|
Een Operational Transconductance Amplifier (OTA) is een speciale op-amp met een stroombron in de uitgang. Deze eigenschap maakt een OTA uitermate geschikt voor allerlei analoge toepassingen.
|
Kennismaking met de OTA
Een rijke historie
In de gloriedagen van de analoge techniek waren OTA's zeer gewilde componenten die veel toepassingen vonden in analoge versterkerschakelingen. Bekende IC-fabrikanten zoals RCA, Harris, NatSemi en Intersil brachten diverse schakelingen op de markt die beroemd werden en ingezet werden als basis van spanningsgestuurde versterkers, idem filters en zelfs gyratoren. Helaas zijn de meeste van deze schakelingen verdwenen. Gelukkig is de bekendste OTA ooit gefabriceerd, de CA3080 of LM3080, nog steeds goed leverbaar via de meeste onderdelenleveranciers. Bovendien is er van dit IC een kloon op de markt verschenen, de NTE996, die u via de bekende kanalen op internet kunt bestellen.
Het is dus zeker de moeite waard deze oude analoge schakeling weer eens onder de aandacht te brengen. In dit artikel beschrijven wij de interne structuur en de eigenschappen van een OTA. In een afzonderlijk artikel zullen wij de praktische toepassingen van deze schakeling bespreken:
Lab-tips: CA3080 en NTE996 OTA's.
De OTA, Operational Transconductance Amplifier
De OTA, de 'Operational Transconductance Amplifier', behoort tot de familie der operationele versterkers. In grote lijnen heeft een OTA dezelfde eigenschappen als een gewone op-amp. Twee ingangen, één uitgang, twee voedingsaansluitingen en een symbool dat in grote lijnen op dat van een gewone op-amp lijkt. Dat symbool is getekend in de onderstaande figuur.
 |
| Het symbool van een OTA. (© 2019 Jos Verstraten) |
Het voornaamste schakeltechnische verschil tussen een gewone operationele versterker en een OTA is een stroombron, die in serie staat tussen de uitgang van de operationele versterker en de uitgang van de schakeling. Deze stroombron heeft een stuuringang Iabc, hetgeen er op wijst dat deze stroombron programmeerbaar is. De OTA levert dus een stroom aan de belasting, dit in tegenstelling tot een operationele versterker die een uitgangsspanning aflevert. En net zoals een operationele versterker zowel positieve als negatieve uitgangsspanningen kan leveren, kan een OTA positieve en negatieve stromen leveren.
Source en sink
Als de OTA een positieve stroom levert, zal de stroom vanuit de uitgang van de 0TA naar de belasting vloeien. Men spreekt in dit geval van een 'current source', een stroombron. Als de OTA een negatieve stroom levert, dan zal de uitgang van de schakeling stroom vragen van de belasting. Men spreekt in dit geval van een 'current sink', letterlijk vertaald een stroom gootsteen.
De grootte van de uitgangsstroom
De grootte van de uitgangsstroom hangt van een aantal factoren af.
- Het spanningsverschil tussen beide ingangen
Hoe groter dit spanningsverschil, hoe groter de stroom die de OTA levert of opneemt. De richting van de stroom wordt bepaald door de polariteit van de ingangsspanningen. Is de spanning op de niet-inverterende ingang groter dan de spanning op de inverterende ingang, dan zal de OTA een stroom aan de belasting leveren. In het omgekeerde geval zal de schakeling een stroom van de belasting opnemen. - De 'Amplifier Bias Control'-stroom
De uitgangsstroom wordt ook bepaald door de grootte van de Iabc, de 'Amplifier Bias Control'-stroom. Dat is logisch, want deze stuuringang werkt rechtstreeks in op de stroombron in de uitgangskring van de schakeling. - Een constante factor
De uitgangsstroom wordt ook nog bepaald door een constante factor X, die bij vele OTA's (maar niet bij alle) gelijk is aan 19,2.
Iuit = X ● Iabc ● ∆Uin
De transconductantie
De 'transconductantie' van een OTA is een belangrijke eigenschap van de schakeling. Deze grootheid, die wordt voorgesteld door gm, is gelijk aan het product van de reeds genoemde constante factor X en de Iabc. In formulevorm:
gm = X ● Iabc
De transconductantie noemt men in het Nederlands de 'geleidingsoverdracht' of 'steilheid' van de schakeling. Deze factor wordt uitgedrukt in Mho (de omgekeerde Ω, dus 1/Ω of Ω-1) of in Siemens, S.
