|
Operationele versterkers zijn universele onderdelen waar u vrijwel iedere analoge schakeling mee kunt opbouwen. Maar dank zij de negentien tips in dit artikel kunt u deze handige achtpootjes op nog veel meer plaatsen in uw schema's inzetten. |
Op-amp's symmetrisch voeden uit één voedingsspanning
Als u uitgebreide schakelingen met operationele versterkers bedenkt doet u er verstandig aan te kiezen voor een symmetrische voeding. Operationele versterkers zijn immers geschapen voor symmetrische voeding en het systeem heeft voordelen. Als instelpunt voor alle trappen kunt u immers de massa kiezen, hetgeen heel wat instelcomponenten uitspaart. Als u echter moet werken met een enkelvoudige voeding moet u een symmetrische voeding simuleren door gebruik te maken van het systeem dat in onderstaande figuur is getekend.
Tussen de massa en de enkelvoudige positieve voeding +Ub worden twee kleine, even grote weerstanden R1 en R2 geschakeld. Het knooppunt wordt met een flinke elco C1 ontkoppeld naar de massa. Op dit knooppunt staat uiteraard de helft van de voedingsspanning. Dit punt wordt nu bevorderd tot 'fictieve' massa en alle operationele versterkers kunnen nu ingesteld worden naar dit punt. In het voorbeeld gebeurt dit met de weerstanden R5 en R6. De uitgang van de op-amp staat nu ook op deze fictieve massa-referentie.
Verschillende trappen kunnen nu zonder scheidingscondensatoren rechtstreeks met elkaar verbonden worden, net zoals u werkt met symmetrische voedingen. Wel moet u uiteraard aan het begin en het einde van de keten scheidingscondensatoren aanbrengen om het signaal weer te refereren naar de normale massa. In het voorbeeld wordt dit aan de ingang gedaan met de condensator C2.
 |
| Op-amp's symmetrisch voeden uit enkelvoudige voedingsspanning. (© 2017 Jos Verstraten) |
Gelijkspanningsoffset uitschakelen
Dank zij de zeer hoge open-lus versterking van een operationele versterker kunt u met één dergelijk onderdeel een signaal wel 1.000 keer versterken. Het volstaat tussen de uitgang, de inverterende ingang en de massa een weerstandsdeler met een weerstandsverhouding van 1 op 1.000 te schakelen. Het nadeel is echter dat dan ook de offsetspanning met dezelfde factor wordt versterkt. Heeft de op-amp een offset van 1 mV dan zal deze offset op de uitgang terug te vinden zijn als gelijkspanning van 1 V. Een en ander kan tot gevolg hebben dat de gelijkspanning op de uitgang zo positief of negatief wordt dat het versterkte signaal, daarop gesuperponeerd, vastloopt tegen de positieve of negatieve voeding.
Dat probleem kunt u gemakkelijk oplossen door, zoals getekend in onderstaande figuur, een grote condensator is de terugkoppeling op te nemen. Voor gelijkspanning is de spanningsversterking van de trap nu gelijk aan 1. De condensator heeft immers voor gelijkspanning een oneindig hoge impedantie, zodat de schakeling voor gelijkspanning in feite werkt als buffer. De offset tussen de ingangen wordt dus niet versterkt en verschijnt onversterkt en onschadelijk op de uitgang. Voor wisselspanningen heeft de condensator een te verwaarlozen impedantie. De wisselspanningsversterking wordt dan alleen bepaald door de verhouding tussen de weerstanden R1 en R2.
Zoals geschreven moet de waarde van de condensator zo groot mogelijk zijn. Kleine condensatoren hebben een niet te verwaarlozen impedantie voor lage frequenties, zodat de schakeling frequentie-afhankelijk gaat versterken, hetgeen uiteraard niet de bedoeling is.
 |
| Gelijkspanningsoffset uitschakelen. (© 2017 Jos Verstraten) |
Stroombuffer voor uitgang van op-amp
Hoewel operationele versterkers een zeer lage uitgangsimpedantie hebben, zijn zij toch niet in staat veel stroom te leveren. Als dat wél noodzakelijk is, al is het maar voor het sturen van een hoofdtelefoon, dan moet u de uitgang van de op-amp bufferen.
Een zeer bruikbaar en eenvoudig schema is getekend in onderstaande figuur. De uitgang van de op-amp wordt rechtstreeks aangesloten op de twee basissen van complementaire transistoren T1 en T2. Ook de emitters zijn rechtstreeks met elkaar verbonden. Tussen de emitters en de ingang staat een kleine weerstand. De uitgang wordt rechtstreeks teruggekoppeld naar de inverterende ingang van de operationele versterker.
