Elektronica/Opamps

De OPAMP

Inleiding

De OpAmp (OPerational AMPlifier) is een veelgebruikte actieve versterkerschakeling. Zijn naam bestaat uit twee delen, het simpelste deel is amplifier of versterker wat er dus op duidt dat de mogelijkheid bestaat om inkomende signalen te gaan versterken. Het eerste deel operational illustreert dat deze schakeling operaties of wiskundige bewerkingen zal uitvoeren. En inderdaad dit hoofdstuk zal illustreren dat het met specifieke opamp schakelingen mogelijk zal zijn tal van wiskundige bewerkingen uit te voeren: optellen, aftrekken, vermenigvuldigen, delen maar ook integreren en differentiëren.

Principiële werking en eigenschappen

Opamp symbool

In bijgevoegd afbeelding kan men afleiden dat een opamp vijf pinnen heeft:

• V₊: De niet inverterende ingang
• V_-: De inverterende ingang
• V_S+: De positieve voedingsspanning
• V_{S_}: De negatieve voedingsspanning
• V_out: De uitgangsspanning.

Deze vijf pinnen zal men bij elke uitvoering (typisch in IC vorm) van de opamp moeten kunnen terugvinden. Één of twee ingangssignalen worden op de V₊ en/of V_- aangelegd en zal men al dan niet getransformeerd op de uitgang V_out terugvinden. Daar de opamp een actieve schakeling is dient deze gevoed te worden. De voeding gebeurt via de V_S+ en V_S- pinnen, en deze zijn eveneens boven- en ondergrens voor de uitgangsspanning.

De opamp zal steeds $V_{out}=A_{ol}\cdot (V_{+}-V_{-})$ realiseren. Hierbij is A_ol een grote constante. Dus de opamp zal steeds het verschil tussen de spanningen op zijn ingangspinnen als uitgangsspanning geven (gelimiteerd door de voeding). Bemerk het minteken voor V_-, dit verklaart de naam inverterende ingang, de spanning op deze ingang zal geïnverteerd terug naar buiten gebracht worden. In een reële schakeling, kan men er niet steeds van uitgaan dat indien $V_{+}=V_{-}$ de uitgang 0 Volt zal geven, hierdoor zijn de meeste opamps voorzien van twee offsetpinnen deze laten door middel van een potentiometerschakeling toe dat de uitgang op nul afgeregeld kan worden indien de ingangspinnen op hetzelfde potentiaal staan.

De opamp is zo goed als altijd gebruikt in IC vorm (ook al bestaat de opamp intern louter uit een combinatie van transistoren en weerstanden). Een frequent gebruikt type is de LM741. Ter illustratie bevindt zich lager een intern schema van deze LM741.

De reden waarom de opamp zo een nuttige component is, is te wijten aan zijn eigenschappen. In het ideaal geval kunnen deze herleid worden tot:

• $A_{ol}=\infty$: de open lus versterking is oneindig
• $Z_{in}=\infty$: de ingangsimpedantie is oneindig, dit zorgt ervoor dat de opamp stuurschakelingen niet belast (dit kunnen dan praktische zeer kleine spanningen zijn afkomstig van sensoren die men typisch niet wil belasten). Dit impliceert dat er geen stroom vloeit tussen V₊ en V_-.
• $Z_{out}=0$: de uitgangsimpedantie is 0, de opamp zal dus niet beïnvloed worden door de belasting die men gebruikt.

Deze drie eigenschappen zijn niet zo verschillend tegenover de reële eigenschappen, enkel zal het theoretische oneindig en nul vervangen worden door zeer groot en zeer klein (bij de LM741 is de ingangsimpedantie bvb 2MΩ en is de open lus versterking 200.000). Volgende twee veronderstellingen worden eveneens gemaakt en zijn praktisch niet correct:

• De offsetstromen en spanningen zijn nul, praktisch zal men een offsetregeling aan de schakeling moeten introduceren om deze op nul te plaatsen.
• De bandbreedte is oneindig, dit wil zeggen dat alle signaalcomponenten (zowel deze hoog als deze laag in frequentie) dezelfde transformatie zullen ondergaan. Dit impliceert dat de opamp oneindig snel kan reageren op een wijziging aan zijn ingangspinnen.

Een factor die ook de bandbreedte bepaald is de slew rate, de snelheid (V/s) waarmee de uitgang kan wijzigen. Bij de LM741 is dit bvb 0.5V/μs, de kostprijs van een opamp wordt sterk beïnvloed door deze factor. Praktisch bepaalt deze factor dus ook de bandbreedte van de opamp.

Open keten, tegenkoppeling en meekoppeling

Als het verband tussen ingang en uitgang wordt gegeven door $V_{out}=A_{ol}\cdot (V_{+}-V_{-})$ en data $A_{ol}=\infty$, dan kan men enkel concluderen dat eens er nog maar een klein verschil ontstaat tussen de potentialen op de ingangspinnen de opamp in saturatie zal treden. Dwz dat de uitgang de positieve of de negatieve voedingsspanning aan zal nemen. De opamp fungeert hier dus louter als schakelaar (of comparator), maar zal zeer ruisgevoelig zijn, dit is een zogeheten open keten schakeling. Omwille van deze reden wordt de opamp vrijwel nooit als alleenstaande component gebruikt, maar steeds opgenomen in een schakeling, deze schakelingen bieden de opamp vele toepassingen en in wat volgt in dit hoofdstuk zullen een aantal typische basisschakelingen geïllustreerd worden. In tegenstelling tot de open keten schakeling zal een terugkoppelingsmechanisme gebruikt worden. Terugkoppeling kan bij een opamp op twee manieren gebeuren, men kan kiezen voor tegenkoppeling, hierbij zal de uitgang op de inverterende ingang geplaatst worden en zal de opamp typisch als versterker gebruikt worden (de uitgang van de opamp zal typisch niet de saturatiespanning als uitgang geven), of men kan opteren voor meekoppeling hierbij wil men een van de twee saturatiespanningen als uitgang. Deze laatste is typisch een Schmitttrigger of een oscillator.

Opgaven

Opgave: Zoek het datablad van de LM741 zoek hierin: De pinout De ingangsimpedantie De slew rate De bandbreedte De schakeling om de offset weg te regelen. Zoek het datablad van de TL081 Is de slew rate hoger of lager ? Is dit dus een betere opamp ? Teken een blokgolf met amplitude 5 Volt en een frequentie van 10 Mhz, teken de respons met de slew rates van de LM741 en de TL081. (Hou enkel rekening met de slew rate, niet met de rest van de opamp).