De uitgangsstroom kan ook voorgesteld worden door de uitdrukking:
Iuit = gm ● ∆Uin
Uit de formule voor gm mag u overigens niet afleiden dat het verband tussen gm en Iuit over een onbeperkt bereik lineair is. Een belangrijke eigenschap van iedere OTA is het aantal decaden in gm-variatie, waarbinnen dit lineaire bereik geldig is. Voor een populaire OTA als de CA3080 geldt dit lineaire bereik over drie decaden.
De uitgangsimpedantie
Een ander belangrijk verschil tussen een OTA en een gewone operationele versterker is de uitgangsimpedantie. Bij een gewone op-amp streeft men er naar de uitgangsimpedantie zo laag mogelijk te maken. Een OTA is echter een stroombron en een stroombron heeft per definitie een zeer hoge inwendige weerstand. De uitgangsimpedantie van een OTA is bovendien niet constant, maar afhankelijk van de uitgangsstroom die geleverd wordt.
Bij de reeds genoemde CA3080 wordt het verband tussen gm en Iabc gegeven door de factor 19,2. Een stuurstroom van 10 μA heeft dus een gm van 192 μS tot gevolg. Bij deze transconductantie zal de uitgangsimpedantie van de schakeling gelijk zijn aan niet minder dan 700 MΩ! Bij een stuurstroom van 1 mA wordt de waarde van gm gelijk aan 19,2 mS en daalt de uitgangsimpedantie van de OTA tot 7 MΩ.
Een gevoelige uitgang
Uit deze eigenschap kunt u afleiden dat u zeer voorzichtig moet omgaan met de uitgang van een OTA. De zeer hoge impedantie op dat punt kan in de praktijk tot grote problemen leiden. Zo zal het duidelijk zijn dat de uitgang van een OTA zeer gevoelig is voor het oppikken van stoorsignalen zoals brom. In de meeste gevallen moet u dan ook de uitgang van de OTA zo dicht mogelijk bij de uitgangspen afsluiten met een bufferversterker, die de uitgangsimpedantie van de schakeling reduceert of de uitgangsstroom omzet in een uitgangsspanning.
Samenvatting
Aan de hand van de bespreking van de eigenschappen van een OTA kunt u de werking van de schakeling als volgt samenvatten: een OTA is een schakeling die een stroom levert aan de belasting, waarbij de waarde van deze stroom afhankelijk is van het spanningsverschil tussen beide ingangen en van de grootte van een stuurstroom Iabc.
Spanningen op de ingangen
Een derde verschil tussen een gewone operationele versterker en een OTA is het gedrag van de ingangen. Bij een gewone op-amp hebben de ingangen een zo hoog mogelijke impedantie en kunt u bij sommige toepassingen spanningsverschillen van volts tussen de ingangen zetten. Een OTA heeft echter tamelijk laagohmige ingangen en bovendien mag u niet meer dan 20 mV spanningsverschil tussen de twee ingangen aanbrengen. Dat betekent dat u in de meeste gevallen moet werken met zeer laagohmige spanningsdelers aan de ingangen, die de te verwerken spanningen eerst tot het mV-bereik terug brengen.
Ingangsimpedantie
Een tweede belangrijke eigenschap van de ingangen van OTA's is dat de ingangsimpedantie in grote mate afhankelijk is van de waarde van de stuurstroom Iabc. Voor een CA3080 varieert de ingangsimpedantie bijvoorbeeld tussen 10 MΩ en 10 kΩ voor een Iabc tussen 100 nA en 1 mA.
Toepassingen van OTA's
Bij een eerste kennismaking lijken OTA's helemaal niet zo'n interessante onderdelen. Wat hebt u immers aan schakelingen die nauwelijks aangestuurd kunnen worden en die bovendien een zeer hoge uitgangsimpedantie hebben? Voor een heleboel toepassingen hebt u inderdaad niets aan een OTA. Maar er zijn net zoveel toepassingen waarvoor die bijzondere eigenschappen zeer waardevol zijn. Sterker nog, dat zijn toepassingen die zonder gebruik te maken van een OTA maar heel moeilijk te realiseren zijn.