Het geheel vormt een spanningsbuffer met een versterking van 1, maar met een stroomcapaciteit van ongeveer ±100 mA. Door de maximale terugkoppeling is de schakeling uiterst stabiel en bruikbaar over de gehele audio-frequentieband. De uitgangsimpedantie is, dank zij de tegenkoppeling, verwaarloosbaar klein.
 |
| Een stroombuffer achter de uitgang van een op-amp. (© 2017 Jos Verstraten) |
Complementaire eindtrap achter op-amp
De eenvoudige buffer van de vorige tip kunt u oppeppen tot het onderstaande schema. Met deze uitgangsbuffer kunt u een klein luidsprekertje voeden en het schema is te gebruiken als uitgangstrap in een babyfoon of een intercom. De spanningsversterking van de schakeling wordt vastgelegd door de verhouding tussen de weerstanden R1 en R2. De uitgangsimpedantie van de schakeling wordt bepaald door de weerstanden R5 en R6. Deze kunnen eventueel iets verkleind worden, maar mogen niet vervangen worden door draadbruggetjes! Deze emitterweerstanden spelen namelijk een belangrijke rol bij het stabiliseren van de schakeling.
De twee eindtransistoren worden ingesteld met behulp van de weerstanden R3 en R4 en de dioden D1 en D2. Dit kunnen ordinaire Si-dioden zijn, zoals 1N4148. Door deze serieschakeling vloeit een stroom, waardoor over beide dioden spanningen van ongeveer 0,65 V ontstaan. Dit zijn de basis-instelspanningen voor de twee eindtransistoren. Dank zij deze instelspanningen moet de uitgang van de operationele versterker de eindtransistoren niet over hun 'dode zône' helpen en zal de schakeling beter in staat zijn kleine signalen vervormingsvrij te verwerken.
 |
| Complementaire eindtrap achter een op-amp. (© 2017 Jos Verstraten) |
Eindversterkertje achter uw op-amp
Het thema 'gebufferde operationele versterker' is onuitputtelijk. Als u nog meer vermogen wilt dan uit de vorige twee tips te halen valt, dan kunt u overstappen naar onderstaande figuur. Deze schakeling vormt in feite een klein complementair eindversterkertje, dat een vermogen van 1 á 2 W kan leveren aan een belasting van 8 Ω.
De dioden D1 en D2 verzorgen, samen met de instelpotentiometer R4, de ruststroom door de eindtrappen. De spanningsversterking van de schakeling is gelijk aan 1.
De terugkoppelweerstand R1 is verantwoordelijk voor de handhaving van de ruststroom. Zou namelijk een van de takken van de complementaire eindtrap meer stroom gaan trekken dan de bedoeling is, dan zal het knooppunt van de collectoren van T1 en T4 op een spanning komen te staan die afwijkt van 0 V. Dit wordt door de weerstand R1 onmiddellijk teruggekoppeld naar de ingang en de operationele versterker neemt de nodige maatregelen om het evenwicht weer te herstellen.
De schakeling moet gevoed worden uit symmetrische spanningen van ±15 V. U moet de twee eindtransistoren T1 en T4 monteren op kleine koelplaatjes. De Si-dioden D1 en D2 moeten in thermisch contact met deze koelplaatjes staan. U moet deze onderdelen dus zo dicht mogelijk bij de koelplaatjes monteren en met een klodder warmtegeleidende pasta het thermisch contact tot stand brengen.
 |
| Een eindversterkertje achter een op-amp. (© 2017 Jos Verstraten) |
Compensatie van de bias-stroom
Een operationele versterker heeft een bepaalde bias-stroom Ib. Dat is de stroom die uit de ingang vloeit naar de op de ingang aangesloten schakeling. Deze stroom is zeer klein, afhankelijk van het soort op-amp ligt de waarde van deze stroom in het µA- tot nA-gebied.
Bij bepaalde kritische toepassingen kan het vloeien van deze stroom echter tóch bezwaarlijk zijn. Te denken valt aan schakelingen met fotodetectoren, waarbij de detector een zeer kleine stroom Iin levert die recht evenredig is met het licht dat op de detector invalt. De bias-stroom zal dan tot gevolg hebben dat de stroom die door de detector geleverd wordt niet meer recht evenredig is met de lichtintensiteit. Bovendien is de bias-stroom van een operationele versterker afhankelijk van de temperatuur. Daardoor gaat het evenredige verband tussen de uitgangsstroom van de detector en het gemeten verschijnsel helemaal verloren.
Krijgt u te maken met dit soort problemen, dan kunt u de schakeling van onderstaande figuur toepassen. De bovenste operationele versterker is de spanningsvolger die het onderdeel afsluit dat een stroom Iin levert. De op-amp zelf levert een bias-stroom Ib. Zonder compensatie zou deze stroom zich van de ingangsstroom aftrekken. De onderste operationele versterker levert echter een afvoerpad voor deze bias-stroom.
 |
| Het compenseren van de bias-stroom van een op-amp. (© 2017 Jos Verstraten) |
De werking berust op het feit dat de op-amp de spanning op beide ingangen identiek wil maken. De niet-inverterende ingang van de onderste op-amp gaat via een weerstand van 3 MΩ naar de massa. De bias-stroom uit deze ingang zal over deze weerstand een bepaalde spanning opbouwen. De inverterende ingang gaat via een weerstand van 1,5 MΩ naar de massa. Let op de 1/2 verhouding tussen beide weerstanden. De bias-stroom die uit de inverterende ingang vloeit zal dus over deze weerstand een spanning opwekken die gelijk is aan de helft van de spanning over de 3 MΩ weerstand.
