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 voorkómen 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. Daarvóór  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:

• De spanningsversterking is oneindig groot voor alle frequenties.

• De ingangs-stroom is nul voor alle frequenties.

• Een ingangs-verschilspanning van nul produceert een uitgangssignaal gelijk nul.

• De opamp is ongevoelig voor een gemeenschappelijk ingangssignaal.

• Er is geen intermodulatie vervorming.

• Er is geen ruisbijdrage.

• Er is geen invloed van de temperatuur of van variaties op de voedingsspanning.

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.

• De spanningsversterking is niet oneindig groot.
  De meeste opamps hebben een open lus versterking (DC-gain) van 10⁵, vaak zelfs 10⁶ of nog meer. Alleen als je met 1 opamp een zeer grote spannings versterking wilt maken moet je hierop letten. Zorg ervoor dat de open lus versterking minstens honderd keer groter is dan de versterking die je wilt hebben en hou terdege rekening met de volgende opmerking:
  

• De spanningsversterking neemt af met toenemende frequentie.
  Dit is de belangrijkste factor om rekening mee te houden bij audio schakelingen. 
  De kenmerkende specificaties hiervoor zijn het gain-bandwith product (GBP) en de vraag of de opamp stabiel is bij 1x spanningsversterking (Unity Gain Stable). Ook de begrippen "Phase Margin" en "Noise gain" hebben hier betrekking op.
  Ik heb er een aparte paragraaf aan gewijd.
  

• De ingangs impedantie is niet oneindig hoog.
  Hier heb je alleen last van bij schakelingen die een signaal uit een zeer hoogohmige bron moeten versterken, zoals en elektreet- of condensator microfoon.
  Opamps in C-mos of J-Fet technologie hebben steevast een hoge ingangs impedantie voor DC en laagfrequent. Soms is er een nogal grote ingangs capaciteit. 
  

• De ingangs impedantie is afhankelijk van het gemeenschappelijke nivo van de ingangen.
  In principe is bij alle opamps (geintegreerde circuits) de ingangs capaciteit afhankelijk van de gemeenschappelijke spanning op de ingangen. Dat komt omdat tenminste een deel van de ingangs capaciteit gevormd wordt door parasitare diodes. De capaciteit daarvan is altijd een beetje spannings afhankelijk.
  Het gaat om capaciteiten van hooguit enkele tientallen picofarads, en een variatie van een paar picofarad. In combinatie met hoogohmige signaalbronnen kan dit leiden tot extra intermodulatievervorming 
  Bij inverterende schakelingen, dus waar de + ingang hard aan GND ligt is er niets aan de hand.
  

• Er is een bepaald spanningsverschil  aan de ingang nodig om de uitgang precies op nul te krijgen. (Input Offset Voltage)
  Het gaat om een DC spanning van enkele millivolts in het ongelukkigste geval tot een paar micro volt bij de z.g. auto-zero opamps, dat opgeteld wordt bij het ingangs signaal en veelal mee versterkt wordt.
  In bijv. regelversterkers kunnen zulke offsets leiden tot klikjes bij het omschakelen. In eindversterkers kan het leiden tot een geringe gelijkstroom door de luidspreker. Meestal is dat geen enkel probleem. 
  In audio schakelingen wordt DC nooit van begin tot eind doorgegeven, dus een offset van de voorversterker komt niet in de luidsprekers terecht.
  Nog even een misverstand om uit de weg ruimen: Bij de Input Offset spanning gaat het niet om een minimale signaalspanning die aangelegd moet voordat er wat aan de uitgang gaat gebeuren en dat er daardoor vervorming ontstaat. Zo'n effect is bij opamps niet aanwezig. De offset is een gelijkspanninkje dat opgeteld wordt bij het ingangssignaal en soms meeversterkt wordt. 
  

