|
Ondanks de digitale revolutie speelt de analoge elektronica nog steeds een belangrijke rol. U kunt geen elektronisch apparaat bedenken of er zit nog steeds een stuk analoge elektronica in. En de kans is groot dat de ontwerpers van die elektronica minstens een paar operationele versterkers in het ontwerp hebben toegepast. |
De definitie van een operationele versterker
Wat is een operationele versterker?
Een operationele versterker, meestal afgekort tot op-amp, is een geïntegreerde schakeling (chip), opgebouwd uit weerstanden, dioden, transistoren en soms een condensatortje, die door haar interne structuur ideaal is voor het versterken van spanningen. Naast de noodzakelijke voedingsaansluitingen en enige hulpaansluitingen heeft een op-amp steeds twee ingangen en één uitgang. Een ingang noemt men de niet-inverterende of positieve ingang, de ander is de inverterende of negatieve ingang.
Verschilversterker
Een op-amp is in wezen een verschilversterker: hij versterkt het spanningsverschil dat optreedt tussen zijn beide ingangen.
Het symbool van een op-amp
Het symbool van een operationele versterker is voorgesteld in onderstaande figuur. De driehoek verwijst naar de versterkende eigenschap van het onderdeel. Belangrijk zij de twee ingangen en de ene uitgang. Soms worden ook de negatieve en positieve voedingsaansluitingen -Ub en +Ub ingetekend, maar net zoals bij digitale schakelingen wordt dat vaak niet gedaan om een schema niet nodeloos gecompliceerd te maken.
 |
| Het symbool van een operationele versterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
Grootheden van een op-amp
Inleiding
Een operationele versterker wordt gekenmerkt door een aantal grootheden, die schematisch voorgesteld worden in onderstaande figuur.
 |
| De belangrijkste grootheden van een operationele versterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
Op de eerste plaats krijgt u te maken met de versterkingsfactor A, een grootheid die aanduidt hoe vaak de op-amp het spanningsverschil tussen beide ingangen versterkt. De waarde van de versterkingsfactor van de op-amp zélf, die men vaak de open-lus versterkingsfactor noemt, dus de versterking zonder beïnvloeding van schakelingen rond het onderdeel, is zeer groot. Hoe groter, hoe beter en vandaar dat er op-amp's in de handel zijn die liefst een miljoen maal versterken! Een standaard op-amp, zoals de 741, is wat bescheidener: zijn open-lus versterking ligt rond de 200.000. Dat is een onvoorstelbaar grote waarde: een spanningsverschil van 1 mV tussen de ingangen zou theoretisch tot een uitgangsspanning van 200 V leiden, als de op-amp dergelijke spanningen zou kunnen opwekken! In de praktijk moet u dan ook meestal maatregelen treffen om de versterking van de schakeling aan banden te leggen.
De ingangsimpedantie Zi
De tweede belangrijke grootheid is de ingangsimpedantie, voorgesteld door Zi. Dat is de schijnbare weerstand die men tussen de beide ingangen aanwezig acht. Het heeft geen zin een ohmmeter aan te sluiten, de genoemde grootheid is wél aanwezig, maar niet met een dergelijke methode te meten. Zi is dan ook niet onder de vorm van een weerstandje in het IC aanwezig, maar is het resultaat van de werking van de ingangstrap van de schakeling. De ingangsimpedantie bepaalt wel de 'last', die voorgaande schakelingen van het onderdeel ondervinden. Is Zi laag, dan zal de op-amp een grote stroom trekken uit de voorgaande schakeling, hetgeen natuurlijk niet zo ideaal is. Vandaar dat ook deze grootheid van op-amp's zo groot mogelijk moet zijn. Tegenwoordig maakt men operationele versterkers met een Zi van 15.000 MΩ. Dat zijn de zogenaamde BiMOS versterkers, opgebouwd met FET's aan de ingang. Een bekende op-amp als de 741 is ook hier vrij bescheiden: de ingangsimpedantie is 'slechts' 2 MΩ.
