Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 4, Hoofdstuk 3, Paragraaf 3.3 Blz 212-223

Opamp-schakelingen worden zeer veel gebruikt vanwege hun parametriseerbare eigenschappen. De parametrisering gebeurt hoofdzakelijk door de keuze van de componenten die de tegenkoppeling beïnvloeden. Verder in dit artikel lees je de verschillen tussen een ideale en werkelijk opamp, frequentiedoorlaatbanden en geef ik praktische opamp schakelingen weer.

Het verschil tussen de ideale en werkelijke Opamp

Gewoonlijk wordt bij de studie een component als ideaal aangezien. Dit doen we vooral om de eenvoud (het is zo al moeilijk genoeg). Een Opamp is echter helemaal niet ideaal. Het is nuttig dit nader toe te lichten.

Verschil in gedrag tussen beide ingangen Opamp

Stel, we verbinden beide ingangen met elkaar en leggen ze bovendien aan de massa: ”Vi’s=0” (zie afbeelding hieronder). Toch meten we een spanning op de uitgang Vo. Het is duidelijk dat het hier om een verschil in gedrag van de beide ingangen gaat. Men kan dit compenseren. De uitgangsspanning Vo moet nu nul volt bedragen.

Uitgangsspanning niet nul bij 0 volt op beide ingangen
Uitgangsspanning niet nul bij 0 volt op beide ingangen

DC offsetspanning

De ingangen bestaan uit transistors en moeten gepolariseerd worden. Deze polarisatie moet identiek zijn, wat in de praktijk nooit het geval is. Het gevolg hiervan is een verschuiving van de uitgangsspanning (offset).

Men kan dit verhelpen door bijvoorbeeld het volgende principe toe te passen: weerstand R3 met waarde (zie afbeelding hieronder): R3=(R1 keer R2)/(R1+R2)

Opamp met compensatieweerstand
Opamp met compensatieweerstand

CMRR (Common Mode Rejection Ratio)

Indien op beide ingangen een identieke spanning aangelegd wordt, zou de uitgang niet mogen veranderen (dit kan bij eens storing voorkomen). Zoals verwacht is dat niet het geval. In het ideale geval zou de opamp enkel en alleen de verschillen op de ingangen mogen verwerken.

In werkelijkheid vinden we op de uitgang toch een signaal naast het gewenste verschilsignaal. De verhouding tussen de verschilversterking en de Common Mode Rejection Ratio (CMRR) wordt in dB uitgedrukt. Hoe groter dit getal, hoe beter de opamp

tegenkoppeling

Het zou te mooi zijn als er versterkers zouden bestaan die een oneindige bandbreedte koppelen aan een vaste maar constante versterking. Hieronder zien we een voorbeeld van wat we in de praktijk mogen verwachten. Verre van ideaal, maar we moeten het er mee doen.

Om tot een beter resultaat te komen zijn we verplicht om wat aan de versterking in te boeten ten voordele van de bandbreedte (afhankelijk van wat we precies wensen). De afbeelding hieronder illustreert dit: de blauwe lijn toont aan dat de bandbreedte verkleint bij een grotere versterking, de grijze lijn toont het tegengestelde: de bandbreedte wordt groter.

Doorlaatkarakteristiek van een opamp
Doorlaatkarakteristiek

Realisatie tegenkoppeling Opamp

Het principe is eenvoudig. We nemen van het uitgangssignaal eens tukje af en leggen dit aan de ingang. Doordat het in tegenfase is, zal dit het oorspronkelijke signaal tegenwerken. Dit deel van het uitgangssignaal moeten we aftrekken van het ingangssignaal zodat we meer in het lineaire deel van de versterker werken.

Het is duidelijk dat de versterking hierdoor zal dalen, maar dat de bandbreedte groter wordt. Door de 180° faseverdraaiing daalt de versterking. Immers, indien dit niet het geval zou zijn, zou de versterking toenemen en zelfs oneindig worden. In dit geval zegt men dat de versterker OSCILLEERT.

Hij levert een uitgangssignaal zonder dat er enig ingangssignaal aanwezig is (een oneindige versterking maar met bandbreedte van zowat nul of voor een zeer lage frequentie). Hoe dit terugkoppelen gebeurt, zien we in de afbeelding hieronder.

