1          Operationele versterkers

1.1       Inleiding

Terminologie

OA                Nederlandstalige afkorting voor operationele versterker.

OPAMP          Engelstalige afkorting voor operationele versterker.
                    Engels Operational Amplifier.

Inverterend   Omkerend, 180 is fase draaiend.
                    Een positief verloop omzetten naar een negatief verloop.

IC                 Integrated Circuit. Gentegreerde schakeling.

DIL               Dual In Line package.
                    Standaard behuizing van elektronische componenten
                    met twee rijen aansluitingen en bedoeld voor montage in
                    PCBs met gaatjes (in tegenstelling tot SMD).

1.2       Symbool van een operationele versterker

Een operationele versterker is een actief elektronische component, meestal in de vorm van een IC, met een zeer hoge versterkingsfactor. Zij zijn universeel inzetbaar voor tal van toepassingen, zoals versterkers, filters, vergelijkers, stuurschakelingen en schakelingen die wiskundige bewerkingen uitvoeren.
Operationele versterkers hebben een aantal basiskenmerken gemeen die hieronder gedetailleerd besproken worden.
Een opamp is de meest voorkomende versterkercomponent omwille van zijn parametreerbare eigenschappen. Het is eigenlijk een parametreerbare of programmeerbare versterker
Elektronische componenten
operationele versterkers - inleiding
1.3       De ideale operationele versterker

Eigenschappen

Openlus versterking 
Ao =


Een ideale OA heeft een oneindig grote openlusversterking Ao.
We spreken van openlusversterking als er geen tegenkoppeling wordt toegepast.
Het te versterken signaal ligt dan aan de ingangsklemmen van de OA.
Het kleinste verschil tussen inverterende en niet-inverterende ingang, resulteert in een oneindig groot uitgangssignaal. In de praktijk is de openlus versterking zeer groot, maar niet oneindig en kan het uitgangssignaal nooit groter worden dan de aangelegde voedingsspanning.


Ingangsimpedantie  Zi =
O

Een ideale OA heeft een oneindig hoge ingangsimpedantie.
Dit impliceert dat de ingangsstroom niet alleen oneindig klein is, maar dat dit tevens het geval is bij elke frequentie. Al wordt dit ideaal nagestreefd, het wordt bij een
rele OA nooit bereikt en het is zelfs slechts in uitzonderlijk gevallen verwaarloosbaar.


Ingangsstroom  Ii = 0 A

Een ideale OA heeft een oneindig kleine ingangsstroom.
Hieruit volgt dat de ingangsstroom in inverterende en niet-inverterende ingang gelijk is. Bij een rele OA vloeit er wel stroom in de ingangen.
Hierdoor ontstaan een aantal fouten die we met kunstgrepen moeten beperken.


Uitgangsimpedantie  Zu =
0

Een ideale OA heeft een uitgangsimpedantie gelijk aan 0.
Deze OA kan dus oneindig v
eel stroom leveren, zonder dat daardoor zijn uitgangsspanning benvloed wordt. De ideale OA is dus een spanningsbron.
In veel toepassingen zijn de effectieve waarde zo, dat het theoretisch model zonder significante fouten kan toegepast worden.


Bandbreedte  B =
Hz

Een ideale OA heeft een oneindig grote bandbreedte of frequentiebereik.
Alle parameters van de OA zouden dus in theorie frequentie onafhankelijk moeten zijn.

Hieruit volgt dat de weerstand van de ingangen: Ri =
en de inwendige weerstand van de uitgang (Tevenin) Ru = 0

De uitgangsspanning wordt doorgaans beperkt door de aangelegde voedingsspanning minus 0.5V tot 2V, terwijl ook de maximale uitgangsstroom afhankelijk is van de externe spanningsbron. Sommige OA's kunnen met het uitgangssignaal effectief de voedingsspanning bereiken. Dit gedrag noemt men "rail to rail" output voltage.

De meeste OA parameters worden bovendien benvloed door de temperatuur.
Ze zijn dus variabel in functie van het verschil in temperatuur.

Een in de industrie veel gebruikte opamp is sinds vele jaren de LM741.
1.4       De rele operationele versterker

In de praktijk zijn de karakteristieke waarden beduidend verschillend van de theoretische waarden van de ideale OA.
Openlus versterking Ao
Ingangsimpedantie Ri Van M tot T
Uitgangsimpedantie Zu <1  tot  <1K
Bandbreedte B DC tot 1MHz .....1GHz
1.5       De karakteristieke gegevens van een OA
De inwendige samenstelling van een OA is dikwijls zeer complex.
Het analyseren van deze circuits heeft voor de gebruiker geen praktisch nut.
Wel is het gebruikelijk de OA voor te stellen als een black-box met een aantal karakteristieke eigenschappen en parameters welke door de fabrikant in zijn databoeken zijn vermeld.