Een paar voorbeelden waar OTA's op hun plaats zijn:
- Spanningsgestuurde versterkers.
- Spanningsgestuurde filters.
- Spanningsgestuurde oscillatoren.
- Analoge vermenigvuldigers.
- Driehoek naar sinus omzetters.
- Sample and hold schakelingen.
- Amplitude-modulatoren.
Interessante analoge basisschakelingen, waar u als hobbyist heel wat uren mee kunt experimenteren.
De interne schakeling van een OTA
Inleiding
Voor het in de praktijk kunnen werken met een OTA hebt u inzicht nodig in de werking van de schakeling. In dit hoofdstuk zullen wij daarom vrij diepgaand ingaan op de manier waarop men OTA's ontwerpt. Een van de basisschakelingen die gebruikt worden is een 'stroomspiegel'. Vandaar wordt deze theoretische bespreking dan ook begonnen met het verklaren van dit begrip.
De stroomspiegel
Een stroomspiegel, in het Engels 'current mirror' genoemd, is een schakeling die een bepaalde extern vastgestelde stroom I1 op de ingang aangeboden krijgt en op de uitgang een even grote tweede stroom I2 opwekt. Deze tweede stroom staat echter helemaal los van de eerste stroom en kan naar een willekeurig punt van een schakeling gevoerd worden, zonder dat de ingangsstroom daardoor beïnvloed wordt. U kunt een stroomspiegel dus een stroomtrafo noemen met een een-op-een verhouding tussen primaire en secundaire kant. Het symbool van een stroomspiegel is voorgesteld in de onderstaande figuur. Uit het feit dat er twee symbolen bestaan kunt u afleiden dat er stroomspiegels bestaan die stromen sourcen en stroomspiegels bestaan die stromen sinken. Wél geldt steeds dat de in- en de uitgangsstromen in dezelfde richting vloeien: dus van de stroomspiegel naar de buitenwereld of van de buitenwereld naar de stroomspiegel.
 |
| Het symbool van een stroomspiegel. (© 2019 Jos Verstraten) |
De basisschakeling van een stroomspiegel is getekend in de onderstaande figuur. De drie transistoren worden verondersteld volledig identieke eigenschappen te hebben, hetgeen met de moderne integratietechnieken niet zo'n groot praktisch probleem is.
De werking van de schakeling berust op het feit dat er een bepaald verband bestaat tussen de basis/emitter-spanning van een transistor en de collectorstroom. Dat verband is exponentieel en kan als volgt in formulevorm uitgedrukt worden:
Ic = cte ● e[Ube ● Ut]
In deze formule is:
- Ic de collectorstroom van de transistor.
- cte een constante afhankelijk van de eigenschappen van de transistor.
- Ube de basis/emitter-spanning;
- Ut een spanning die bepaald wordt door de temperatuur.
- Het getal e wordt ook de constante van Neper (Napier) genoemd.
Als twee transistoren uit hetzelfde materiaal gemaakt zijn en op dezelfde temperatuur staan, dan zijn de factoren cte en Ut identiek.
U kunt dus besluiten dat als u aan identieke transistoren gelijke Ube-spanningen aanlegt er gelijke collectorstromen zullen vloeien.
 |
| De basisschakeling van een stroomspiegel. (© 2019 Jos Verstraten) |
Aan de hand van deze wetenschap kunt u met wat eenvoudige formules aantonen dat de stromen I1 en I2 identiek zijn. In het schema hebben de transistoren T1 en T2 identieke basis/emitter-spanningen. U kunt dus aannemen dat de twee collectorstromen even groot zijn:
Ic1 = Ic2
Vervolgens kunt u in het schema een aantal stroomvergelijkingen opstellen aan de hand van de Wet van Kirchoff. Deze wet zegt dat de som van de stromen die naar één punt vloeien gelijk is aan de som van de stromen die uit dat punt wegvloeien. Meer informatie over deze wet treft u aan in een ander artikel op dit blog:
Theorie: schakelingen met weerstanden
Dus:
Ic1 = I1 - Ib3
Ic2 = Ic3 + Ib3 - Ib1 - Ib2
Omdat:
Ic1 = Ic2
kunt u deze formules vereenvoudigen tot:
I1 - Ib3 = I2 + Ib3 - Ib1 - Ib2
Vanwege de identieke eigenschappen van alle drie de transistoren kunt u de basisstromen aan elkaar gelijk stellen:
Ib1 = Ib2 = Ib3 = Ib
De formule kan dan nog meer vereenvoudigd worden tot:
I1 - Ib = I2 + Ib - Ib - Ib
of:
I1 - Ib = I2 - Ib
of:
I1 = I2
Waarmee wordt bewezen wordt dat de basisschakeling van een OTA, de stroomspiegel, voldoet aan de gestelde eigenschap van stroomtransformatie met een verhouding van 1 op 1.
