Elektronica-hobby blog van Jos Verstraten (626 artikelen): Op-amp cursus 03: bufferversterker

(gepubliceerd op 21-05-2017)

Bufferversterkers zijn schakelingen, die het aan de ingang aangeboden signaal zo min mogelijk beïnvloeden, maar wel als een soort van impedantietransformator werken. De ingangsimpedantie van een buffer is zeer groot, de uitgangsimpedantie zeer laag. De spanningsversterking is gelijk aan een.

Waarom een bufferversterker?

Van lage naar hoge impedantie
Bufferversterkers gebruikt u waar rechtstreekse koppeling van de ene schakeling aan de andere schakeling problemen kan geven wat betreft impedanties. Als u een schakeling die een hoge uitgangsimpedantie heeft via een lange kabel moet verbinden met een schakeling die een lage ingangsimpedantie heeft, gaat er van alles mis. Een deel van het uitgangssignaal van de linker trap wordt geabsorbeerd door de uitgangsimpedantie van die trap. Een ander deel wordt verzwolgen door de impedantie van de kabel. Er blijft dus weinig signaal over voor het sturen van de rechter trap.

Een bufferversterker brengt de oplossing
In dergelijke gevallen moet u steeds een bufferversterker tussen beide trappen schakelen. Deze buffer moet een zo hoog mogelijke ingangsimpedantie hebben, zodat hij de voorgaande schakeling zo min mogelijk belast. De uitgangsimpedantie is zo laag mogelijk, zodat hij in staat is een lange kabel van signaal te voorzien zonder merkbaar signaalverlies. Ook het aansturen van een trap met een lage ingangsimpedantie is dan natuurlijk geen probleem.
De buffer mag het signaal zo min mogelijk beïnvloeden, zodat een grote bandbreedte en een spanningsversterking van exact één tot de eisen horen.

De emittervolger als traditioneel voorbeeld
Het bekendste voorbeeld van een bufferversterker is de emittervolger. Deze schakeling werd vaak toegepast om kleine bromgevoelige signalen, zoals de uitgangsspanning van een microfoon, over een lange kabel te transporteren naar een voorversterker.

De op-amp als bufferversterker

Met een op-amp gaat het veel eenvoudiger
De schakeling van de emittervolger kost toch nog zes kostbare onderdelen. Met een op-amp kunt u veel eenvoudiger een bufferversterker maken, wat vrij logisch is als u zich even de vrij hoge in- en vrij lage uitgangsimpedantie van de op-amp voor ogen haalt. De fundamentele schakeling van een op-amp buffer is de eenvoud zelve: het te bufferen signaal wordt aan de positieve ingang aangeboden, de negatieve ingang is rechtstreeks gekoppeld met de uitgang. Eén onderdeel, om precies te zijn!

De eigenschappen van de op-amp buffer
In onderstaande figuur is een schema getekend, waarmee u de eigenschappen van zo'n buffer kunt opsporen. Aan de ingang sluit u een gelijkspanning van +10 V aan. De weerstand R1 van 4,7 MΩ soldeert u vast in de schakeling, de weerstand R2 van 470 Ω wordt zo in de schakeling opgenomen dat u hem desgewenst even met de uitgang van de op-amp in contact kunt brengen. De twee weerstanden zijn niet nodig voor de buffer zélf, maar zijn hulpelementen om de drie belangrijke eigenschappen van de schakeling te kunnen meten:

De versterkingsfactor.
De ingangsimpedantie.
De uitgangsimpedantie.

Bij het inschakelen van de voedingsspanning zult u zien dat u op de punten M1, M2 en M3 dezelfde spanning kunt meten: +10 V. Wat kunt u hieruit afleiden?

De schakeling waarmee u de eigenschappen van een op-amp bufferversterker kunt onderzoeken.
(© 2017 Jos Verstraten)

De spanningsversterking
Het is duidelijk dat de spanningsversterking van de schakeling gelijk is aan één. +10 V aan de ingang geeft immers +10 V aan de uitgang.

De ingangsimpedantie
De ingangsimpedantie van de schakeling is blijkbaar zeer hoog. De ingang vraagt zo weinig stroom van de ingangsspanning, dat er over de toch zeer grote weerstand R1 geen meetbare spanningsval optreedt. Zou dat wel het geval zijn, dan zou u op M2 een lagere spanning meten dan op M1. Uit dat spanningsverschil zou u de stroom door R1 kunnen berekenen en bijgevolg ook de ingangsimpedantie van de buffer.

