Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 4, Hoofdstuk 3, Paragraaf 3.3 Blz 209-212

Een operationele versterker is een actieve elektronische component, meestal in de vorm van een geïntegreerde schakeling, met een zeer hoge versterkingsfactor. Opamp-schakelingen worden in zeer veel toepassingen gebruikt. Lees daarom in dit artikel hoe een operationele versterker werkt en welke soorten er zijn.

De operationele versterker als ideale versterker

Operationele versterkers gaan een steeds belangrijkere plaats in de elektronica innemen. Je vindt ze in zowat alle schakelingen terug en niet alleen in zenders en ontvangers. Hun complexiteit neemt nog steeds toe, waardoor er ook minder externe componenten gebruikt moeten worden.

Het is verre van denkbeeldig dat in de toekomst volledige transceivers in één enkele opamp (operationele versterker) geperst kunnen worden. Natuurlijk zijn het dan verschillende basiselementen die in één chip en behuizing samengevoegd worden. Daarom is dit artikel belangrijk, vooral als je in de elektronica wenst te verdiepen.

basisbegrip

Elke operationele versterker heeft als bijzonderheid de differentiële opbouw van de ingangen. Het verschil tussen de ingang A en B wordt gebruikt om de versterker aan te sturen. Anders uitgedrukt: het gaat om een differentiële versterker.

De uitgang Vo wordt van beide collectoren afgenomen. De werking bij gelijksspanning: leggen we een spanningsverschil aan tussen de ingangen A en B, dan zullen Ic1 en Ic2 (collectorstromen) van elkaar verschillen. Het gevolg is een verschil van spanning op beide collectoren.

Je merkt duidelijk een spanningsverschil aan de uitgang als gevolg van dat verschil op de ingang,

Differentiële versterker getekend als operationele versterker met weerstanden en transistoren
Differentiële versterker

De operationele versterker

Je kan je wel voorstellen dat een concrete operationele versterker heel wat complexer is dan in bovenstaande afbeelding. De steeds groeiende complexiteit van schakelingen noodzaken tot een vereenvoudiging van de voorstelling.

Een opamp wordt daarom zoals in onderstaande afbeelding getekend. Wat er eigenlijk in zit is minder van belang voor ons, maar we moeten wel goed weten wat hij in een schema doet. Je kan het zien als een verdere stap in de actieve componenten.

Het symbool van een opamp zoals je hem kan tegenkomen in schakelingen
Symbool opamp

Voorstelling

Bij dit symbool zien we 2 ingangen waarvan de ”+” als niet-inverterende en ”-” als inverterende ingang is. Ter verduidelijking: de niet-inverterende ingang geeft aan de uitgang een signaal met DEZELFDE FASE als aan de ingang.

De inverterende ingang reageert net andersom en keert het ingangssignaal juist om naar de uitgang (=inverteren; in tegenfase). De aansluitingen van de voeding zijn niet getekend.

Nu de basiswerking van de operationele versterker

De voeding kan op een symmetrische of asymmetrische manier gebeuren. Op de ”-” ingang legt menV1 aan. De andere ingang ”+” krijgt V2 op de klem. +Vcc en -Vcc (negatief) zijn de voedingslijnen (in ons geval; zie afbeelding hieronder).

Het resultaat aan de ingang is Vi zijnde V2-V1. Deze spanning Vi, (V2-V1) wordt vermenigvuldigd met een factor die afhangt van het type opamp. Deze factor A is constant. Op de uitgang vinden we dus: Vo=Vi x A.

Operationele versterker met alle spanningen

Voedingsspanning Operationele Versterker

Eigenschappen van een opamp

In de afbeelding hieronder zie je de ideale karakteristiek van een opamp. Vo is de uitgangsspaning en Vi is de differentiële spanning aan de ingang of (Vi=V2-V1). Vsat zijn de saturatiespanningen; ze zijn bijna gelijk aan +Vcc en – Vcc.