Er bestaat een spanningsverschil tussen beide ingangen en de op-amp zal dit spanningsverschil tot nul gaan reduceren. De uitgang van de op-amp stuurt de basis van de transistor. Deze halfgeleider gaat geleiden, met als gevolg dat er een bepaalde collectorstroom gaat lopen. Deze stroom wekt echter over de weerstand van 1,5 MΩ een spanningsval op. De schakeling stelt zichzelf zo in dat de spanning over de weerstand van 1,5 MΩ gelijk wordt aan de spanningsval over de weerstand van 3 MΩ. Dat kan alleen maar als er door de eerste weerstand een stroom vloeit die het dubbele is van de stroom die door de weerstand van 3 MΩ vloeit.
De collectorstroom wordt dus ingesteld op de waarde van de bias-stroom. Deze collectorstroom kan alleen afkomstig zijn van de bovenste operationele versterker. Als u er van uit gaat dat de twee bias-stromen aan elkaar gelijk zijn, dan zal de bias-stroom van de spanningsvolger volledig via de transistor naar de massa afvloeien en zal dus geen effect hebben op de stroom Iin die door de ingangsschakeling geleverd wordt.
Bootstrapping van een afgeschermde kabel
Van het bekende bootstrap-principe kunt u gebruik maken als u hoog-impedante schakelingen door middel van een lange afgeschermde kabel met een apparaat moet verbinden. De meest logische gang van zaken is dat u in die schakeling een spanningsvolger opneemt en de zeer laag-impedante uitgang daarvan op de afgeschermde kabel aansluit. De kabelcapaciteit zal dan niet erg veel invloed hebben op het signaal. Maar dat is echter niet altijd mogelijk. Denk maar aan een hoog-impedante microfoon. Zou u daar een schakeling inbouwen, dan moet u ofwel batterijen gebruiken om deze schakeling te voeden, of de voedingsspanningen via de kabel overbrengen. Dat heet 'fantoom-voeding'.
Een eenvoudiger oplossing voor dit probleem is getekend in onderstaande figuur. De uitgang van de spanningsvolger wordt niet alleen verbonden met de inverterende ingang van de operationele versterker, maar ook met de afscherming van de kabel.
Dat is in feite niets anders dan het toepassen van guarding op de kabel. Tussen de afgeschermde ader van de kabel en de afscherming staat nu immers geen spanningsverschil, met als gevolg dat de parasitaire capaciteit van de kabel geen invloed op het signaal heeft. Op deze manier is het mogelijk een hoog-impedante microfoon zonder buffering bij de microfoon via een tien meter lange kabel met een versterker te verbinden, zonder dat de hoge frequenties door de capaciteit van de kabel worden verzwakt.
 |
| Het bootstrappen van een afgeschermde kabel. (© 2017 Jos Verstraten) |
Capacitieve neutralisatie
Met de bekende technieken bootstrapping en guarding kunt u de kabelcapaciteit en de capaciteit van de print uitschakelen. Wat overblijft is echter de capaciteit van de bron zélf. Deze kan tot gevolg hebben dat het signaal dat de bron levert behoorlijk vervormt. Denk maar aan een zeer gevoelige fotodetector die per definitie een groot halfgeleidend oppervlak heeft. Dergelijke detectoren hebben een niet te verwaarlozen capaciteit en deze capaciteit kan de uitgangspulsjes van de detector verzwakken.
Om dergelijke problemen op te lossen kunt u de spanningsvolger die de detector afsluit uitrusten met een systeem dat een zogenaamde 'capacitieve neutralisatie' uitvoert. Het basisprincipe van dit systeem is getekend in onderstaande figuur.
 |
| Capacitieve neutralisatie van de capaciteit van een ingangsbron. (© 2017 Jos Verstraten) |
De werking van de schakeling is in feite alleen wiskundig te doorgronden, maar met onderstaande redenering kunt u een heel eind komen. Als de bron (het vierkantje links in de figuur) een puls levert, dan zal een deel van deze spanning afvloeien via het netwerk R1/C1. De spanning op punt X is dus geen nauwkeurige representatie van de bronspanning. Dat verschijnsel ontstaat doordat de capaciteit C1 van de bron oplaadt. De oplaadstroom vloeit via de weerstand R1, de inwendige weerstand van de bron, er ontstaat een spanningsval over dit onderdeel.
Het compensatienetwerk, opgebouwd rond de bovenste operationele versterker, levert nu via de condensator C2 een compensatiestroom die gebruikt wordt om de condensator C1 op te laden. De oplaadstroom wordt dan niet meer geleverd door de bron, zodat er over weerstand R1 geen spanning valt.
