Basis-Elektronica deel 6  Operationele Versterkers:  Basis schakelingen.

 

Deze pagina is nog in aanbouw.

 

Inleiding

Wat is een OpAmp

Basis schakelingen met OpAmps

Imperfecties van praktische OpAmps

De Frequentie afhankelijkheid van de versterking

Een OpAmp met buizen

 

Terug naar de Basis pagina

Home


Inleiding

Deze pagina behandelt de meest voorkomende schakelingen met Operationele Versterkers (OpAmps) die bij de analoge audio elektronica van pas komen. 

Ik geef er een elementaire uitleg bij, en je vindt de belangrijkste formules, maar niet meer dan strikt nodig. 

Voor nogal wat Hifi enthousiasten, is het gebruik van opamps in audio circuits zoiets als vloeken in de kerk of een varken in de moskee. Inderdaad, in het verleden zijn er nog wel eens brokken gemaakt door opamps te gebruiken die niet geschikt waren voor audio taken. Teveel initiele vervorming en een te klein gain-bandwidth product veroorzaken een hoop ellende die je echt niet wilt horen.

Al een aantal jaren zijn er echter opamps op de markt die in het hele audio gebied extreem weinig vervorming leveren. Een voorbeeld is de OP275 van Analog Devices. (datasheet .pdf, 205 kBytes).  Dit datasheet biedt overigens ook nog een aantal interessante tips over het voorkˇmen van vervorming bij opamp schakelingen in het algemeen.

Ook bij het gebruik van zulke opamps met extreem lage vervorming blijkt dat inverterende schakelingen waarbij de + ingang hard aan GND ligt de voorkeur genieten. Bij niet-inverterende schakelingen liggen er toch nog wat vervormings risico's op de loer. 

 

Top


Wat is een OpAmp, een stukje geschiedenis, de ideale OpAmp en de praktische OpAmp.
Het woord "OpAmp" is een afkorting van het Engels/Amerikaanse "Operational Amplifier" oftewel een versterker "klaar voor gebruik". De term dateert -denk ik- uit de dertiger  jaren toen er behoefte kwam aan universeel inzetbare modulaire versterkers voor analoge besturingen en reken processen. Daarvˇˇr  werd er voor elke toepassing steeds opnieuw een gespecialiseerde versterker schakeling ontworpen. 
De eerste opamps werden uiteraard met buizen gemaakt als een metalen doosje dat als een unit ingeplugd kon worden in de toepassing. Hier een schema van zoiets. Tegenwoordig hebben we het altijd over geintegreerde schakelingen.

 

De opamp beoogt een universeel toepasbaar versterker-circuit te zijn, zodanig dat degene die er toepassingen mee ontwerpt zich geen zorgen hoeft te maken over de interne details van zo'n versterker, en dat de eigenschappen van de toepassing uitsluitend bepaald worden door de componenten "rondom" de opamp.
Voor een groot deel is die doelstelling gelukt, maar het is zeker niet zo dat elke opamp geschikt is voor elke toepassing.  Als je ontwerpen gaat maken met opamps moet je terdege rekening houden met een aantal eigenschappen -noem het imperfecties- van praktische opamps. Er is een paragraaf over zulke inperfecties.

 

Een opamp is altijd een verschilversterker.

 

      

Fig 1. 

Alleen de verschilspanning tussen twee ingangen wordt versterkt.

 

Fig 2.

 Een gemeenschappelijke spanning wordt niet versterkt

 

 

De ideale opamp kenmerkt zich door de volgende eigenschappen:

Praktische OpAmps voldoen hier natuurlijk nooit aan. In de paragraaf over de inperfecties vind je daar meer over. 
We kijken eerst naar een paar veel voorkomende schakelingen met opamps. (In schema's met opamps is het gebruikelijk om de voedingsspanningen weg te laten, of ergens in een hoekje van het schemablad te tekenen. Ik laat ze weg in de schema's. Veel voorkomend zijn voedingsspanningen van + en - 15  Volt)

 

Top


Basis schakelingen met OpAmps.

 

Voor het begrijpen van opamp schakelingen moet je tenminste twee dingen in gedachten houden: 
Regel 1: De opamp zal z'n uitgang zodanig proberen in te stellen dat de verschilspanning tussen de + en de - ingang zo klein mogelijk wordt.  

Regel 2: Door de ingangen loopt geen stroom.

 

De eenvoudigste schakeling is de inverterende versterker.

          

Fig 3. 

Als je hier  regel 1 toepast zie je dat de opamp probeert om de - ingang op GND potentiaal te houden. Bij een bepaalde Uin loopt er door R1 dan een stroom I = Uin / R1. Vanwege regel 2 kan die stroom alleen maar verder door R2. Daarvoor is een spanning  Uout nodig gelijk aan I maal R2. 

Als je dit weer invult vind je dat Uout = - Uin * R2/R1. Let op het min-teken. De uitgangsspanning is tegengesteld aan de ingangsspanning, daarom noemen we het een inverterenede versterker.