Bij het bestuderen van deze eigenschappen en parameters staat de populaire xx741 model.

Er bestaan geen Nederlandstalige gegevens bladen (data sheets) van OAs. Het is dus belangrijk om de Engelstalige benamingen te kennen.

1.5.1     Grenswaarden van de OA's

Absolute maximum ratings

Dit zijn de grenswaarden die onder geen enkele omstandigheid mogen worden overschreden. Onder deze rubriek worden zeker de volgende waarden opgegeven.

1   Voedingsspanning
Power supply
Dit is de maximum toegelaten voedingsspanning.

2  Maximum vermogendissipatie
Internal power dissipation
Het maximum vermogen dat als warmte kan worden afgegeven aan de omgeving zonder dat de temperatuur van het IC boven de maximum toegestane waarde stijgt.
De dissipatie is afhankelijk van het eigen opgenomen vermogen, en het vermogen opgenomen t.g.v. de uitgangsstroom.
Bij hogere frequenties kan de dissipatie ook hiervan afhankelijk zijn t.g.v. de schakelverliezen.

3  Ingangsverschilspanning
Differential input voltage
Het maximaal toegelaten spanningsverschil tussen beide ingangen.
Veelal maar niet altijd is dit gelijk aan de voedingsspanning.

4  Ingangsspanning
Single ended input voltage
De maximum toegelaten spanning tussen n ingang en GND (ground of spanningsrefferentie niveau).

5  Bedrijfstemperatuur
Operating temperature range
De minimum- en maximumtemperatuur waarbij de OA kan werken zoals verwacht.
Er wordt verder gespecificeerd onder welke omstandigheden en met welke gevolgen.
Zo kan bijvoorbeeld de levensduur en de nauwkeurigheid negatief benvloed worden bij hoge temperaturen.
6  Opslagtemperatuur
Storage temperature range
De minimum- en maximumtemperatuur waarbij de OA kan worden opgeslagen zonder te worden gebruikt.

7  Soldeertemperatuur
Solder temperature
Dit is de maximumtemperatuur en -tijd die mag worden gebruikt om de aansluitdraden te solderen.
Voor SMD componenten wordt dikwijls het optimale soldeerproces beschreven.

8  Duur van de uitgangskortsluiting
Output short circuit duration
Dit is de maximumtijd dat de uitgang mag worden kortgesloten zonder dat de OA hier negatieve gevolgen van ondervindt.
Het is niet ongebruikelijk dat de uitgang permanent mag worden kortgesloten naar GND zonder dat dit negatieve gevolgen heeft op de levensduur van de OA.
1.5.2   Gelijkstroomspecificaties van OA's

Electrical characteristics - DC specifications

De DC specificaties worden altijd voorafgegaan door een aantal voorwaarden waarbij de opgegeven waarden zijn gemeten.
Ingangsverschilspanning - Input offset voltage

Indien men beide ingangen kortsluit naar de massa zou er theoretisch aan de uitgang geen spanning mogen zijn.
Door de onvermijdelijke ongelijkheden in de componenten zal er wel een uitgangsspanning optreden bij een ingangsspanning gelijk aan nul  volt. Deze uitgangsspanning noemt men de uitgangsspanningsoffset of restspanning.
Het is gebruikelijk deze offsetspanning naar de ingang van de versterker terug te voeren, die men dan met de term 'input offset voltage' aangeeft. Het is alsof in serie met n der ingangen een DC-spanningsbron zou opgenomen worden die ervoor zorgt dat de uitgang effectief 0V is.
Ingangsdriftspanning - Input offset voltage drift

Eens dat de uitgangsspanning op nul gebracht is, blijft echter de offsetspanning UO nog afhankelijk van:

de omgevingstemperatuur T of de temperatuur drift,
de voedingsspanning U of voedingsspanningsdrift,
de afwijkingen na verloop van tijd (de verouderingsdrift).

Ingangspolarisatiestroom - Input bias current

In de praktijk zal er een zekere ingangspolarisatiestroom moeten vloeien om de transistoren in te stellen. Deze stroom is zeer klein.
Indien de bronweerstanden klein zijn, dan zal Ib zeer weinig invloed hebben, omdat hij dan slechts een kleine verandering van de
ingangsspanning tot gevolg heeft.
Hoge ingangsweerstanden daarentegen zijn oorzaak van grote spanningsvariaties.
Het is nu juist het verschil in beide ingangsstromen die de ingangsoffsetspanning veroorzaakt.

