Hoe werkt een operationele versterker (O-Pamp)?

Hoe werkt een operationele versterker?

Een operationele versterker (Op-Amp) is een hoog geïntegreerd elektronisch component dat wijdverspreid wordt gebruikt in circuits voor signaalversterking, filtering, integratie, differentiatie en vele andere toepassingen. Zijn primaire functie is het versterken van het verschil in spanning tussen zijn twee ingangsterminals. Hieronder volgt een uitleg over hoe een operationele versterker werkt en belangrijke concepten:

1. Basisstructuur

• Een operationele versterker heeft meestal vijf pinnen:

• Niet-inverterende ingang (V+): Positieve ingangsterminal.

• Inverterende ingang (V−): Negatieve ingangsterminal.

• Uitgang (Vout): Versterkt uitgangssignaal.

• Positieve voeding (Vcc): Positieve voedingspanning.

• Negatieve voeding (Vee): Negatieve voedingspanning.

2. Werkingsprincipe

Aannames voor een ideale operationele versterker

• Oneindige versterking: Ideaal gezien is de versterking A van de op-amp oneindig.

• Oneindige ingangsweerstand: De ingangsweerstand Rin is oneindig, wat betekent dat de ingangsstroom bijna nul is.

• Nul uitgangsweerstand: De uitgangsweerstand Rout is nul, wat betekent dat de uitgangsstroom willekeurig groot kan zijn zonder de uitgangsspanning te beïnvloeden.

• Oneindige bandbreedte: Ideaal gezien kan de op-amp op alle frequenties werken zonder enige beperkingen.

Kenmerken van een echte operationele versterker

• Eindige versterking: In de praktijk is de versterking A van de op-amp eindig, meestal variërend van tien tot de vijfde macht tot tien tot de zesde macht.

• Eindige ingangsweerstand: De daadwerkelijke ingangsweerstand is niet oneindig, maar is zeer hoog (megohms niveau).

• Niet-nul uitgangsweerstand: De daadwerkelijke uitgangsweerstand is niet nul, maar is zeer laag.

• Eindige bandbreedte: De daadwerkelijke bandbreedte van de op-amp is beperkt, meestal variërend van honderden kilohertz tot megahertz.

3. Basisbedrijfsmodi

Openlusconfiguratie

Openlusversterking: In openlusconfiguratie versterkt de op-amp's versterking A direct de differentiële ingangsspanning.

Verzadiging: Door de hoge versterking A kan zelfs een kleine ingangsspanningsverschillen de uitgangsspanning doen bereiken tot de grenzen van de voedingspanningen (d.w.z. Vcc of Vee).

Geslotenlusconfiguratie

Negatieve feedback: Door negatieve feedback in te voeren, kan de versterking van de op-amp worden geregeld om binnen een redelijk bereik te werken.

Negatieve feedbackschakeling: Gewone negatieve feedbackschakelingen omvatten inverterende versterkers, niet-inverterende versterkers en differentiële versterkers.

Virtuele kortsluiting en virtuele open schakeling: In negatieve feedbackschakelingen zijn de spanningen aan de twee ingangsterminals van de op-amp bijna gelijk (virtuele kortsluiting), en de ingangsstroom is bijna nul (virtuele open schakeling).

4. Algemene toepassingscircuits

Inverterende versterker

Schakelstructuur: Het ingangssignaal wordt via een weerstand R1 naar de inverterende ingang V − gevoed, en een feedbackweerstand Rf verbindt de uitgang Vout met de inverterende ingang V-.

Vout met de inverterende ingang V-.

Niet-inverterende versterker

Schakelstructuur: Het ingangssignaal wordt via een weerstand R1 naar de niet-inverterende ingang V + gevoed, en een feedbackweerstand Rf verbindt de uitgang Vout met de inverterende ingang V−.

Differentiële versterker

Schakelstructuur: Twee ingangssignalen worden toegepast op de niet-inverterende ingang V+ en de inverterende ingang V−, en een feedbackweerstand Rf verbindt de uitgang V out met de inverterende ingang V −.

5. Samenvatting

Een operationele versterker werkt door het verschil in spanning tussen zijn twee ingangsterminals te versterken, waarbij de kernfunctie afhankelijk is van hoge versterking en negatieve feedbackmechanismen. Door verschillende schakelconfiguraties te gebruiken, kunnen op-amps verschillende functies uitvoeren zoals versterking, filtering, integratie en differentiatie. Het begrijpen van de werkingsprincipes en algemene toepassingscircuits van op-amps is essentieel voor het ontwerpen en probleemoplossen van diverse elektronische systemen.