     

Fig 4. en 5.

Je kunt je de schakeling ook voorstellen als een wip. Het scharnierpunt stelt de -ingang voor, en de planklengtes ter weerszijden stellen de weerstanden R1 en R2 voor. Bij de wip uit de speeltuin zit het scharnier in het midden en zijn R1 en R2 gelijk. Je weet uit je jeugdervaringen wel dat de ene kant net zoveel omhoog gaat als de andere kant naar beneden gaat. 

Je kunt een wip natuurlijk ook met verschillende planklengtes maken. (doe voor het gemak even of de plank zelf niets weegt) De uitslagen die de plank-einden maken zijn evenredig met de lengte verhouding.

 

Een andere basale schakeling is de niet inverterende versterker.

 

            

Fig 6.                                                                 Fig 7.

Regel 1 leidt er hier toe dat de spanning over R1 gelijk wordt aan Uin. Door R1 loopt dan een stroom Uin / R1.  Die stroom kan volgens regel 2 alleen maar uit de uitgang komen en daarvoor is een spanning Uout nodig gelijk aan  I *  (R1+R2).  

Invullen levert de overdracht op als Uout = Uin  * (R1+R2) / R1.  Of na een beetje algebra: Uout = Uin * 1 + (R2/R1)

Merk op dat de versterking tenminste 1x is. Met deze schakeling kun je geen versterking kleiner dan 1 maken.

 

De schakeling waarbij R2 = 0 en/of R1 = afwezig wordt nogal eens gebruikt als een z.g. buffer versterker, om een signaalbron niet te belasten. De ingangs impedantie op de + ingang is bijzonder hoog, en uitgangs impedantie erg laag.  Bij de inverterende schakeling van fig 3. wordt de signaalbron altijd belast met R1.

Fig 8.

Als je de niet inverterende opamp schakeling vergelijkt met een wip wordt het een ongebruikelijk ding voor in de speeltuin. Het linker eind van de plank zit vast met een scharnier, en je drijft 'm op de afstand R1 aan. De zwaai aan het eind is evenredig met de totale lengte van de plank R1 + R2.

 

De Sommeer Versterker.

 

Fig 9.

Een variant van de inverterende versterker is deze sommeer versterker. Het uitgangs signaal Uout = -R4 * (Uin1/R1 + Uin2/R2 + Uin3/R3 + enz...)

Je kunt deze schakeling gebruiken om het signaal van diverse bronnen bij elkaar te tellen. We noemen de -ingang van de opamp wel de "summing node" of het optelpunt. Op dat optelpunt staat zo goed als geen signaalspanning, en er is dan ook uitermate weinig terugwerking van de ene signaalbron op de andere.

 

De Differentiele Versterker of Verschilversterker.

Fig 10.

Hier gaat het erom dat alleen het verschil tussen +Uin en -Uin versterkt wordt. Het gemeenschappelijke signaal op +Uin en -Uin dient zo weinig mogelijk doorgegeven te worden. Dat gaat goed als R4/R1 = R3/R2. (Hier stond een foutje. Is nu gerepareerd. Bedankt, Peter)  De versterking is dan R4/R1.  
Deze schakeling heeft 2 nadelen die het toepassingsgebied beperken.
1/  De onderdukking van het gemeenschappelijke signaal (common mode suppression) hangt volledig af van de nauwkeurigheid van de weerstanden. Als de hierboven gegeven verhouding van de weerstanden niet precies klopt zal een gemeenschappelijk signaal op de beide ingangen enigermate doorgegeven worden.

2/ De ingangs impedantie van de +Uin en de -Uin ingangen is verschillend, en nooit bijzonder groot. Je kunt dit voor een groot deel in orde brengen door R2 +R3 gelijk te maken aan R1. Bij wat hogere frequenties gaan er echter toch wat verschillen ontstaan door de parasitaire capaciteiten.

Bij de onderstaande Instrumentatie versterker zijn deze problemen beter opgelost.

 

De Instrumentatie Versterker

Fig 11.

De instrumentatie versterker (die naam is historisch gegroeid) is eigenlijk een differentiele versterker zoals in fig. 10 hierboven, maar met een extra voor-trap. Hierdoor zijn enkele nadelen van de differentiele versterker ondervangen.
Het werkt alleen goed als  R7/R4 = R6/R5. Gebruikelijk is ook R2 = R3, maar dat is niet strikt noodzakelijk.
1/ Beide ingangen hebben een zeer hoge impedantie.

2/ De onderdrukking van gemeenschappelijke signalen is beter dan bij de eenvoudige differentiele versterker, mits R2 en R3 flink wat groter zijn dan R1. Ongeacht de toleranties van R1, R2 en R3 wordt de gemeenschappelijke ingangsspanning n.l. maar 1x versterkt door de voortrap. Het differentiele signaal wordt versterkt met R2/R1.

