Operatieversterker

Electrical4u

Veld: Basis Elektrotechniek

China

Een operationele versterker of op-amp is een DC gekoppelde spanningversterker met een zeer hoge spanningversterking.

Een op-amp is in wezen een meerversterkingsstadium waarin verschillende versterkingsstages op een zeer ingewikkelde manier met elkaar zijn verbonden. Zijn interne schakeling bestaat uit veel transistoren, FET's en weerstanden. Alles bij elkaar neemt dit heel weinig ruimte in beslag. Dus wordt het in een kleine behuizing gepakt en is het verkrijgbaar in de vorm van een geïntegreerde schakeling (IC). De term Op-amp wordt gebruikt om een versterker aan te duiden die kan worden geconfigureerd om verschillende operaties uit te voeren zoals versterking, aftrekking, differentiatie, optelling, integratie, enz. Een voorbeeld hiervan is de zeer populaire IC 741.

Het symbool en zijn echte uiterlijk in de vorm van een IC zijn hieronder getoond. Het symbool lijkt op een pijlpunt, wat aangeeft dat het signaal van output naar input stroomt. op-amp symbol of op-amp

Invoer- en uitvoerterminals van een operationele versterker

Een op-amp heeft twee invoerterminals en één uitvoerterminal. De op-amp heeft ook twee spanningvoorzieningsterminals, zoals hierboven te zien is. De twee invoerterminals vormen de differentiële invoer. We noemen de terminal gemarkeerd met een min-teken (-) de inverterende terminal en de terminal gemarkeerd met een plus-teken (+) de niet-inverterende terminal van de operationele versterker. Als we een invoersignaal toepassen op de inverterende terminal (-), dan is het geamplificeerde uitvoersignaal 180o uit fase ten opzichte van het toegepaste invoersignaal. Als we een invoersignaal toepassen op de niet-inverterende terminal (+), dan zal het verkregen uitvoersignaal in fase zijn, d.w.z. het zal geen faseschuiving hebben ten opzichte van het invoersignaal.

Voeding voor een operationele versterker

Zoals te zien is aan het circuitsymbool, heeft het twee ingangsspanningsvoorzieningsterminals +VCC en –VCC. Voor de werking van een op-amp is een dubbele polariteit DC-voeding noodzakelijk. Bij de dubbele polariteit voeding verbinden we de +VCC met de positieve DC-voeding en de –VCC terminal met de negatieve DC-voeding. Echter, sommige op-amps kunnen ook werken op een enkele polariteit voeding. Let op, er is geen gemeenschappelijke grondterminal in de op-amps, dus de grond moet extern worden gemaakt.

Werkingsprincipe van Op-amp

Open-lus bedrijf van een operationele versterker

Zoals hierboven gezegd, heeft een op-amp een differentiële invoer en een single-ended uitvoer. Dus als we twee signalen toepassen, één op de inverterende en de andere op de niet-inverterende terminal, zal een ideale op-amp het verschil tussen de twee toegepaste invoersignalen versterken. We noemen dit verschil tussen de twee invoersignalen de differentiële invoerspanning. De onderstaande vergelijking geeft de uitvoer van een operationele versterker.Waarbij, VOUT de spanning is aan de uitvoerterminal van de op-amp. AOL is de open-lus-versterking voor de gegeven op-amp en is constant (ideaal). Voor de IC 741 is AOL 2 x 105.
V1 is de spanning op de niet-inverterende terminal.
V2 is de spanning op de inverterende terminal.
(V1 – V2) is de differentiële invoerspanning.
Het is duidelijk uit de bovenstaande vergelijking dat de uitvoer alleen niet-nul zal zijn als de differentiële invoerspanning niet-nul is (V1 en V2 zijn niet gelijk), en nul zal zijn als zowel V1 als V2 gelijk zijn. Merk op dat dit een ideale situatie is, in de praktijk zijn er kleine onevenwichtigheden in de op-amp. De open-lus-versterking van een op-amp is zeer hoog. Daarom versterkt een open-lus operationele versterker een kleine toegepaste differentiële invoerspanning tot een enorme waarde.
Ook is het waar dat als we een kleine differentiële invoerspanning toepassen, de operationele versterker deze versterkt tot een aanzienlijke waarde, maar deze aanzienlijke waarde aan de uitvoer kan niet hoger gaan dan de voedingsspanning van de op-amp. Hierdoor wordt het energiebehoudswet niet geschonden.

Gesloten lus bedrijf

De hierboven uitgelegde werking van de op-amp was voor open-lus, d.w.z. zonder feedback. We voeren feedback in bij de gesloten lusconfiguratie. Deze feedbackpad voert het uitvoersignaal terug naar de invoer. Daarom zijn er tegelijkertijd twee signalen aanwezig aan de invoer. Eén daarvan is het oorspronkelijk toegepaste signaal, en de ander is het feedbacksignaal. De onderstaande vergelijking toont de uitvoer van een gesloten lus op-amp.Waarbij VOUT de spanning is aan de uitvoerterminal van de op-amp. ACL is de gesloten lus-versterking. Het feedbackcircuit dat aan de op-amp is verbonden bepaalt de gesloten lus-versterking ACL. VD = (V1 – V2) is de differentiële invoerspanning. We noemen de feedback positief als het feedbackpad het signaal van de uitvoerterminal terugvoert naar de niet-inverterende (+) terminal. Positieve feedback wordt gebruikt in oscillators. De feedback is negatief als het feedbackpad een deel van het signaal van de uitvoerterminal terugvoert naar de inverterende (-) terminal. We gebruiken negatieve feedback voor op-amps die als versterkers worden gebruikt. Elk type feedback, negatief of positief, heeft zijn voordelen en nadelen.