De mate van neutralisatie kan ingesteld worden met behulp van de instelpotentiometer R2. Deze moet zo ingesteld worden dat de spanning die via de condensator C2 wordt teruggekoppeld gelijk is aan:
Uf = 1 + C1/C2
In de praktijk kunt u dit uiteraard het best experimenteel bepalen met behulp van een oscilloscoop.
Bootstrappen van de voedingsspanningen
De meeste populaire operationele versterkers kunnen gevoed worden uit een maximale spanning van 36 V. Werkt u symmetrisch, dan betekent dit dat de schakeling uit maximaal ±18 V gevoed mag worden.
Dat heeft tot gevolg dat de schakeling geen signalen kan verwerken die een grotere top-tot-top waarde hebben dan ongeveer 30 V. Wilt u grote signalen met een spanningsvolger verwerken, dan kan dit beperkte voedings- en uitsturingsbereik problemen opleveren. Een operationele versterker is immers niet volledig uit te sturen tot tegen de beide voedingsspanningen. Er moet nog voldoende spanningsreserve tussen de uitgangsspanning en de voedingsspanningen overblijven om de interne schakelingen te sturen
Er bestaat een zeer ingenieus systeem om het uitsturingsbereik van een operationele versterker groter te maken dan zijn maximale voedingsspanningen. Dit systeem noemt men 'bootstrapping van de voeding'. Het principe is getekend in onderstaande figuur.
 |
| Vergroten van het uitsturingsbereik door bootstrapping van de voedingsspanningen. (© 2017 Jos Verstraten) |
Op-Amp 1 wordt gebruikt als spanningsvolger voor grote signalen. De voedingsaansluitingen gaan niet rechtstreeks naar +Ub en -Ub, maar via transistoren. Deze transistoren worden gestuurd uit twee hulp op-amp's. Op-Amp 2 wordt gevoed tussen +Ub en de massa, Op-Amp 3 tussen de massa en -Ub. De voedingsspanningen kunnen nu verhoogd worden tot ±36 V. Voor de twee hulp op-amp's geldt dat deze dan ieder 36 V voedingsspanning te verwerken krijgen, hetgeen toelaatbaar is.
Hoe dat zit met Op-Amp 1 moet even worden bekeken. Stel dat u aan de spanningsvolger een spanning van 0 V aanlegt. De uitgang zal dan ook op 0 V staan. De niet-inverterende ingang van de bovenste hulp op-amp is via een spanningsdeler (22 kΩ/22 kΩ) ingesteld op de helft van de positieve voedingsspanning. De schakeling zal zichzelf nu zo inregelen dat dezelfde spanning op de inverterende ingang staat. Dat kan alleen als de positieve voedingsspanning van de Op-Amp 1 op de helft van de positieve voedingsspanning staat, dus op +18 V. Deze spanning wordt immers rechtstreeks teruggekoppeld naar de inverterende ingang van de bovenste hulp op-amp. Hetzelfde verhaal geldt voor de negatieve voedingsaansluiting van Op-Amp 1. Deze staat op een spanning van -18 V.
De situatie verandert dramatisch als u op de ingang van de schakeling een signaal zet. Stel dat u +5 V op de ingang zet. De uitgang zal ook naar +5 V gaan. De spanningsdelers naar de ingangen van de twee hulp op-amp's worden nu anders ingesteld. De bovenste staat nu tussen +36 V en +5 V, zodat er over de deler maar 31 V staat. Over iedere weerstand valt 15,5 V, het gevolg is dat de niet-inverterende ingang nu wordt ingesteld op +20,5 V. Het regelsysteem zorgt ervoor dat dit ook de spanning wordt op de positieve voedingsaansluiting van Op-Amp 1. Bij de onderste spanningsdeler staat er nu 41 V over de weerstanden. Over iedere weerstand valt 20,5 V, zodat de niet-inverterende ingang van de onderste hulp op-amp op een spanning van -15,5 V komt te staan.
Door het onderste regelmechanisme wordt dat ook de spanning op de negatieve voedingsaansluiting van Op-Amp 1. Deze op-amp wordt nu niet gevoed tussen +18 V en -18 V, maar tussen +20,5 V en -15,5 V. Hoewel de totale voedingsspanning nog steeds 36 V bedraagt heeft het voedingsbereik zich positief verschoven.
De voedingsspanning verplaatst zich dus in de richting van de grootte en de polariteit van het ingangssignaal. Op deze manier kunt u Op-Amp 1 veel verder uitsturen, omdat in het ultieme positieve geval Op-Amp 1 gevoed wordt tussen +36 V en 0 V en in het ultieme negatieve geval tussen 0 V en -36 V.