Opamp met terugkoppeling en waar de ingang en uitgang te zien zijn
Opamp met terugkoppeling

Het principe van terugkoppelen: Zoals reeds opgemerkt kan de koppeling negatief of positief zijn. Bij negatieve terugkoppeling spreken we van terugkoppeling en bij positieve terugkoppeling spreken we van meekoppeling. Bij ”mee”- koppelen bestaat het gevaar voor oscilleren; opgelet dus Totale versterking= 1/R.

R (in bovenstaande afbeelding) bepaalt de verhouding van de terugkoppeling ten aanzien van de uitgang. Door op deze verhouding in te werken bepalen we de versterking van de versterker. Een andere naam van deze vorm van terugkoppeling is ”gesloten kring” (closed loop).

De frequentiedoorlaatband van de Opamp

In de afbeelding hieronder zie je een typische doorlaatband van een opamp zoals de veel gebruikte 741 (let op de logaritmische schaalverdeling). Bekijken we nu een paar merkwaardige punten:

Doorlaatkarakteristiek
Doorlaatkarakteristiek
  • De afsnijfrequentie is die frequentie waarbij het uitgangssignaal met 3 dB is gedaald: in ons voorbeeld op 10Hz. Dit is niet veel. Vergeet niet dat de openlusversterking 100000 maal is. De versterking daalt dus tot 70700 maal op -3dB.
  • De versterking daalt met 20 dB per decade. Eén decade is een frequentieverhouding van 10. Met andere woorden, telkens als de frequentie met 10 wordt vermenigvuldigd, daalt de versterking met 20dB.
  • De versterking is gelijk aan één (eigenlijk geen versterking meer), in ons voorbeeld bij 1 MHz. Dit is een merkwaardig begrip: GBW(Gain Band Width)= AxB. Deze factor GBW is constant (Versterking x Bandbreedte = constant).

Toelichting: om stabiliteitsredenen voegt de constructeur intern een condensator van ongeveer 30pF toe. Dit leidt tot het effect van hierboven (-20dB per decade). Een ander gevolg is de helling van de doorlaatkromme (met andere woorden: de snelheid waarbij het uitgangssignaal kan veranderen).

Deze helling houdt rechtstreeks verband met de maximale frequentie en wordt in V/μs uitgedrukt. Het laden van die condensator, die de constructeur aan de ingang heeft geplaatst, is hier de boosdoener. Een andere benaming van de spanningsverandering per tijdseenheid noemen we in het Engels Slew Rate (SR).

In praktijk stelt men dat de maximaal bruikbare frequentie zonder vervorming, niet hoger mag zijn dan die frequentie die gerelateerd is aan de ”slewrate”. Het is helder dat deze terugkoppeling uitermate belangrijk is in de elektronica en zeker bij gebruik van opamp.

Versterking wordt als ware ingeruild tegen bandbreedte. Dit zal de bandbreedte verminderen maar de stabiliteit gunstig beïnvloeden en ongewenst oscilleren voorkomen.

Praktische Opamp schakelingen

Nu geef ik een aantal voorbeelden van praktische opamp schakelingen die je kan tegen komen.

De inverterende versterker

Bij dit voorbeeld wordt de versterking van de versterker bepaald door het instellen van R1 en R2. De waarde aan de uitgang is:

De inverterende versterker die ja kn tegenkomen als opamp
De inverterende versterker

De niet inverterende versterker

Hetzelfde principe wordt toegepast (zie onderstaande afbeelding). De uitgangsspanning wordt:

De niet inverterende versterker
Niet inverterende versterker

De uitgang is IN fase met de ingang. De ingangsimpedantie is groot.

Spanningsvolger als opamp

De ingangsimpedantie is zeer groot. De versterking is gelijk aan één. Toepassing = hoge ingangsweerstand en lage uitgangsweerstand of impedantie transformatie (bij opnemers/ meetsensoren)

De spanningsvolger als opamp getekend. De uitgang volgt de ingang
Spanningsvolger

Som(meer)versterker

Je kunt inderdaad elektronisch optellen (analoge tellers). Voor dit soort schakelingen wordt een opamp gebruikt bij simulaties van bijvoorbeeld mechanische processen. Je kunt ook bijvoorbeeld meer laagfrequent signalen (audio) samenvoegen om ze gelijktijdig te kunnen horen. Toepassing: DAC (=Digital to Analog Converter).

