Förstärkare eller operationsförstärkare

En förstärkare eller op-förstärkare är en DC-kopplad spänningsförstärkare med mycket hög spänningsförstärkning.

Op-förstärkaren är i grunden en flerstegsförstärkare där flera förstärkningssteg är sammanlänkade på ett mycket komplicerat sätt. Dess interna krets består av många transistorer, FET:er och motstånd. Allt detta tar upp väldigt lite utrymme.
Så den packas i en liten behållare och finns tillgänglig i form av integrerad krets (IC). Termen Op-förstärkare används för att beteckna en förstärkare som kan konfigureras för att utföra olika operationer som förstärkning, subtraktion, differentiering, addition, integration osv. Ett exempel är den mycket populära IC 741.

Symbolen och dess faktiska utseende i IC-form visas nedan. Symbolen framställs som en pilspets som anger att signalen flödar från utgång till ingång.

Inngångs- och utgångsterminaler hos en operationell förstärkare

En op-förstärkare har två inngångsterminaler och en utgångsterminal. Op-förstärkaren har också två spänningsförsörjningsterminaler som syns ovan. De två inngångsterminalerna bildar den differentiella inmatningen. Vi kallar terminalen märkt med negativ (-) tecken för inverterande terminal och terminalen märkt med positiv (+) tecken för icke-inverterande terminalen av den operationella förstärkaren. Om vi applicerar en inmatningssignal vid inverterande terminalen (-) så är den förstärkta utgångssignalen 180o ur fas jämfört med den applicerade inmatningssignalen. Om vi applicerar en inmatningssignal till icke-inverterande terminalen (+) så kommer den erhållna utgångssignalen att vara i fas, dvs det kommer inte att finnas någon fasförskjutning jämfört med inmatningssignalen.

Försörjning för en operationell förstärkare

Som syns från kretssymbolen ovan har den två inngångsförsörjningsterminaler +VCC och –VCC. För drift av en op-förstärkare är en dubbel polaritets DC-försörjning nödvändig. I den dubbla polaritetens försörjning ansluter vi +VCC till den positiva DC-försörjningen och –VCC-terminalen till den negativa DC-försörjningen. Dock kan vissa op-förstärkare också fungera med en enda polaritet. Observera att det inte finns någon gemensam jordterminal i op-förstärkarna, så jorden måste etableras externt.

Arbetsprincip för Op-förstärkare

Öppen sluten loop-operation för en operationell förstärkare

Som nämnts ovan har en op-förstärkare en differentiell inmatning och en enda slutet utmatning. Så om vi applicerar två signaler, en vid inverterande och en annan vid icke-inverterande terminal, kommer en ideal op-förstärkare att förstärka skillnaden mellan de två applicerade inmatningssignalerna. Vi kallar denna skillnad mellan de två inmatningssignalerna för den differentiella inmatningsspänningen. Ekvationen nedan ger utmatningen av en operationell förstärkare.Där VUT är spänningen vid utgångsterminalen av op-förstärkaren. AOL är öppen sluten loop-förstärkning för den givna op-förstärkaren och är konstant (idealt). För den IC 741 är AOL 2 x 105.
V1 är spänningen vid icke-inverterande terminalen.
V2 är spänningen vid inverterande terminalen.
(V1 – V2) är den differentiella inmatningsspänningen.
Det är tydligt från ekvationen ovan att utmatningen bara kommer att vara nollskild om och endast om den differentiella inmatningsspänningen är nollskild (V1 och V2 är inte lika), och kommer att vara noll om både V1 och V2 är lika. Notera att detta är en idealisk situation, praktiskt finns det små obalanser i op-förstärkaren. Öppen sluten loop-förstärkningen av en op-förstärkare är mycket hög. Därför förstärker en öppen sluten loop-operationell förstärkare en liten applicerad differentiell inmatning till en enorm värde.
Det är också sant att om vi applicerar en liten differentiell inmatning, förstärker operationellen förstärkaren den till en betydande värde men denna betydande värde vid utmatningen kan inte överstiga förstärkarens försörjningsspänning. Därför bryter det inte mot energibevarens lag.

Stängd sluten loop-operation

Den ovan förklarade operationen av op-förstärkaren var för öppen sluten loop, dvs utan återkoppling. Vi introducerar återkoppling i stängd sluten loop-konfiguration. Denna återkopplingsväg matar utmatningssignalen till inmatningen. Så vid inmatningen finns två signaler samtidigt närvarande. En av dem är den ursprungliga applicerade signalen, och den andra är återkopplingssignalen. Ekvationen nedan visar utmatningen av en stängd sluten loop op-förstärkare.Där VUT är spänningen vid utgångsterminalen av op-förstärkaren. ACL är den stängda sluten loop-förstärkningen. Den återkopplingskrets som är ansluten till op-förstärkaren bestämmer den stängda sluten loop-förstärkningen ACL. VD = (V1 – V2) är den differentiella inmatningsspänningen. Vi säger att återkopplingen är positiv om återkopplingsvägen matar signalen från utgångsterminalen tillbaka till icke-inverterande (+) terminalen. Positiv återkoppling används i oscyllatorer. Återkopplingen är negativ om återkopplingsvägen matar del av signalen från utgångsterminalen tillbaka till inverterande (-) terminalen. Vi använder negativ återkoppling till op-förstärkare som används som förstärkare. Varje typ av återkoppling, negativ eller positiv, har sina fördelar och nackdelar.

Positiv återkoppling ⇒ Oscyllator
Negativ återkoppling ⇒ Förstärkare
Ovanstående förklaring är den mest grundläggande arbetsprincipen för operationella förstärkare.

Ideal Op-förstärkaregenskaper