Afsluiten van spanningsreferenties
Spanningsreferenties hebben meestal een tamelijk lage uitgangsimpedantie en het afsluiten met een spanningsvolger heeft op zich dan ook niet erg veel zin. Anders wordt het als u na de uitgang van de spanningsreferentie een RC-filtertje zet dat tot taak heeft de referentiespanning te zuiveren van ruis. De weerstand van dit filter verhoogt de uitgangsimpedantie van de referentie en het gevolg is dat de uitgangsspanning kan gaan dalen als de schakeling belast wordt.
Om dit te voorkomen moet u tussen het filtertje en de belasting van de referentie een spanningsvolger opnemen. De impedantie van het ruisfilter R1/C1 is laag vergeleken met de ingangsimpedantie van de spanningsvolger. Er zal dan ook geen spanning over de weerstand vallen, zodat de uitgangsspanning van het referentie-IC onverzwakt wordt terug gevonden op de uitgang van de spanningsvolger.
 |
| Afsluiten van een spanningsreferentie met een spanningsvolger. (© 2017 Jos Verstraten) |
Afsluiten van een gecompenseerde spanningsdeler
In veel meetschakelingen treft u in de ingang een resistieve spanningsdeler aan. Met deze schakeling kunt u het meetbereik van het meetapparaat instellen op bijvoorbeeld 1 V, 10 V, 100 V en 1.000 V. Meestal zijn deze spanningsdelers zeer hoog-ohmig uitgevoerd. Hoe hoog-ohmiger, hoe minder immers de schakeling waarin gemeten wordt verstoord!
De deler bestaat uit een aantal zeer nauwkeurige in serie geschakelde weerstanden. Ieder knooppunt gaat naar een contact van een draaischakelaar. Op het moedercontact van de schakelaar staat de door 1, 10, 100 of 1.000 gedeelde ingangsspanning ter beschikking.
Een dergelijke spanningsdeler is echter zeer gevoelig voor belasting. De belasting vormt immers een weerstand die via de schakelaar parallel wordt geschakeld over de weerstanden van de delerketen. Daardoor zal de onderlinge verhouding van de weerstanden gewijzigd worden, waardoor de deelverhouding anders wordt dan 1/10/100/1.000.
Dit probleem kan opgelost worden met een spanningsvolger, zie onderstaande figuur. Hier wordt een gecompenseerde 1/1 en 1/10 spanningsdeler voorgesteld. Het moedercontact van de schakelaar S1 gaat naar de niet-inverterende ingang van de operationele versterker. Op de uitgang van de op-amp staat dezelfde spanning als op het moedercontact van de schakelaar, maar nu over een verwaarloosbare impedantie.
De condensatoren C1 en C2 compenseren de weerstandsdeler R1 tot en met R5 voor hoge frequenties.
De twee dioden D1 en D2 beschermen, samen met weerstand R6, de op-amp tegen te grote ingangsspanningen. Als u de schakelaar in een verkeerde stand zet en er zou bijvoorbeeld een spanning van +50 V aangevoerd worden, dan gaat de diode D1 geleiden en zal de ingang van de op-amp op +18,6 V komen te staan (als de schakeling gevoed wordt tussen ±18 V). De rest van de ingangsspanning valt over de weerstand R6.
 |
| Afsluiten van een gecompenseerde spanningsdeler. (© 2017 Jos Verstraten) |
Mengversterker met virtuele massa
Het zal duidelijk zijn dat de standaard resistieve menger aanmerkelijke spanningsverliezen genereert. Er ontstaat immers een spanningsdeler tussen een ingang en de uitgang, opgebouwd uit twee even grote weerstanden. Over de mengweerstand staat bijgevolg maximaal de helft van de beschikbare signaalspanning. Maar bovendien vormen de serieweerstanden van alle overige ingangen nog eens signaalpaden naar de massa. Deze ingangen hebben een lage uitgangsimpedantie naar de massa. Hoe meer signalen er gemengd worden, hoe meer spanning er verloren gaat.
Dit probleem kan zeer soepel opgelost worden door gebruik te maken van de schakeling van onderstaande figuur.
Hier worden de drie te mengen signalen via serieweerstanden R1, R2 en R3 aangeboden aan een sommeerpunt. Maar nu ligt dit punt aan de inverterende ingang van een als inverterende versterker geschakelde operationele versterker. Tussen dit punt en de uitgang is de weerstand R4 opgenomen. De niet-inverterende ingang gaat via een weerstand R5 naar de massa. Deze ingang ligt dus op 0 V en de schakeling zal ook de spanning op de inverterende ingang op 0 V zetten. Het gevolg is dat de signalen op de ingangen stromen door de serieweerstanden sturen, die afvloeien naar een punt dat op 0 V staat en dat deze stromen elkaar dus op geen enkele manier kunnen beïnvloeden!
De som van alle stromen kan alleen via de weerstand R4 verder vloeien naar de uitgang van de operationele versterker. De versterking kan heel eenvoudig worden ingesteld door de verhouding van de weerstand R4 tot de serieweerstanden R1 tot en met R3 van de ingangen op een bepaalde waarde vast te leggen. Het is dus mogelijk aan iedere ingang een eigen specifieke gevoeligheid toe te kennen.