 

Differentiele schakelingen zoals hierboven worden o.m. gebruikt om symmetrische ingangen te realiseren, doorgaans met XLR connectoren. Vooral bij lange signaalleidingen, zoals die van microfoons en voor eindversterkers die in de luidsprekerkast zitten geven symmetrische leidingen veel minder problemen met laagfrequente storing.

 

Een differentiele driver.

Fig 12.

 

Deze schakeling kun je gebruiken om een symmetrische verbinding aan te sturen, zoals AES-EBU met bijv. XLR connectors.
Voor de goede werking geldt dat R2=R4=R5=R1 en R6=R7=R8=R3.  De versterking is gegeven door R3/R1.
R9 en R10 zorgen ervoor de kabelcapaciteit de goede werking niet verstoort. Een geschikte waarde is 68 Ohm. 

Top


Imperfecties van praktische OpAmps.

 

Hieronder de belangrijkste imperfecties, en welke consequenties die hebben c.q. waarop je moet letten bij audio toepassingen.

Top


Rail-to-rail OpAmps

Dit is een categorie opamps met de bijzondere eigenschap dat het gemeenschappelijke ingangs signaal zelfs iets (200 mv of zo) buiten de voedingsspanning mag treden. De ingangen mogen iets positiever worden dan de positieve voedingsspanning en iets negatiever dan de negatieve voedingsspanning. In al die gevallen blijft de opamp normaal functioneren. Bij opamps die niet als rail-to-rail gespecifieerd zijn moet de ingangs spanning meestal een paar volt van de voedingsspanningen vandaan blijven.

Zulke rail-to-rail opamps hebben intern aan de ingang een combinatie van p- en n- transistor paartjes. Het n- paar laat een overschrijding van de positieve voedingsspanning toe, het p- paar maakt een onderschrijding van de negatieve voedingsspanning mogelijk. Midden in dat bereik werken die paartjes samen, maar ergens meer naar buiten wordt er 1 paartje onwerkzaam.

Het ongelukkige is nu dat die twee paartjes doorgaans een verschillende input offset spanning hebben. Dit veroorzaakt intermodulatie vervorming in schakelingen waarbij er een flink common-mode signaal is, zoals bij niet inverterende versterker schakelingen.
Bij inverterende schakelingen, dus die waarbij de + ingang hard aan GND ligt is er niets aan de hand.

 

Opamps met rail-to-rail output.

Hier kan de output spanning zeer dicht bij de voedingsspanningen komen. Rail-to-rail input en rail-to-rail output gaat meestal samen, maar een opamp kan ook ˛f het een ˛f het ander hebben.

Hier is het nuttig om te weten dat zulke opamps een tamelijk hoogohmig uitgangs circuit hebben, gevormd door pnp- en npn -collectors bij bipolaire circuits en p- en n- drains bij Cmos. De uitgang is eerder een stroombron dan een spanningsbron, zoals gevormd door de emitter- of source volgers van "gewone" opamps.    

Je moet hier erg opletten met een capacitieve belasting van output. Daardoor kan er gemakkelijk een extra  pool ontstaan.

 

Advies: Gebruik geen rail-to-rail opamps in audio circuits. Gebruik ze ook niet in andere circuits, tenzij er een dwingende noodzaak is, zoals bij spullen die moeten werken bij een erg lage voedingsspanning of met slechts 1 voedingsspanning.

 

Top


De Frequentie afhankelijkheid van de versterking

 

Deze paragraaf is nog in aanbouw.

Ik zal hier t.z.t. ook de begrippen "pool" en  "dominante pool" uitleggen. Die hebben  in ieder geval niets te maken lieden uit een Midden-Europees land.


Een opamp met buizen

 

Uiteraard werden de eerste opamps met buizen gebouwd. De transistor is pas in 1947 uitgevonden, en geintegreerde circuits komen pas vanaf ca. 1965.

 

Fig 16.

Een opamp met buizen zou een dergelijk schema kunnen hebben. (Het gaat om het principe. Deze schakeling zou kunnen werken, maar het is geen beste opamp)

V1 en V2 vormen een z.g. long-tailed pair (R2 stelt het lange staartje voor dat er voor zorgt dat de gemeenschappelijke ingangsspanning weinig versterkt wordt)

Het anode signaal van V2 wordt doorgegeven via een neonlampje. Neon-lampjes hebben de eigenschap dat er een tamelijk constante spanning over valt, net zo als bij een zenerdiode.

V3 vormt een tweede trap met spannings versterking en de kathodevolger V4 voorziet in een redelijk lage uitgangs impedantie. 

De koppeling met neon lampjes is nodig omdat een opamp ook met DC of zeer laagfrequente signalen moet kunnen werken, je kunt dus geen condensator koppeling toepassen, maar je wilt wel dat het uitgangssignaal ongeveer rond GND potentiaal ligt. 
De instelpotmeter R1 is nodig om de input offset spanning weg te regelen. Bij een buizen schakeling is het zo goed als uitgesloten dat dat zonder individuele afregeling goed komt.

Top


Home