Elektronische componenten
Operationele versterkers - basisschakelingen
1.6       Basisschakelingen met OA’s

1.6.1    Inverterende versterker
Het ingangssignaal wordt via een weerstand aan de inverterende ingangsklem aangesloten.
Het uitgangssignaal wordt teruggekoppeld naar de inverterende ingangsklem, waardoor het ingangssignaal wordt tegen gekoppeld.
Tegenkoppeling vermindert de totale versterking van de trap, die bijgevolg kleiner wordt dan de open lus versterking.

Tegenkoppeling verhoogt de stabiliteit van de schakeling en is een methode om ongewenste oscillatie te voorkomen.

De ingangsimpedantie is in deze schakeling gelijk aan de weerstandswaarde van R1.

De uitgangsimpedantie is laag en wordt bepaald door de eigenschappen van de OA.

De ingangsweerstand Ri die de signaalbron ervaart, wordt uitsluitend bepaald door R1, omdat die de signaalbron met een virtueel massapunt verbindt.
De OA zal de aan de inverterende ingang aangelegde spanning versterken tot er geen verschil meer is tussen inverterend en niet inverterende ingang. Aangezien de niet inverterende ingang op 0V ligt zal de OA via de tegenkoppelweerstand R2 ervoor zorgen dat ook de inverterende ingang op 0V komt. De signaalbron ziet dus de weerstand R1 aan 0V (het virtuele massapunt) liggen.

Wordt aan de uitgang van een inverterende versterker een belasting RL aangebracht, dan vloeit er een bijkomende stroom Ibelasting, zodat er in de uitgangsleiding een totale stroom Itegenkoppeling + Ibelasting troomt. De grootte van de uitgangsspanning Uuit is onafhankelijk van Rbelasting, maar wordt enkel bepaald door de verhouding tussen R1 en R2.

De uitgangsweerstand van deze schakeling is laag en wordt uitsluitend bepaald door de OA eigenschappen.

Virtuele massa

Door de zeer hoge versterking van de opamp zal een gering spanningsverschil tussen de beide ingangen de uitgang tot aan de voedingsspanning sturen. De tegenkoppeling voorkomt dit. De uitgang levert zoveel stroom door R2 als nodig is om de spanning op de inverterende ingang gelijk te maken aan die op de niet-inverterende ingang.
R1 en R2 vormen een soort hefboom rond het spanningsniveau op de inverterende ingang. Dit verschijnsel wordt daarom het virtuele aardpunt of virtuele massa genoemd.
Verlagen van de offsetspanning

Omdat de instelstroom die naar de inverterende ingang vloeit zich over beide weerstanden R1 en R2 verdeelt, ontstaat er aan de inverterende ingang een geringe spanningsval met een ongewenste bijdrage aan de uitgangsspanning tot gevolg.

Door aan de niet-inverterende ingang een weerstand R3 te plaatsen, wordt de symmetrie aan de ingang op DC-gebied opnieuw hersteld.
De offsetspanning wordt hierdoor met een factor 10 verminderd.
Afgeleid van bovenstaande redenering moet de weerstandswaarde van R3 gelijk zijn aan de parallelschakeling van R2 en R1.
1.6.2     Wisselspanningsversterker

Is het de bedoeling enkel de wisselspanningscomponent te versterken en de DC-component weg te houden van de inverterende ingangsklem, dan moet een koppelcondensator in serie worden geplaatst met de signaalbron.
Koppelcondensator C1 moet zodanig gekozen worden dat zijn impedantie ten allen tijde beduidend lager is dan de weerstandswaarde van R1. De impedantie van C1 is frequentieafhankelijk en wel in die mate dat de impedantie toeneemt met de afname van de frequentie. Je berekent dus C1 voor de laagste frequentie die je nog wilt versterken.
Praktisch kies je Xc van C1 voor de laagste te versterken frequentie = R1
Omdat alleen R3 in de inverterende kring het DC niveau bepaalt, maken we de niet- inverterende ingang symmetrisch door hier een weerstand R2 met dezelfde waarde als R3 op te nemen.
1.6.3    Inverterende sommeerversterker

De sommeerversterker heeft als bedoeling de spanningen aan de respectievelijke ingangen op te tellen en eventueel deze somspanning te versterken.

De volgende schakeling stelt een audiomengtrap voor. Audio1, 2 en 3 zijn signaalbronnen die in dit voorbeeld afkomstig zijn van 3 microfoons.

