemplarische spreiding op de karakteristieken van de gebruikte OTA.
 |
| Een eenvoudige driehoek-naar-sinus omzetter. (© 2019 Jos Verstraten) |
Analoge vermenigvuldigers voldoen aan de uitdrukking:
Uz = Ux ● Uy
waarbij Ux en Uy de spanningen op de twee ingangen zijn. Analoge vermenigvuldigers zijn nuttige schakelingen als u bijvoorbeeld een vermogensmeter wilt ontwerpen. Ook het in een verbruiker gedissipeerde vermogen is immers gelijk aan een product, want gelijk aan het product van spanning over de verbruiker en stroom door de verbruiker:
P = U ● I
waarbij het vermogen P in watt wordt uitgedrukt.
Er bestaan speciale geïntegreerde analoge vermenigvuldigers, maar die schakelingen zijn duur en zeldzaam. Gelukkig kan het ook met een OTA! Het basisprincipe is getekend in de onderstaande figuur. De niet-inverterende ingang van de OTA ligt aan de massa. Een van de te vermenigvuldigen spanningen gaat naar de inverterende ingang. De tweede ingangsspanning stuurt de Iabc-ingang. Aan de hand van de algemene overdrachtsformule van een OTA kunt u gemakkelijk aantonen dat de uitgangsspanning Uz gelijk is aan het product van de twee ingangsspanningen:
Uz = ∆Uin ● Iabc ● R3 ● 19,2
Maar:
∆Uin = Ux
en:
Iabc = [(-Ub) - Uy] / R2
Er bestaat dus een recht evenredig verband tussen de stuurstroom en de Uy-spanning. Dit recht evenredige verband kunt u voorstellen door een constante factor φ, waarmee Uy vermenigvuldigd moet worden:
Iabc = φ ● Uy
Als u alle formules combineert ontstaat:
Uz = Ux ● Uy ● φ ● R3 ● 19,2
Of:
Uz = φ' ● Ux ● Uy
De spanning die op de uitgang gemeten wordt is gelijk aan het product van de twee ingangsspanningen, vermenigvuldigd met een constante factor φ'.
 |
| Het principe van een analoge vermenigvuldiger. (© 2019 Jos Verstraten) |
In de onderstaande figuur is de praktische uitwerking van een analoge vermenigvuldiger met een CA3080 getekend. De twee ingangsspanningen kunnen variëren tussen -5 V en +5 V. De uitgangsstroom van de OTA wordt weer op de bekende manier omgezet in een laagimpedante uitgangsspanning. Op de uitgang staat een spanning, die gelijk is aan 1/5 van het negatieve product van beide ingangsspanningen.
Het afregelen van de vermenigvuldiger gaat als volgt:
- Zet Uy op 0 V en Ux op +5 V en regel R6 af op minimale spanning op de uitgang.
- Zet Ux op 0 V en Uy op +5 V en regel R7 af op minimale spanning op de uitgang.
- Herhaal deze twee afregelingen totdat deze elkaar niet meer beïnvloeden.
Een belangrijke opmerking is dat beide ingangsspanningen uit zeer lage impedanties geleverd moeten worden. Is dat niet het geval, dan zullen de uitgangsimpedanties van de schakelingen die de ingangsspanningen leveren de werking van de schakeling verstoren. In de praktijk moet u dus steeds met twee als spanningsvolger geschakelde operationele versterkers werken!
 |
| Een praktische analoge vermenigvuldiger met een OTA. (© 2019 Jos Verstraten) |
De OTA als gyrator
Wat is een gyrator?
Een gyrator is een van de vreemdste 'onderdelen' die er in de elektronica te vinden zijn. Evenals een weerstand, een condensator en een spoel is een gyrator een passief element. Bovendien is het een zogenoemde 'twee-poort', hetgeen wil zeggen dat de schakeling twee kanten of poorten heeft en er energie van de ene naar de andere poort wordt overgedragen. Een typisch voorbeeld van een twee-poort is een gewone nettrafo. Het elektronische symbool van een gyrator is getekend in de onderstaande figuur.
De universele formules die de overdracht van de gyrator definiëren zijn te vergelijken met de formules van een transformator:
i2 = -g ● u1
en:
i1 = g ● u2
Uit deze vergelijkingen blijkt dat een gyrator een primaire stroom i1 omzet in een secundaire spanning u2 en een primaire spanning u1 omzet in een secundaire stroom i2. De constante g wordt de gyrator-constante genoemd en deze grootheid heeft de omgekeerde Ohm (Ω-1) als eenheid.