Deze mengschakeling wordt ook wel eens 'menger met virtuele massa' genoemd. Hoewel het mengpunt op een spanning van 0 V staat, dus op dezelfde spanning als op de massa terug te vinden is, kunt u toch niet zeggen dat dit punt aan de massa ligt. De schakeling zorgt er alleen voor dat de spanning steeds op massapotentiaal blijft.
Het zal, als rechtstreeks gevolg van dat virtuele massapunt, ook wel duidelijk zijn dat iedere ingang een ingangsimpedantie heeft die gelijk is aan de waarde van de serieweerstand van deze ingang.
 |
| Mengversterker met virtuele massa. (© 2017 Jos Verstraten) |
Panningversterker met op-amp's
In onderstaande figuur zijn twee inverterende versterkers getekend, die worden gebruikt om een ingangssignaal te 'pannen'. Dat is een vakterm uit de geluidstechniek, waarmee wordt aangegeven dat een ingangssignaal op een instelbare manier verdeeld wordt over twee uitgangen. De benaming 'panning' is een afkorting van 'panorama' en met een dergelijke schakeling kunt u bijvoorbeeld het signaal van een monofone microfoon van links naar rechts door het geluidsbeeld van een stereo-installatie laten lopen.
Het ingangssignaal wordt aan twee identieke inverterende versterkers aangeboden. Tussen de ingang en deze versterkers staat echter een resistief netwerkje, samengesteld uit twee verzwakkers. De ene verzwakker bestaat uit de vaste weerstand R1 en het bovenste deel van de potentiometer R9. De tweede verzwakker is opgebouwd uit de vaste weerstand R5 en het onderste deel van de potentiometer R9.
Als de loper van de potentiometer in de middenstand staat, zijn beide delers identiek. De ingangen van de twee inverterende versterkers worden dan met identieke signalen gestuurd, ook de twee uitgangssignalen zijn even groot. Het ingangssignaal wordt dus in even grote mate aangeboden aan de twee uitgangen.
Verdraait u echter de loper van de potentiometer, dan wordt deze gelijkheid doorbroken. Het gevolg is dat of de bovenste, of de onderste versterker meer signaal krijgt dan de andere. Het ingangssignaal wordt dan niet meer evenredig verdeeld over beide uitgangen maar in een mate die wordt bepaald door de stand van de loper van de potentiometer. Staat de loper in een van de uiterste standen, dan zal een van de uitgangen helemaal geen signaal ontvangen.
 |
| Panningversterker met op-amp's. (© 2017 Jos Verstraten) |
Ruisverlaging door parallel schakelen van op-amp's
De meeste populaire operationele versterkers hebben een tamelijk hoge eigen ruis. Vandaar dat gevoelige laagfrequent schakelingen, zoals microfoonversterkers, vaak met speciale ruisarme transistoren worden uitgevoerd.
Er bestaat echter een techniek om de ruis van operationele versterkers te verminderen. Dat systeem gaat uiteraard niet alleen op voor niet-inverterende versterkers, maar voor alle schakelingen met operationele versterkers.
Als u, zoals voorgesteld in onderstaande figuur, een aantal identieke schakelingen parallel schakelt, dat zal de ruis op de uitgang aanmerkelijk lager liggen dan wanneer u maar één schakeling zou toepassen.
Dat verschijnsel is te verklaren uit het willekeurige verloop van een ruisspanning. Als de ene op-amp op een bepaald moment een ruisspanning van +2 mV genereert, dan is het zeer waarschijnlijk dat een van de andere op-amp's een negatieve ruisspanning van ongeveer dezelfde grootte opwekt. Het gevolg is dat deze twee ruisspanningen elkaar grotendeels compenseren. Hetzelfde verhaal geldt uiteraard ook voor de overige versterkers in de schakeling.
Let op de vier weerstanden die in serie met de individuele uitgangen van de op-amp's zijn geschakeld. Deze zorgen ervoor dat de vier uitgangssignalen resistief gemengd worden en dus ook voor het onderling compenseren van de ruissignalen. Er worden viervoudige op-amp's aangeboden in DIL-14 behuizing. Deze zijn ideaal voor dit soort schakelingen.
 |
| Ruisverlaging door parallel schakelen van op-amp's. (© 2017 Jos Verstraten) |
Brugversterker met twee op-amp's
Brugversterkers hebben het voordeel dat de top-tot-top uitgangsspanning twee keer groter kan zijn dan bij een enkelvoudige versterker. Bij een enkelvoudige versterker, links voorgesteld in de onderstaande figuur, ligt één uitgangsklem aan de massa. De hete klem kan maximale spanningen voeren van plus of min de voedingsspanning. De top-top-top waarde van de uitgangsspanning kan dus maximaal twee maal de waarde van de voedingsspanning bedragen.