Twee gecombineerde stroomspiegels
In de onderstaande figuur zijn twee stroomspiegels in serie geschakeld. De bovenste CM1 is een stroom-source, de onderste CM2 is een stroom-sink. U kunt nu gemakkelijk aantonen dat het met deze schakeling mogelijk is een stuurstroom die in één richting vloeit om te zetten in een uitgangsstroom die in twee richtingen kan vloeien.
Dat komt al aardig in de buurt van de voornaamste eigenschap van een OTA!
 |
| Twee stroomspiegels vormen de basis van het interne schema van een OTA. (© 2019 Jos Verstraten) |
Stelt u de stuurstroom in op 10 mA, dan zal de onderste stroomspiegel 10 mA uit de buitenwereld trekken. Van deze 10 mA wordt 5 mA geleverd door de bovenste stroomspiegel. De ontbrekende 5 mA moet geleverd worden door de op de schakeling aangesloten belasting (groene pijltjes).
Als u dus de stuurstroom langzaam varieert van 0 mA naar 10 mA, dan zal de uitgang van de schakeling eerst een stroom van 5 mA leveren. Naarmate de stuurstroom stijgt zal de uitgangsstroom afnemen. Als de stuurstroom gelijk is aan 5 mA is de uitgang volledig stroomloos. Nadien gaat de uitgang geen stroom meer leveren, maar stroom opeisen van de belasting. In het uiterste geval (stuurstroom 10 mA) trekt de uitgang 5 mA vanuit de belasting.
Het basisschema van een OTA
In de onderstaande figuur is het basisschema van een OTA getekend. De twee ingangen -IN en +IN gaan, net zoals bij een gewone operationele versterker, naar de twee basissen van een verschilversterker. Transistor T1 stuurt de ingang van de stroomspiegel CM-A, transistor T2 stuurt de ingang van CM-B. CM-A levert op zijn beurt de ingangsstroom voor de stroomspiegel CM-D. Deze vormt, samen met CM-B, het reeds beschreven systeem dat zowel positieve als negatieve uitgangsstromen kan leveren. De stuuringang Iabc van de OTA levert de ingangsstroom voor de vierde stroomspiegel CM-C.
 |
| Het basisschema van een OTA. (© 2019 Jos Verstraten) |
De werking van de schakeling kan als volgt worden samengevat. De stuurstroom Iabc legt de grootte van de somstroom van de beide ingangstransistoren vast. Deze somstroom verdeelt zich tussen de twee ingangstransistoren. De verdeling is afhankelijk van de spanningsverhouding tussen beide ingangen. Staan beide ingangen op dezelfde spanning, dan zal de stroom zich keurig in twee even grote delen splitsen. De collectorstromen zijn dan aan elkaar gelijk.
Het is gemakkelijk in te zien dat in dit specifieke geval de volgende stroomgelijkheden in de schakeling gelden:
Ic1 = I'c1 = I''c1
en:
Ic1 = Ic2 = I'c2
Uit deze beide vergelijkingen kunt u afleiden dat:
I''c1 = I'c2
Besluit
Als beide ingangsspanningen even groot zijn, dan wordt de door stroomspiegel CM-B geleverde stroom volledig opgenomen door stroomspiegel CM-D.
Spanningsverschil tussen de ingangen
Deze situatie verandert als er een spanningsverschil ontstaat tussen beide ingangen. Stel dat de niet-inverterende ingang positiever wordt dan de inverterende ingang. De collectorstroom van T2 wordt dan groter dan deze van T1. Het gevolg is dat I'c2 groter wordt dan I''c1. De stroomspiegel CM-B levert meer stroom dan de stroomspiegel CM-D kan opnemen en het restant van de stroom vloeit al naar de belasting van de OTA.