Een van de voornaamste eigenschappen van een gyrator is dat als één poort belast wordt met een impedantie, deze impedantie zich ook op de andere poort zal uiten. Als u, zoals in de bovenste figuur is getekend, één poort van de gyrator belast met een condensator C2, dan zal deze capaciteit zich aan de andere poort uiten als een inductantie of spoel, waarvan de waarde gegeven wordt door de uitdrukking:
L1 = C2 / g2
Op deze eenvoudige manier kunt u dus een condensator schijnbaar omzetten in een spoel! Het zal wel duidelijk zijn dat dit principe schitterende praktische perspectieven biedt. Spoelen zijn niet de meest handige onderdelen om in een schakeling toe te passen. Spoelen zijn groot, duur, zwaar en zeer gevoelig voor het oppikken van elektromagnetische strooivelden en storingen. Vandaar dat iedere ontwerper er naar streeft schakelingen zo te ontwerpen dat er geen behoefte bestaat aan spoelen. Toch zijn er bepaalde schakelingen waarbij u niet ontkomt aan het gebruik van spoelen. Te denken valt een zeer smalbandige afgestemde filters, waarbij de smalbandige karakteristieken ontstaan door een parallelschakeling van spoelen en condensatoren. Zolang de frequentie waarop de kringen afgestemd moeten worden in het MHz-bereik ligt, kunt u gebruik maken van kleine condensatoren en spoelen. Moet u echter een zeer laagfrequente smalbandige afgestemde versterker maken, dan moet u praktisch onrealistisch grote spoelen gebruiken. In dit soort gevallen kan een gyrator uitkomst bieden. Een spoel is immers te simuleren door een gyrator te ontwerpen en de secundaire poort zuiver capacitief te belasten. De combinatie van gyrator plus condensator wordt dan door de rest van de schakeling gezien als een gewone spoel, met de door de formule gegeven waarde.
 |
| De gyrator kan opgevat worden als een impedantie-omzetter. (© 2019 Jos Verstraten) |
Gyratoren kunnen op verschillende manieren opgebouwd worden. Een van de beste manieren is door gebruik te maken van twee OTA's. Uit de gyrator-vergelijkingen volgt immers dat er een bepaald lineair verband bestaat tussen de primaire spanning en de secundaire stroom. Dat is nu precies iets dat, zoals bekend, bij een OTA ook het geval is. In de onderstaande figuur is het praktische schema getekend van een gyrator-schakeling die opgebouwd is rond twee OTA's van het type CA3080.
Als u op de secundaire poort 2 een ongepoolde condensator van 3 μF aansluit, dan ontstaat er op poort 1 een zelfinductie van niet minder dan 10.000 H! De gyrator-constante van deze schakeling is gelijk aan 0,016. Het bruikbare frequentiebereik loopt tot 10 kHz. Vanwege de bijzondere eigenschappen van de schakeling kunt u de primaire poort belasten met wisselspanningen tot 25 Veffectief. De kwaliteitsfactor Q van de spoel ligt tussen de 10 en 15. Met behulp van de potentiometer R6 kunt u de Iabc van beide OTA's gezamenlijk regelen. Met deze regeling kunt u de gyrator-constante instellen.
 |
| Het praktische schema van een gyrator met twee OTA's. (© 2019 Jos Verstraten) |
Het zou in het kader van dit artikel over de CA3080 te ver voeren om de werking van deze schakeling tot in alle details te bespreken. Dat zou bovendien alleen maar kunnen met een behoorlijk grote dosis wiskunde. Maar wel is instinctief aan te voelen dat de schakeling voldoet aan de universele gyrator-uitdrukkingen. De uitgangsstroom van de bovenste OTA bepaalt immers de ingangsspanning van de onderste OTA. En de uitgangsstroom van deze schakeling beïnvloedt de ingangsspanning van de bovenste OTA. Hetgeen precies door de twee eerder gepubliceerde formules wordt aangegeven als een van de fundamentele eigenschappen van een gyrator.
Met behulp van dergelijke schakelingen kunt u dus grote spoelen simuleren door de secundaire poort van de gyrator te belasten met een vrij kleine condensator. Een tweede groot voordeel is dat de waarde van de spoel kan worden afgeregeld door het instellen van de Iabc van beide OTA's.
Koop uw Geekcreit elektronica bij Banggood