Bij een brugversterker, rechts voorgesteld, wordt het ingangssignaal aan twee versterkers aangeboden. Een van de versterker werkt als omkeerversterker. De belasting hangt nu niet eenzijdig aan de massa, maar is aangesloten tussen de twee uitgangen van de versterkers. Als de bovenste uitgang maximaal wordt uitgestuurd tot tegen de positieve voedingsspanning, wordt de onderste uitgang maximaal uitgestuurd tot tegen de negatieve voedingsspanning. Als u nu deze klem als referentie voor de spanningsmeting gebruikt, staat er momenteel tussen de twee uitgangen een spanning van twee maal de voedingsspanning. Hetzelfde geldt als de polariteit omwisselt. De top-tot-top waarde is dus gelijk aan vier maal de voedingsspanning.
 |
| Het principe van een brugversterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
Operationele versterkers zijn ideale onderdelen voor het snel en gemakkelijk samenstellen van een brugversterkertje. In onderstaande figuur is een praktische brugversterker getekend met twee standaard op-amp's. Met deze schakeling kunt u een signaal met een top-tot-top waarde van 50 V over een belasting zetten, terwijl de beschikbare voedingsspanning slechts ±15 V bedraagt.
De bovenste op-amp is geschakeld als niet-inverterende versterker. Het ingangssignaal wordt dus rechtstreeks aangeboden aan de niet-inverterende ingang van de op-amp.
De versterking van de schakeling wordt op ongeveer 10 ingesteld door middel van de twee terugkoppelweerstanden R1 en R2.
De onderste op-amp is als omkeerversterker geschakeld. De twee weerstanden R3 en R4, die de versterking bepalen, zijn even groot en de schakeling versterkt dus precies -1. De ingang van de omkeerversterker is aangesloten op de uitgang van de niet-inverterende versterker. Het gevolg is dat op de uitgang van de onderste op-amp een spanning staat die even groot is dan deze die geleverd wordt door de bovenste schakeling, maar met de tegengestelde polariteit. Als de bovenste op-amp +10 V levert, dan zal de onderste op-amp -10 V leveren. De belastingsweerstand wordt geschakeld tussen beide uitgangen en kan in het getekende voorbeeld uitgestuurd worden tot een maximale top-tot-top spanning van 50 V.
 |
| Een brugversterker met twee standaard op-amp's. (© 2017 Jos Verstraten) |
Verschilversterker meet brugspanning
Een meetbrug bestaat uit vier weerstanden, in een ruitvorm geschakeld. Vervangt u een van de weerstanden door een sensorweerstand die een of andere fysische grootheid (licht, temperatuur, druk, etc.) omzet in een kleine weerstandsvariatie, dan zal de brug deze kleine weerstandsvariatie omzetten in een spanning over de meetdiagonaal van de brug. Door een tweede weerstand van de brug uit te voeren als een potentiometer kunt u de brug ijken voor een bepaald nulpunt.
Het kleine spanningsverschil dat een brug genereert moet versterkt worden, maar bovendien moet de instelspanning van de sensor er uit verwijderd worden. Uiteraard is een verschilversterker daarvoor de aangewezen schakeling! In onderstaande figuur is het standaard schema gegeven.
De twee ingangen van de verschilversterker worden met één diagonaal van de brug verbonden. Daarbij vervullen twee brugweerstanden de rol van serieweerstanden van de verschilversterker. De uitgangsspanning van de schakeling levert een naar de massa gerefereerde spanning af die recht evenredig is met het weerstandsverschil dat door de sensorweerstand van de brug wordt opgewekt.
 |
| Het meten van een brugspanning met een verschilversterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
Verschilversterker voor microfoon
Een gevoelige gebalanceerde microfoon produceert een zeer lage spanning. Door de speciale gebalanceerde opbouw van het onderdeel is het onmogelijk een van de aansluitingen aan de massa te leggen. Op de twee aansluitingen staan niet alleen signaalspanningen (ten opzichte van elkaar in tegenfase) maar ook stoorsignalen zoals brom van het wisselspanningsnet. Die brom is echter wel op beide aansluitingen in even grote mate aanwezig.
Een dergelijke situatie, waarbij twee signaalvoerende leidingen in even sterke mate verontreinigd zijn met een stoorsignaal, noemt men een 'common-mode situatie'.
Een verschilversterker is een ideale schakeling om dergelijke common-mode spanningen te scheiden van de eigenlijke signaalspanning. Dat volgt uit de basiseigenschap van een dergelijke schakeling. De versterker berekent immers het verschil tussen de spanningen op de twee ingangen. Als er aan beide ingangen identieke spanningen worden gelegd, dan zal de uitgang van de schakeling op 0 V blijven staan. Er is dan immers geen sprake van een verschilspanning op de ingangen.