Op dezelfde manier kunt u aantonen dat in het omgekeerde geval (spanning op niet-inverterende ingang kleiner dan spanning op inverterende ingang) de stroomspiegel CM-D meer stroom vraagt dan stroomspiegel CM-B kan leveren. De schakeling vraagt dan een stroom van de belasting.
Algemeen besluit
De conclusie van deze werkingsbespreking is dat de gestelde formule, die het verband geeft tussen de uitgangsstroom, het spanningsverschil tussen de ingangen en de stroom Iabc klopt.
De ingangstrap
Zoals uit het voorgaande volgt berust de werking van de schakeling op de verdeling van de stroom, die door CM-C wordt geleverd, tussen T1 en T2. In de grafiek van de onderstaande figuur is deze stroomverdeling grafisch weergegeven in functie van het spanningsverschil tussen beide ingangen. Als het spanningsverschil 0 V is, zal de stroom zich keurig in twee even grote delen verdelen. Naarmate het spanningsverschil tussen beide ingangen stijgt, zal een van de collectorstromen steeds dichter bij nul komen en de tweede uiteraard steeds dichter bij de maximale waarde Iabc. Deze grenswaarden worden reeds bij een spanningsverschil van ongeveer 20 mV bereikt! Uit de grafiek kunt u verder afleiden dat er maar een klein gebied rond de nul bestaat, waar het verband tussen het spanningsverschil en de stroomverdeling lineair is. Dit gebied is niet groter dan ongeveer ±10 mV. Vandaar dat reeds eerder in dit verhaal werd opgemerkt dat u het spanningsverschil tussen beide ingangen tot maximaal 20 mV moet beperken.
 |
| De stroomverdeling tussen beide ingangstransistoren in functie van het spanningsverschil. (© 2019 Jos Verstraten) |
De stroomspiegel CM-C vormt de basis van het schema van een OTA. Deze stroomspiegel bepaalt immers hoe de stuurstroom Iabc in het IC wordt verwerkt. Om in de praktijk met een OTA te kunnen werken is het noodzakelijk enig inzicht te hebben in de manier waarop deze stroomspiegel is samengesteld. Het praktische schema is getekend in de onderstaande figuur.
Tussen de negatieve voedingsaansluiting van het IC en de Iabc-ingang staat de als diode geschakelde transistor T4. Over een geleidende diode valt een spanning van ongeveer 0,65 V. De spanning op de stuuringang van de OTA staat dus steeds op een spanning die slechts 0,65 V positiever is dan de negatieve voedingsspanning! Als de OTA gevoed wordt uit een symmetrische voeding van ±12 V, zal de Iabc-ingang op een spanning staan van ongeveer -11,35 V. Het zal duidelijk zijn dat dit een zeer belangrijk gegeven is, waar u bij het ontwerpen van OTA-schakelingen terdege rekening mee moet houden. Ook zal het duidelijk zijn dat u het IC heel snel kunt beschadigen door een te grote stroom in de Iabc-ingang te sturen. De als diode geschakelde transistor gaat dan stuk. U mag ook nooit rechtstreeks een spanning op deze ingang zetten! De lage impedantie van de geleidende diode trekt dan een zeer grote stroom en de chip van de OTA smelt.
 |
| Het praktische schema van de stroomspiegel CM-C. (© 2019 Jos Verstraten) |
Genereren van de Iabc
Inleiding
De grootte van de stuurstroom Iabc bepaalt de werking van een OTA in belangrijke mate. Aan het opwekken van deze stroom moet u dan ook de nodige aandacht besteden. Er bestaan verschillende systemen voor, van eenvoudig tot ingewikkeld. In de volgende paragrafen zullen deze systemen een na een in het kort worden besproken.