De schakelkarakteristiek van een operationele versterker
Schakelkarakterisitiek opamp

Indien de opamp alleen gevoed zou worden door +Vcc dan zou de uitgang als het ware geamputeerd zijn tot 0(het onderste deel is weg) want -Vsat is nul (0). Het lineaire werkingsgebied ligt tussen beide Vsaturation’s.

Wat gebeurt er nu eigenlijk met de spanning

In onderstaande afbeelding stelt onze versterker voor zonder terugkoppeling. We gebruiken een ideale opamp. Wat gebeurt er als we een spanning volgens bijstaande tabel aanleggen? Let op: de negatieve voeding is nu de massa.

Ideale opamp

De opamp werkt dus als een element dat spanningen met elkaar vergelijkt. Indien de spanning op de NIET-inverterende ingang hoger is dan die op de inverterende ingang, zal de kring naar een spanning op de uitgang in de buurt van de voedingsspanning +Vcc omslaan.

In het andere geval als V1>V2 is, zal de uitgang naar het laag niveau overgaan (nul of massa). Merk op dat voor de voeding de spanning tussen 0 en +Vcc gekozen werd. Als V1>V2 dan gaaat de uitgang naar 0, indien ons voedingssysteem symmetrisch is, bijvoorbeeld (+15 en -15V) zal de uitgang naar -15V omslaan.

Een bijzonderheid die alle opamps gemeen hebben, is de zeer grote eigen versterking, bijvoorbeeld 100000 maal. We noemen dat de open lus versterking (Ao= zonder tegenkoppeling). Enige toelichting bij deze versterkingsfactor: leggen we een differentiële spanning aan van 1 mV dan zou de uitgang 100V bedragen.

Wetend dat we bijvoorbeeld 12V als voeding gebruiken, is het onmogelijk om de uitgangsspanning te halen. We zouden dan zeer snel het saturatiepunt van ongeveer de voedingsspanning bereiken. Ter verduidelijking: differentiële ingangsspanning wil zeggen Vi=V2-V1.

Je mag en kan ook één ingang aan massa leggen en op de andere ingangsklem de ingangsspanning aansluiten. Dit komt op hetzelfde neer. We stellen vervolgens vast: Om de opamp in zijn lineaire gebied te laten werken moeten we de theoretische versterking (Ao) aanzienlijk verminderen (om bijvoorbeeld een praktische versterker te bouwen die niet zal oscilleren of vastlopen).

We moeten voor een gewone versterker verzadiging vermijden door de versterking in de hand te houden. We zullen hiervoor een speciale techniek gebruiken, namelijk : tegenkoppeling.

Te onthouden voor de Opamp:

  • Technologische types: Bipolair: type 741, Bi-fet: type TL072 met ingangen die bestaan uit een veldeffecttransistor. CMOS: op basis van CMOS transistors;
  • Open loopversterking (zonder tegenkoppleing) 100000 en hoger.
  • Maximum beschikbare stroom= plus minus 25 mA;
  • Doorlaat: De opamp is bedoeld voor gebruik met gelijkstroom koppeling. Zonder tegenkoppeling loopt de bandbreedte van DC tot 1 MHz;
  • Ingangsimpedantie: De opamp hebben een zeer grote ingangsimpedantie, afhankelijk van de interne opbouw en vastgelegd door de constructeur;
  • Uitgangsimpedantie: Deze is zeer laag en zou in theorie 0 ohm moeten bedragen maar dat is nooit het geval. In de praktijk ligt deze tussen de 50 en 75 ohm;
  • Voeding met DC: in het begin werden opamps gebouwd om met een differentiële voeding te werken, maar tegenwoordig kan je veel types ook met één enkele voedingsspanning laten werken. Dit beperkt echter de dynamiek zodat soms toch een dubbele voedingsspanning noodzakelijk is.

Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 4, Hoofdstuk 3, Paragraaf 3.3 Blz 209-212

Geef een reactie

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.