De drie signaalbronnen kunnen naar believen worden ingesteld. Het resulterend mengsignaal verschijnt op een uitgangslijn. Verandering van de signaalsterkte van één kanaal heeft geen invloed op de signaalsterkte van de andere kanalen.

Het volume van het gemeenschappelijk signaal kan geregeld worden door de tegenkoppelweerstand R2 instelbaar te maken.
1.6.4     Niet-inverterende versterker

Niet-inverterende versterkers hebben volgende kenmerken:

- Het ingangssignaal wordt aan de niet-inverterende ingangsklem aangesloten.

- Het uitgangssignaal wordt teruggekoppeld naar de inverterende ingangsklem waardoor het ingangssignaal wordt tegengekoppeld.
  Tegenkoppeling vermindert in de totale versterking van de trap die bijgevolg kleiner wordt dan de open lus versterking.

- Tegenkoppeling verhoogt in sterke mate de stabiliteit van de schakeling.

- De ingangsimpedantie van de niet inverterend OA versterkerschakeling is zeer hoog.

- De uitgangsimpedantie van de niet inverterend OA versterkerschakeling is laag.
Kiest men de verhouding R2/R1 = 1, dan is Uuit=-(audio1+audio2+audio3)
De audiosignalen worden dan niet versterkt, maar enkel bij elkaar opgeteld en geïnverteerd.

Kiest men de verhouding R2/R1 = 0.1, dan is Uuit=-((audio1+audio2+audio3)x10)
De audiosignalen worden ook nu bij elkaar opgeteld, maar elk signaal wordt versterkt
met een factor 10. Een omgekeerde verhouding tussen R2 en R1 resulteert in een verzwakking.

Een opteltrap kan worden herleid tot een aftrektrap door de polariteit van één of meerdere ingangsspanningen om te draaien.

De bronnen beïnvloeden elkaar niet omdat het knooppunt dat de verbinding vormt tussen de signalen en de inverterende ingang, een virtueel massa punt is dat op het GND potentiaal staat. Dezelfde referentie als de referentie van de signaalbronnen.
1.6.5     Verschilversterker

De inverterende en de niet-inverterende versterker schieten tekort in toepassingen waarin de schakeling uiterst stabiel en nauwkeurig
moet zijn. Daarom werden voor het gebruik in meetapparatuur en in instrumentatieschakelingen de instrumentatieversterkers
ontwikkeld.

Zo'n IC bestaat uit meerdere OA's en precisieweerstanden.
De voorganger en goedkope uitvoering van de instrumentatieversterker is de verschilversterker.
Wanneer de inverterende en niet-inverterende versterker gecombineerd worden, ontstaat de verschilversterker.

In het Engels spreekt men van een differential amplifier.
1.6.6     Actief integreren

Bij een actieve integrator wordt een condensator geladen door een constante stroom ten gevolge van een constante spanning,
die via een weerstand aangelegd wordt aan de inverterende ingang van een OA.
Het is een inverterende versterker waarin de tegenkoppelweerstand vervangen is door een condensator C. Hierdoor wordt de werking van de schakeling tijdsafhankelijk.
Verklaring van de werking van een actieve integrator

De steilheid van het lineaire verloop van de uitgangsspanning wordt bepaald door de grootte van de spanning van de signaalbron VS1 de weerstandswaarde van R1 en de capaciteit van C1.

Het lineaire verloop kan verklaart worden doordat de inverterende ingang een virtueel massapunt (GND = 0 Volt) vertegenwoordigd.
Dit heeft voor gevolg dat door weerstand R1 een constante stroom vloeit.
IR1 = U1 / R1

Om het virtuele massapunt te blijven handhaven moet door C1 eenzelfde stroom vloeien in tegengestelde richting.
Dit betekend dat de stroomsterkte door C1 gelijk is aan de stroomsterkte door R1.

Wanneer een condensator geladen of ontladen wordt met een constante stroom verandert de spanning over de condensator lineair in de tijd.

De ingangsweerstand van de schakeling is gelijk aan de weerstandswaarde van R1.
Deze is namelijk verbonden met een virtueel massapunt.

De uitgangsweerstand van de schakeling wordt uitsluitend bepaald door de eigenschappen van de OA en is veralgemenend laag te noemen.

Bij een gelijkblijvende DC ingangsspanning volgt hieruit volgende formule:
1.6.7     Actief differentiëren

Integreren en differentiëren zijn omgekeerde wiskundige bewerkingen.
Door in een integrator de R en C component om te wisselen, ontstaat de inverterende differentiator.

Menu