Instellen op een vaste waarde
Het meest eenvoudige systeem voor het instellen van de stuurstroom is een weerstand aan te brengen tussen de massa en de Iabc-ingang. Dit schema is getekend in de onderstaande figuur. Over de weerstand Rabc staat een spanning die 0,65 V kleiner is dan de negatieve voedingsspanning. Aan de hand van deze wetenschap en de gewenste Iabc kunt u de waarde van de weerstand berekenen. Let op dat deze weerstand naar de massa gaat!
 |
| Het instellen van de stuurstroom op een vaste waarde. (© 2019 Jos Verstraten) |
Met het in de onderstaande figuur getekende schema kunt u de stuurstroom instelbaar maken. Staat de loper van de potentiometer aan de -Ub, dan is de stuurstroom uiteraard gelijk aan nul. De transconductantie van de OTA is dan ook nul, met als gevolg ook de uitgangsstroom. Naarmate u de loper naar de massa verplaatst neemt de stuurstroom toe en daarmee ook de uitgangsstroom van de OTA.
 |
| Het instellen van de stuurstroom met een potentiometer. (© 2019 Jos Verstraten) |
In de meeste schakelingen waar u 'iets' moet regelen zal een stuurspanning beschikbaar zijn. U kunt deze stuurspanning volgens het schema van de onderstaande figuur omzetten in een stuurstroom voor de OTA. De waarde van de stuurspanning moet liggen tussen de waarde van de negatieve voedingsspanning en de massa. De waarde van de weerstand wordt berekend aan de hand van de minimale waarde van de stuurspanning en de maximale waarde van de gewenste Iabc.
Bij het werken met dit systeem mag u niet vergeten dat tussen de Iabc-ingang en de negatieve voeding intern een diode staat. De spanning op de linker aansluiting van de weerstand Rabc verloopt lineair van 0 naar -15 V. De spanning op de rechter aansluiting van de weerstand Rabc verloopt echter van -15 naar -14,35 V! Dit uiteraard als u de schakeling voedt met een spanning van ±15 V. Als de externe stuurspanning dus in de buurt van de negatieve voedingsspanning zit, zal er geen lineair verband bestaan tussen de spanning en de stroom. Voor sommige toepassingen is dat zeer vervelend, zo niet ontoelaatbaar.
De waarde van de stroom Iabc wordt gegeven door de uitdrukking:
Iabc = [Ub - 0,65 V - Ustuur] / R1
 |
| Het omzetten van een externe stuurspanning in een stuurstroom. (© 2019 Jos Verstraten) |
Het beste systeem voor het regelen van de stuurstroom van de OTA is getekend in de onderstaande figuur. Bij deze methode wordt uitgegaan van een spanningsgestuurde stroombron. De Iabc-ingang wordt gevoed door de transistor T1. In de emitter van deze transistor staat een stroomsensorweerstand R1. De spanning over deze weerstand wordt door een operationele versterker vergeleken met de externe stuurspanning Ustuur.
De werking van de schakeling is als volgt. De inverterende ingang van de operationele versterker wordt via de weerstand R4 ingesteld op 0 V. De operationele versterker zal er naar streven de spanning op de niet-inverterende ingang ook op 0 V in te stellen. De externe stuurspanning, in het voorbeeld +5 V, stuurt door de weerstand R4 een bepaalde stroom. Deze stroom kan alleen via de weerstand R2 afvloeien. De ingang van de operationele versterker heeft immers een zeer hoge weerstand. Over de weerstand R2 valt dezelfde spanning als over de weerstand R1. Het gevolg is dat de emitter van de transistor op een spanning van -5 V staat. De stroom IR1 door de emitterweerstand wordt dus alleen bepaald door de waarde van die weerstand en door de grootte van de stuurspanning. In formulevorm:
Iabc = Ustuur / R1
Als u de waarde van de basisstroom verwaarloost (hetgeen bij transistoren met een hoge versterkingsfactor zonder meer mag) is IR1 gelijk aan Iabc.
 |
| Het instellen van de Iabc met behulp van een stroombron. (© 2019 Jos Verstraten) |
Het voordeel van deze schakeling is dus dat er een absoluut lineair verband bestaat tussen de waarde van de externe stuurspanning en de waarde van de stuurstroom Iabc. Deze schakeling is dan ook de beste die u kunt bedenken voor het door middel van een stuurspanning regelen van de eigenschappen van de OTA.