De uitgangsweerstand Ro
Een laatste belangrijke grootheid is de uitgangsweerstand Ro. Ook dit is een schijnbare weerstand, dus niet als dusdanig aanwezig, maar zich uitend als de uitgang van het IC wordt belast. Deze belasting, bijvoorbeeld een volgende trap, vraagt stroom van de op-amp en het gevolg is dat over de Ro een spanning valt. De uitgangsspanning van de op-amp daalt. Hoe lager de uitgangsweerstand, hoe kleiner de spanningsdaling en hoe minder problemen er kunnen ontstaan. Vandaar de eis dat Ro zo laag mogelijk moet zijn. Voor de 741 geldt een waarde van 75 ohm.
Samenvatting
Samengevat kunt u besluiten dat een operationele versterker wordt bepaald door:
- Zijn versterkingsfactor A, die zo groot mogelijk moet zijn.
- Zijn ingangsimpedantie Zi, die ook zo hoog mogelijk moet zijn.
- Zijn uitgangsweerstand Ro, die zo laag mogelijk moet zijn.
De voeding van een op-amp
Symmetrische voeding
Meestal wordt een op-amp symmetrisch gevoed. Dat wil zeggen dat u op de positieve voedingsaansluiting +Ub een positieve spanning ten opzicht van de massa aansluit en op de negatieve voedingspen -Ub een negatieve spanning ten opzicht van massa. Beide spanningen zijn in absolute waarde even groot. Typisch waarden zijn ±12 V of ±15 V. Onder invloed van de spanningen op de ingangen kan de uitgang van de op-amp variëren tussen de beide voedingsspanningen, men spreekt dan van een symmetrische uitsturing van de versterker.
De aansturing van een op-amp
Vier verschillende methoden
Uit het feit dat een op-amp twee ingangen heeft, volgt dat u de schakeling op vier verschillende manieren kunt aansturen.
- Als de negatieve ingang met de massa wordt verbonden en het te versterken signaal aan de positieve ingang wordt aangeboden, dan zal de uitgang in fase met de ingangsspanning variëren. Als de ingangsspanning stijgt, dan zal ook de uitgangsspanning stijgen.
- Legt u de positieve ingang aan de massa en voert u het ingangssignaal toe aan de negatieve ingang, dan zal de uitgangsspanning in tegenfase zijn met de ingang. Stijgt de ingangsspanning, dan zal de uitgangsspanning dalen.
- Een derde sturing gaat uit van de gelijke spanningen op beide ingangen. Omdat de op-amp een verschilversterker is en er in dat geval geen spanningsverschil tussen beide ingangen bestaat, zal de uitgang geen signaal leveren.
- De vierde sturing gaat uit van tegengestelde signalen op beide ingangen. Als de spanning op de positieve ingang stijgt, dan zal tegelijkertijd de spanning op de negatieve ingang dalen. Het spanningsverschil tussen de ingangen is dan steeds maximaal en zo zal het ook gesteld zijn met de uitgangsspanning.
 |
| De vier aansturingsmethoden van een operationele versterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
Terugkoppeling bij een op-amp
Grote open-lus versterking aan banden leggen
Uiteraard zijn de getekende schakelingen zeer sterke vereenvoudigingen. Als u de op-amp zó gebruikt, dan zal door de grote versterkingsfactor de uitgang bij het geringste spanningsverschil tussen de ingangen vastlopen tegen een van de voedingsspanningen. Praktische versterkerschakelingen met operationele versterkers zijn alleen mogelijk door het inlassen van terugkoppelingen. Door weerstanden tussen de uitgang en de negatieve ingang kunt u de A van de op-amp terugbrengen tot bruikbare waarden.
De offset van operationele versterkers
Een theoretisch experiment
In de vorige paragraaf stelden we dat een op-amp niet versterkt, als beide ingangen dezelfde spanning voeren. Een dergelijk experiment kunt u in gedachten even uitvoeren volgens onderstaand schema. U kunt beide ingangen van een op-amp met de massa verbinden, zodat er gegarandeerd geen spanningsverschil tussen deze ingangen aanwezig is. Toch staat er een grote spanning op de uitgang!