Som(meer)versterker uitgebeeld als opamp met een 5 tal weerstanden waarmee je een Digitaal signaal om kan zetten in een analoog  signaal
Som(meer)versterker

Verschilversterker als opamp

Het principe van hierboven blijft behouden: je dient op de juiste ingang te sturen opdat de signalen elkaar zouden tegenwerken (zie onderstaande afbeelding).

Als R1=R3 en R2=R4 dan Vo=R2/R1 (V2-V1)

Verschilversterker
Verschilversterker

Beveiliging van de opamp

Opamps worden beveiligd tegen:

  • Te hoge ingangsspanningen door middel van dioden of zenerdioden;
  • Het omkeren van de voedingsspanning door middel van een diode;
  • Te hoge voedingsspanning door middel van een Zenerdiode;
  • Kortsluiting door het sperren van een transistor.
Beveiligen van een opamp tegen een te hoge ingangsspanning
Beveiliging tegen te hoge ingangsspanning

Opamps beveiligen tegen (zie onderstaande afbeelding):

Praktische schakelingen van een opamp
Praktische schakelingen

Actieve integrator bij een stapvormig ingangssignaal

De stroom door de weerstand R1 kan alleen naar de condensator, omdat de ingangsweerstand van de opamp oneindig is. De lading door R1 zal de condensator opladen. Bij een integrator is de snelheid waarmee het uitgangssignaal verandert recht evenredig met de grootte van Ui. Zie onderstaande afbeelding.

Actieve integrator bij een stapvormig ingangssignaal. In de afbeelding is ook een opamp te zien, beter bekend als operationele versterker
Actieve integrator bij een stapvormig ingangssignaal

Gedrag bij een sinusvormige ingangssignaal

De stroom Ii is in fase met Ui. De stroom gaat ook naar de condensator omdat de ingangsweerstand van de opamp oneindig groot is. Bij een condensator ijlt de stroom 90° voor op de condensatorspanning. De condensatorspanning is in tegenfase met Uu (let op pijlrichting!). Zie onderstaande afbeelding voor verduidelijking van dit verhaal.

De integrator bij sinusvormige signalen
De integrator bij sinusvormige signalen
Andere spanningsvormen bij de integrator bij een opamp
Andere spanningsvormen bij de integrator

Voorgaande schakelingen zijn niet bruikbaar door offsetspanning, waardoor de condensator wordt opgeladen en de opamp overstuurd wordt. Oplossing: versterking voor lage frequenties beperken tot A=-(Rt/R1). In onderstaande afbeelding zorgt de 100K ohm (Rt) ervoor dat de opamp niet overstuurd raakt.

Tamme of gecompenseerde integrator
Tamme of gecompenseerde integrator

Actieve differentiator

De actieve differentiator
De actieve differentiator

Bij een lineair veranderend ingangssignaal (zie bovenstaande afbeelding) is de afleiding:

De grootte van de uitgangsspanning van een differentiator is recht evenredig met de snelheid waarmee de ingangsspanning verandert. Voor een sinusvormige spanning geldt:

  • De uitgangsspanning ijlt 90° na op de ingangsspanning;
  • Als Ui stijgt zal Uu toenemen;
  • Ruis met hoge frequentie veroorzaakt grote stoorsignalen.
De actieve differentiator
De actieve differentiator
andere spanningsvormen van de differentiator
andere spanningsvormen van de differentiator

In afbeelding 3.40 ijlt de stroom Ic 90° voor op Uc. De spanning Urt is in fase met Ic (let op de stroomrichting). Uu is in tegenfase met Urt. Zie onderstaande afbeelding.

Tamme of gecompenseerde differentiator van een complexe opamp
Tamme of gecompenseerde differentiator

Voor de hoogfrequente ruisspanning is de Xc van de condensator erg klein waardoor de versterker overstuurd zou worden. Om dit tegen te gaan wordt er met de condensator een weerstand in serie gezet waardoor de versterking van de ruisspanning beperkt wordt. De schakeling wordt dan aangeduid als een tamme of gecompenseerde differentiator (zie onderstaande afbeelding).

Tamme differentiator
Tamme differentiator

Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 4, Hoofdstuk 3, Paragraaf 3.3 Blz 212-223

Geef een reactie

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