Een praktische toepassing van deze common-mode onderdrukking is gegeven in onderstaande figuur. De microfoon wordt via een twee-aderige afgeschermde kabel met de verschilversterker Op-Amp 1 verbonden. Let op dat de afscherming van deze kabel wel aan de massa van de schakeling ligt, maar dat de twee microfoonaansluitingen zweven ten opzichte van de massa.
De verschilversterker berekent het verschil tussen zijn beide ingangsspanningen. Iedere ingang voert twee signalen. Op de eerste plaats het microfoonsignaal, maar dat is op de tweede ader 180° in fase gedraaid, dus omgekeerd. Deze twee signaalspanningen introduceren dus een spanningsverschil tussen de beide ingangen van de versterker en de schakeling zal dit spanningsverschil op de uitgang zetten.
Daarnaast staat er op de beide aders van de microfoon het common-mode signaal, dat echter op beide aders even groot en in fase is. Deze signalen introduceren geen spanningsverschil tussen de beide ingangen van de verschilversterker en u zult er op de uitgang van de schakeling dan ook niets van terug vinden.
De uitgang levert een signaal af ten opzichte van de massa, dat alleen een verband heeft met het door de microfoon gegenereerde signaal. Dit kleine verschilsignaal wordt in een tweede trap, een operationele versterker als niet-inverterende versterker geschakeld, verder versterkt.
 |
| Het versterken van een microfoonsignaal met een verschilversterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
Instrumentatie-versterker met drie op-amp's
Het basisschema van een instrumentatie-versterker is getekend in onderstaande figuur. De twee linkse operationele versterkers lijken als spanningsvolgers te werken, maar dat is niet het geval! Tussen de twee inverterende ingangen is immers een weerstand R2 opgenomen en dit onderdeel speelt een belangrijke rol bij de werking. Deze weerstand staat in serie met twee andere, even grote weerstanden R1 en R3 die naar de uitgangen van de operationele versterkers gaan.
De twee uitgangen van de linker op-amp's zijn verbonden met een derde op-amp die als klassieke verschilversterker is geschakeld. De vier weerstanden van deze schakeling zijn identiek.
De werking van een instrumentatie-versterker is zonder gebruik van wiskunde tamelijk moeilijk te doorgronden. Fysisch kan in feite alleen een benaderende verklaring van de werking worden gegeven.
De twee linkse operationele versterkers zullen er naar streven het spanningsverschil tussen beide ingangen nul te maken. Vandaar dat de twee ingangssignalen IN-1 en IN-2, die worden aangeboden aan de niet-inverterende ingangen, ook worden terug gevonden op de inverterende ingangen.
Deze spanningen staan echter over de weerstand R2. Het gevolg is dat over deze weerstand een spanning staat die recht evenredig is met het verschil tussen beide ingangsspanningen. Hoe groter dit verschil, hoe groter de spanning over deze weerstand.
Deze spanning kan alleen maar over deze weerstand blijven bestaan als er door de weerstand een stroom vloeit die volgens de wet van Ohm deze spanning over de weerstand opwekt. Deze stroom moet ergens vandaan komen en het zal duidelijk zijn dat deze alleen vanuit de twee uitgangen van de linker op-amp's via de weerstanden R1 en R3 naar weerstand R2 kan vloeien. Hoe groter de verschilspanning op de ingangen, hoe groter deze stroom zal zijn. Maar deze stroom kan alleen maar vloeien als op de uitgangen van de linker op-amp's spanningen staan die recht evenredig zijn met het spanningsverschil tussen beide ingangen.
 |
| Het standaard schema van een instrumentatie-versterker met drie op-amp's. (© 2017 Jos Verstraten) |
Het zal duidelijk zijn dat het heel eenvoudig is deze schakeling te laten versterken. Het volstaat immers de weerstand R2 te verlagen om een grotere stroom door de weerstand tot gevolg te hebben en dus ook grotere uitgangsspanningen. Dat is het grote voordeel van de instrumentatie-versterker. Door middel van één potentiometer kunt u de versterking van de schakeling over een groot bereik instellen. Tweede groot voordeel is dat nu alleen de weerstanden R1 en R3 zo nauwkeurig mogelijk aan elkaar moeten zijn.
De common-mode spanning wordt op nu bekende manier uit het signaal gefilterd door middel van de rechter verschilversterker, de reeds versterkte verschilspanning wordt omgezet in een even grote spanning ten opzichte van de massa.
Een spoel maken met een op-amp
Een wel heel bizarre toepassing van een op-amp is een gyrator. Zo'n schakeling gedraagt zich voor de buitenwereld als een spoel met een bepaalde zelfinductie L en een bepaalde inwendige weerstand RL. Het verklaren van de werking van een gyrator vereist nogal wat wiskunde en dat gaan wij hier dus niet doen. In onderstaand schema is links de gyrator met een op-amp getekend en rechts de spoel die zij simuleert.
 |
| Een op-amp, geschakeld als gyrator, simuleert een spoel met een zelfinductie L en een weerstand RL. (© 2017 Jos Verstraten) |
Koop uw stroomtang bij Banggood
