Operasjonsforsterker
En operasjonsforsterker eller op-amp er en DC-koblet spenningsforsterker med en svært høy spenningsforsterkning.
Op-amp er i grunnen en flerstegsforsterker der flere forsterkersteg er koblet sammen på en veldig komplisert måte. Dets interne krets består av mange transistorer, FET-er og motstander. Alt dette tar opp veldig lite plass. Så det er pakket inn i et lite emballasje og er tilgjengelig i form av integrasjonssirkuit (IC). Begrepet Op Amp brukes for å betegne en forsterker som kan konfigureres for å utføre ulike operasjoner som forsterking, subtraksjon, differensiering, addisjon, integrasjon osv. Et eksempel er den svært populære IC 741.
Symbolet og dets faktiske utseende i IC-formen vises nedenfor. Symbolet vises som en pilespisse som indikerer at signalet strømmer fra utgang til inngang.
Inngangs- og utgangsterminaler for en operasjonsforsterker
En op-amp har to inngangsterminaler og en utgangsterminal. Op-amp har også to spenningsforsyningsterminaler som ses ovenfor. De to inngangsterminalene danner den differensielle inngangen. Vi kaller terminalen merket med negativ (-) tegn for inverterende terminal, og terminalen merket med positiv (+) tegn for ikke-inverterende terminalen til operasjonsforsterkeren. Hvis vi anbringer et inngangssignal ved inverterende terminalen (-), så vil det forsterkede utgangssignalet være 180o ut av fase i forhold til det anbragte inngangssignalet. Hvis vi anbringer et inngangssignal ved ikke-inverterende terminalen (+), så vil det utgangssignalet vi får være i fase, altså det vil ikke ha noen faseskift i forhold til inngangssignalet.
Forsyning for en operasjonsforsterker
Som ses fra kretssymbolet over, har den to inngangsforsyningsterminaler +VCC og –VCC. For drift av en op-amp er en dobbelt polaritet DC-forsyning nødvendig. I den doble polaritetsforsyningen kobler vi +VCC til den positive DC-forsyningen, og –VCC-terminalen til den negative DC-forsyningen. Imidlertid kan noen op-amps også fungere med en enkelt polaritet forsyning. Merk at det ikke er noen felles jordterminal i op-amps, så jorden må etableres eksternt.
Arbeidsprinsipp for op-amp
Åpen sløyfe-drift for en operasjonsforsterker
Som nevnt over, har en op-amp en differensiell inngang og en endelig utgang. Så hvis vi anbringer to signaler, ett ved inverterende og ett ved ikke-inverterende terminal, vil en ideell op-amp forsterke forskjellen mellom de to anbragte inngangssignalene. Vi kaller denne forskjellen mellom de to inngangssignalene for den differensielle inngangsspennings. Likningen under gir utgangen av en operasjonsforsterker.
Hvor VOUT er spenningen ved utgangsterminalen til op-amp. AOL er åpen sløyfe-forsterkning for den gitte op-amp og er konstant (ideelt). For IC 741 er AOL 2 x 105.
V1 er spenningen ved ikke-inverterende terminal.
V2 er spenningen ved inverterende terminal.
(V1 – V2) er den differensielle inngangsspennings.
Dette er klart fra likningen over at utgangen vil være ulik null bare hvis den differensielle inngangsspennings er ulik null (V1 og V2 er ikke like), og vil være null hvis både V1 og V2 er like. Merk at dette er en idealisert situasjon, i praksis er det små ubalanser i op-amp. Åpen sløyfe-forsterkning av en op-amp er svært høy. Derfor forsterker en op-amp i åpen sløyfe en liten anbrakt differensiell inngangsspennings til en enorm verdi.
Også, det er sant at hvis vi anbringer en liten differensiell inngangsspennings, forsterker operasjonsforsterkeren den til en betydelig verdi, men denne betydelige verdien ved utgangen kan ikke overstige forsyningsstrømmen til op-amp. Derfor bryter det ikke energilovene.
Lukket sløyfe-drift
Den ovenfor forklarte drift av op-amp var for åpen sløyfe, altså uten tilbakemelding. Vi introduserer tilbakemelding i lukket sløyfe-konfigurasjon. Denne tilbakemeldingsbanen sender utgangssignalet til inngangen. Så, ved inngangene, er to signaler samtidig til stede. Det ene er det originale anbragte signalet, og det andre er tilbakemeldingssignalet. Likningen under viser utgangen av en lukket sløyfe op-amp.
Hvor VOUT er spenningen ved utgangsterminalen til op-amp. ACL er lukket sløyfe-forsterkning. Tilbakemeldingskretsen koblet til op-amp bestemmer lukket sløyfe-forsterkning ACL. VD = (V1 – V2) er den differensielle inngangsspennings. Vi sier at tilbakemeldingen er positiv hvis tilbakemeldingsbanen sender signalet fra utgangsterminalen tilbake til ikke-inverterende (+) terminal. Positiv tilbakemelding brukes i oskillasjoner. Tilbakemeldingen er negativ hvis tilbakemeldingsbanen sender en del av signalet fra utgangsterminalen tilbake til inverterende (-) terminal. Vi bruker negativ tilbakemelding til op-amps som brukes som forsterkere. Hver type tilbakemelding, negativ eller positiv, har sine fordeler og ulemper.
Positiv tilbakemelding ⇒ Oskillasjon
Negativ tilbakemelding ⇒ Forsterker
Denne forklaringen er det mest grunnleggende arbeidsprinsippet for operasjonsforsterkere.
Ideelle op-amp karakteristika