 |
| Een gedachtenexperiment dat mislukt. (© 2017 Jos Verstraten) |
Een zeer slechte eigenschap van operationele versterkers speelt u bij dit experiment parten: de offset. Kijk even naar onderstaande figuur, een vereenvoudigde voorstelling van de ingangstrap van een op-amp. Twee transistoren T1 en T2 zijn geschakeld als verschilversterker, dus met gemeenschappelijke emitteraansluiting. De basis van de ene vormt de positieve ingang van de op-amp, de basis van de andere de negatieve ingang. Beide transistoren geleiden, dus tussen de basis en de emitter staat de normale geleidingsspanning Ube van ongeveer 0,7 V.
 |
| De verklaring van het offset-verschijnsel. (© 2017 Jos Verstraten) |
legt, dan denkt de op-amp dat de positieve ingang op een spanning staat van Ube1 en de negatieve op een spanning van Ube2. Het geringste verschil tussen beide grootheden wordt 200.000 maal versterkt en leidt tot het volledig positief of negatief uitsturen van de schakeling. Vandaar de +10 V of -8 V aan de uitgang van de op-amp.
Offset compensatie
De offset is zeer ongewenst en vandaar dat vrijwel alle op-amp's twee aansluitingen hebben, waarop u een instelpotentiometertje kunt aansluiten en waarmee u die offset kunt compenseren.
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
Het eerste experiment
In een vorige paragraaf stelden we dat een op-amp niet versterkt als beide ingangen dezelfde spanning voeren. Dat kunt u even uitproberen op de analoge trainer, door bijvoorbeeld beide ingang met de massa te verbinden. De bedrading op het experimenteerprintje volgt uit onderstaande figuur. Tussen de soldeerlipjes A, F, D. H en I soldeert u draadjes, de ingangen 1 en 4 gaan naar de massa-aansluitingen. Een van de drie meters sluit u aan op uitgang 5, de meterschakelaar staat op 10 V. Als u nu de trainer inschakelt stelt u vast dat de naald van de meter in de hoek vliegt. De uitgangsspanning van de schakeling is niet nul, zoals het zou horen, maar ongeveer +10 V of -8 V. Dat is het gevolg van de reeds besproken offset van de op-amp. Op de rand van de experimenteerprint hebben we een offsetcompensatie opgenomen. Draai voorzichtig aan dit potentiometertje. Op een bepaald moment vliegt de naald van de meter van de ene hoek van de schaal maar de andere. Dat punt is de goede instelling van de offsetcompensatie. Het is het overgangspunt van een positieve offset naar een negatieve. Dat u de uitgang van het IC niet op nul kunt regelen is logisch. Zelfs een rest-offset van een fractie van een mV wordt 200.000 maal versterkt en stuurt de uitgang van de schakeling naar een van de voedingsspanningen.
Als u in de volgende experimenten leert hoe u de grote open-lus versterking kunt temperen, zult u merken dat het compenseren van de offset in de praktijk heel soepel verloopt.
 |
| Het eerste experiment, waarmee u het begrip offset leert kennen. (© 2017 Jos Verstraten) |
Om u een indruk te geven wat deze cursus inhoudt geven wij u hier een kort overzicht van de schakelingen die u leert ontwerpen:
- De op-amp als bufferversterker
- De op-amp als inverter
- De op-amp als inverterende versterker
- De op-amp als niet-inverterende versterker
- De op-amp als mengversterker
- De op-amp als verschilversterker
- De op-amp als integrator
- De op-amp als differentiator
- De op-amp als comparator
- De op-amp als comparator met hysteresis
- De op-amp als functiegenerator
- De op-amp als niet-lineaire versterker
- De op-amp als vensterdiscriminator
- De op-amp als slope-detector
- De op-amp als ideale diode
- De op-amp als dubbelzijdige gelijkrichter
- De op-amp als nauwkeurige gelijkrichter
- De op-amp als topdetector
- De op-amp als ideale topdetector
- De op-amp als clampschakeling
- De op-amp als sinusgenerator
- De op-amp als rechthoekgolf generator
- De op-amp als flip-flop
- De op-amp als delay
- De op-amp als monostabiele multivibrator
- De op-amp als poort
- De op-amp als tiptoets
- De op-amp als trapspanningsgenerator
- De op-amp als anti-rimpel filter
|
|