Ingangsverschilstroom - Input offset current

In het ideale geval zijn beide ingangsstromen, hoe klein ook, gelijk. In een werkelijke OA treden echter verschillen op die soms niet kunnen worden verwaarloosd.

In schakelingen met een hoge versterking en hoge ingangsweerstanden moet de ingangsstroom Ii zo laag mogelijk blijven.

Om de uitgangsoffsetspanning als gevolg van de ingangspolarisatiestromen te verminderen, volstaat het om de weerstand in het stroompad van de inverterende en de niet-inverterende ingang aan elkaar gelijk te maken.

Openlus versterking - Open loop gain  (Ao)

Deze versterking wordt steeds gegeven bij een welbepaalde voedingsspanning, voor een welbepaalde belastingsweerstand en bij lage  of gespecifieerde frequenties (enkele Hz).

Deze versterking kan op 3 manieren worden aangeduid:

- als een onbenoemd getal dat de versterkingsfactor aangeeft.
- in dB ten opzichte van een referentie bv. dBV of 20 log10 (Uuit / Uin)
- in volt per millivolt

Ingangsspanningsbereik - Input voltage range

De waarde waarbij de OA normaal werkt wordt opgegeven, maar is ook dikwijls gelijk aan de voedingsspanning.

Uitgangsspanningszwaai - Output voltage swing

Dit is de top-top waarde van de uitgangsspanning die door de OA vervormingsvrij naar de uitgang kan overgedragen worden.
Deze spanningszwaai is afhankelijk van de voedingsspanning, de belasting en de frequentie.

De uitgangsspanningszwaai kan niet hoger zijn dan de voedingsspanning waarbij men spreekt over rail to rail output voltage swing.

Rejectiefactor - Common mode rejection ratio (CMRR)

De common mode spanning is de uitgangsspanning die het gevolg is van een gelijke spanning aan inverterende en niet-inverterende ingang, die niet gelijk is aan 0V.

Met deze factor geeft de fabrikant van OA's de verhouding aan van de open lus versterking tot de ongewilde versterking die te wijten is aan de common mode spanning.

Voedingsrejectiefactor - Power supply rejection ratio (PSRR)

Hiermee geeft de fabrikant de ongewilde invloed aan die een verandering van de voedingsspanning bezit op de ingangsspanning.
Voorbeeld: Als de voedingsspanning bij een 741 met 1 V verandert, zal de ingangsspanning met 10 pV moeten variren om de uitgangsspanning op nul te houden.

Voeding - Power supply

Voedingsspanning waarbij de OA normaal werkt.

1.5.3  Wisselstroomspecificaties van OA's

AC Specifications

Ingangsimpedantie - Input impedance

De ingangsimpedantie geeft de capaciteit van de ingangen op. Hieruit kan de impedantie in functie van de aangelegde frequentie worden berekend. De invloed van de common mode input impedance is afhankelijk van de absolute waarde van de input impedantie, maar ook van de symmetrie van beide ingangen.

Uitgangsimpedantie - Output impedance

De uitgangsimpedantie is de wisselstroomweerstand gezien vanuit de uitgangsklemmen van de OA naar de IC toe.
Je zou de uitgangsimpedantie ook de inwendige weerstand van de uitgangstrap van de OA kunnen noemen.
De hoge ingangsimpedantie en de lage uitgangsimpedantie van een OA maken hem geschikt als impedantietransformator.

Stijgsnelheid - Slew rate SR

Slew-rate is de maximale snelheid waarmee het uitgangssignaal kan stijgen of dalen.
De slew-Rate wordt uitgedrukt in volt per tijdseenheid.
Een hoge slew-rate laat welliswaar hoge versterkingsfactoren bij hoge frequenties toe maar is tevens oorzaak van EMI.

Uitslingeringstijd - Settling time

De uitslingeringstijd is de tijd t, die de uitgangsspanning nodig heeft om een waarde te bereiken die binnen een welbepaald percentage van de eindwaarde van de uitgangsspanning blijft, nadat aan de ingang een sprongspanning is toegepast.

Hersteltijd - Overload recovery time

De hersteltijd is de tijd die de uitgangsspanning nodig heeft om vanuit verzadiging terug te keren naar de lineaire werking nadat het ingangssignaal, dat de OA in saturatie bracht, verwijderd is.

De hersteltijd is in grote mate afhankelijk van de graad van overbelasting en de terugkoppelimpedantie.
1.5.3  Verklaring van eigenschappen

Bepaling van de slew-rate
Bepaling van de settling time

Menu