De uitgangsimpedantie
Sluit uw universeelmeter aan op M3, u meet daar uiteraard +10 V. Verbindt het vrije einde van de weerstand R2 even met de uitgang en let op de meter op M3. De naald verroert niet. Hieruit kunt u besluiten dat de uitgangsimpedantie van de buffer erg laag is. Immers, de belasting met een weerstand van 470 Ω doet een stroom van ongeveer 10 mA vloeien. Deze stroom komt uit de uitgang van de op-amp en loopt dus ook door de uitgangsimpedantie van de uitgang van de op-amp. Als deze impedantie bijvoorbeeld 10 Ω zou zijn, dan zou er door het aansluiten van de belastingsweerstand een spanningsval van 0,1 V aan de uitgang ontstaan, iets dat u zonder meer op M3 ziet. Nu verroert de naald van de meter niet eens, waaruit volgt dat de uitgangsimpedantie van de buffer erg laag is.

Besluit
Kortom, een op-amp geschakeld als bufferversterker heeft een spanningsversterking van een, een zeer hoge ingangsimpedantie en een zeer lage uitgangsimpedantie. Theoretisch komt het er op neer dat de waarde van de ingangsimpedantie van de op-amp zélf vermenigvuldigd wordt met de versterkingsfactor van de op-amp en de waarde van de uitgangsimpedantie van de op-amp gedeeld wordt door dezelfde factor.

Experimenteer mee met deze cursus!

U kunt de experimenten die in deze cursus worden beschreven zélf uitvoeren.
Daarvoor moet u echter eerst onze 'analoge trainer' nabouwen.
De uitgebreide beschrijving van de zelfbouw van dit apparaat treft u aan op de onderstaande link:

Hobby-lab: bouw een analoge trainer

De bufferversterker op de 741 experimenteerprint
U kunt deze schakeling op de onderstaande manier op de 741 experimenteerprint opbouwen.

Verklaring van de werking

Versterkingsfactor van één
Hoe kunnen we dit gedrag verklaren? Hoe is die ontzettend hoge versterkingsfactor van 200.000 door één simpele doorverbinding tussen de in- en de uitgang teruggebracht tot 1? Dat is fysisch het gemakkelijkst aan te tonen door even te veronderstellen dat de op-amp erg traag werkt, of met ander woorden dat een spanning op de ingang niet dadelijk een spanning op de uitgang tot gevolg heeft. Als u dan opeens een spanning van bijvoorbeeld +1 V op de positieve ingang aansluit, dan zal de uitgang eerst nog even nul blijven. Dat is dan ook de spanning op de negatieve ingang. Er ontstaat dus een spanningsverschil tussen de beide ingangen van niet minder dan 1 V, de op-amp gaat zijn volle 200.000 eenheden versterkingsfactor op dat spanningsverschil loslaten. De uitgangsspanning stijgt erg snel. Deze spanningsstijging vindt u echter dadelijk terug op de negatieve ingang. Het gevolg is dat het spanningsverschil tussen de beide ingangen steeds kleiner wordt. Op een bepaald moment is de uitgangsspanning gestegen tot bijna +1 V. Dan ontstaat er een spanningsverschil tussen de positieve en negatieve ingang van een fractie van een volt. Deze vrijwel onmeetbaar kleine spanning levert, na versterking met 200.000, een uitgangsspanning op die op een haar na gelijk is aan de spanning op de ingang.

Niet écht gelijk aan één
Uit deze bespreking valt af te leiden dat de versterking niet echt exact 1 is, maar een haartje minder. Die zeer kleine verschilspanning zorgt immers voor de stabiele toestand van de schakeling. Waarom zegt men dan toch steeds dat een buffer een versterking van 1 heeft? Omdat de afwijking werkelijk verwaarloosbaar is. Officieel is de spanningsversterking van een buffer gelijk aan:
A'= A/(1+A)
waarin A' de versterking van de bufferversterker is en A de versterking van de op-amp zélf. Vul deze formule maar eens in voor een 741 met zijn A van 200.000:
A'= 200.000/(1+200.000)
A'= 200.000/200.001
A'= 0,99999999....
Een muggenzifter, die daar geen 1 van wil maken!

Geen spanningsverschil tussen de ingangen
Uit deze bespreking volgt een zeer belangrijke eigenschap van op-amp's. Een schakeling waarin een op-amp zit zal steeds streven naar een minimaal spanningsverschil tussen de twee ingangen van de op-amp. Omdat dit spanningsverschil niet eens echt meetbaar is, zegt men dat een op-amp er steeds voor zorgt dat zijn twee ingangen op dezelfde spanning komen te staan. Alle schakelingen rond op-amp's kunnen met deze eenvoudige regel worden verklaard.

Samenvatting

In onderstaande figuur, tenslotte, zijn alle eigenschappen van een bufferversterker met een op-amp overzichtelijk gegroepeerd. De symbolen met accent duiden op eigenschappen van de totale schakeling, de symbolen zonder accent op eigenschappen van de op-amp zélf.