De uitgangsschakelingen van de OTA
Inleiding
Zoals reeds geschreven levert een OTA een stroom aan de belasting of trekt een stroom uit de belasting. In de meeste praktische toepassingen kunt u echter niet erg veel aanvangen met een stroom. De meeste schakelingen wensen nu eenmaal aangestuurd te worden met een spanning in plaats van met een stroom. Vandaar dat u de uitgang van de OTA moet afsluiten met een schakeling die de stroom omzet in een spanning. Bovendien zal deze schakeling ook iets moeten doen aan de uitzonderlijk hoge uitgangsimpedantie van de OTA. Ook voor dit probleem bestaan verschillende oplossingen, die in de volgende paragrafen in het kort worden beschreven.
Afsluiten met een weerstand
De meest eenvoudige oplossing is uiteraard, zoals getekend in de onderstaande figuur, het afsluiten van de OTA met een weerstand naar de massa. De uitgangsstroom van de OTA vloeit af door de weerstand en bouwt over dit onderdeel een spanning op. De waarde van de uitgangsspanning is gelijk aan:
Uuit = Iuit ● R1
Vult u deze uitdrukking in de formule in die de overdrachtsverhouding van de OTA definieert, dan ontstaat:
Uuit = X ● Iabc ● ∆Uin ● R1
Aan de hand van deze uitdrukking kunt u de spanningsversterking van de OTA bepalen. De spanningsversterking Av is immers de verhouding tussen de uitgangsspanning en de ingangsspanning van een schakeling.
In dit geval is:
Av = Uuit / Uin
Av = X ● Iabc ● R1
In deze formule moet u de waarde van de stroom in mA en de waarde van de weerstand in kΩ invullen.
Zoals de meeste eenvoudige schakelingen heeft ook deze een belangrijk nadeel. Als de schakeling rond de OTA belast wordt met een tweede schakeling zal deze de uitgang van de OTA beïnvloeden. De ingangsimpedantie van deze schakeling staat immers parallel aan de belastingsweerstand R1 van de OTA. De uitgangsstroom van de OTA gaat nu gedeeltelijk afvloeien via deze ingangsimpedantie, met als gevolg dat de versterking daalt.
 |
| Het afsluiten van de uitgang van de OTA met een weerstand. (© 2019 Jos Verstraten) |
De bezwaren tegen het afsluiten met een weerstand kunt u ondervangen door een emittervolger aan de uitgang te koppelen. Een dergelijk schema is getekend in de onderstaande figuur. De twee weerstanden R1 en R2 vormen de primaire belasting van de OTA. De spanning die op het knooppunt van beide weerstanden ontstaat stelt de basis van de transistor T1 op een bepaalde spanning in. Deze spanning wordt door de transistorwerking overgezet naar de emitter. Over R3 staat een uitgangsspanning, die met een vrij lage impedantie ter beschikking staat van de volgende schakeling. Hoewel deze schakeling al veel beter is dan deze met een enkelvoudige weerstand, is zij toch niet geschikt voor nauwkeurige toepassingen. Dan gaat namelijk de temperatuursdrift van de transistor een te belangrijke rol spelen.
 |
| Het afsluiten van een OTA met een emíttervolger. (© 2019 Jos Verstraten) |
De meest ideale oplossing voor het afsluiten van een OTA is geschetst in de onderstaande figuur. De OTA wordt nu afgesloten met een operationele versterker, die geschakeld is als stroom-naar-spanning omzetter. De niet-inverterende ingang van de operationele versterker ligt aan de massa. De op-amp zal zich dus zo instellen dat ook de inverterende ingang aan de massa ligt. De uitgangsstroom van de OTA vloeit naar de inverterende ingang en kan vandaar alleen maar verder afvloeien via de weerstand R1.
De stroom wekt over deze weerstand een spanning op, waarvan de waarde te berekenen valt met de wet van Ohm. Omdat de linker aansluiting van de weerstand op massa-potentiaal staat, vindt u de spanningsval over de weerstand volledig terug op de uitgang van de operationele versterker. Vanwege de grote eigen versterking van deze schakeling zal de uitgangsspanning ter beschikking staan met een zeer lage uítgangsimpedantie. De belasting van de trap beïnvloedt de werking van de OTA nu niet meer, zodat de schakeling volledig geïsoleerd is van de volgende schakeling.
 |
| Het afsluiten van een OTA met een stroom-naar-spanning omzetter. (© 2019 Jos Verstraten) |
Koop uw sensor modules bij Amazon