• De Input Offset Voltage is afhankelijk van het gemeenschappelijke nivo van de ingangen.
  Je vindt dit bijna nooit gespecifieerd in het datasheet. Het verschijnsel doet zich echter steevast voor bij z.g. rail-to-rail opamps.
  Ook bij niet rail-to-rail opamps kan dit verschijnsel zich voordoen. Het resultaat is intermodulatie vervorming bij schakelingen met een common mode signaal.
  Bij inverterende schakelingen, dus waar de + ingang hard aan GND ligt is er niets aan de hand.
  

• Een gemeenschappelijk signaal op de ingangen wordt ook (een beetje) versterkt. (Common mode rejection niet perfect)
  Dit verschijnsel is zelden van belang. We komen in de audio techniek zelden situaties tegen waarbij er een groot ongewenst common-mode signaal is, en dan hebben we nog wel andere methoden om dat te elimineren.
  

• Er loopt in de ingangen een bepaalde gelijkstroom (Input Bias Current).
  Vooral bij bipolare opamps moet je hierop letten. C-mos en J-fet opamps hebben dit doorgaans veel minder.  Die stroom veroorzaakt in de weerstanden van het ingangscircuit een bepaalde spanning die zich gaat voordoen als een input offset voltage. Vaak kun je dit compenseren door de weerstanden aan de + en de - ingang gelijk te maken. 
  

• De input bias current is verschillend voor de beide ingangen (Input Offset Current)
  Tsja, dan help het gelijkmaken van de ingangs weerstanden ook niet meer. Je komt dit wel tegen bij C-mos of J-fet opamps waar de (zeer kleine) input bias current eigenlijk alleen een parasitaire lekstroom is. In audio toepassingen speelt het nooit een rol.
  

• De input bias current is afhankelijk van het gemeenschappelijke nivo van de ingangen.
  In beginsel levert dit intermodulatie vervorming op, maar alleen als het signaal common mode is, èn de weerstanden in het ingangs circuit zo groot zijn dat de input bias current daarover een substantiele spanning veroorzaakt.
   Bij inverterende schakelingen, dus waar de + ingang hard aan GND ligt is er niets aan de hand.
  

• Er is intermodulatie vervorming
  Iedere opamp heeft een bepaalde mate van vervorming. In het algemeen geldt dat als de open lus versterking N maal groter is dan de versterking die je wilt hebben, de vervorming van de "kale" opamp ook met die factor N gereduceerd wordt. Het probleem is dat de open lus versterking van een opamp afneemt met toenemende frequentie, en dan niet meer groot genoeg is om de vervorming voldoende te onderdrukken.
  De laatste jaren zijn er opamps op de markt gekomen die "van zichzelf" al erg weinig vervorming hebben, en bovendien ook bij de hoogste audio frequenties nog een flinke open lus versterking hebben. Ze worden door alle bekende opamp fabrikanten gemaakt en meestal in de markt gezet als "Audio OpAmp" of anderszins aanbevolen voor audio toepassingen.
  Gebruik voor audio uitsluitend opamps met een goede specificatie van de vevorming (THD). Als er geen THD specificatie op het datasheet van een opamp staat moet je ervan uitgaan dat het slecht is.
  

• Er is een ruisbijdrage.
  Net als discrete transistoren of buizen dragen ook opamps wat ruis bij. Er wordt altijd een ruis-spanningsbron gespecifieerd en soms ook een ruis-stroombron.
  De ruis-spanningsbron is meestal ook behept met shot-noise.  
  Zie het hoofdstuk over ruis en dat over "Noise Gain" 
  

• Er is een invloed van de voedingsspanning.
  De meeste opamps trekken zich zo goed als niets aan van de precize voedingsspanning. Als 15 Volt voorgeschreven is dan gaat het met 14 of 16 ook goed.
  Iets anders ligt het met audio frequente variaties op de voedingsspanning. Deze werken door naar de uitgang in een mate die gespecifieerd wordt als de "Power Supply Rejection Ratio". Voor heel lage frequenties is dit meestal een groot getal (het wordt vaak in dB uitgedrukt omdat je anders zo'n groot getal krijgt) 100 dB is geen uitzondering, maar het wordt bij toenemende frequentie altijd slechter. Gelukkig kunnen we er gemakkelijk voor zorgen dat de voedingsspanning goed vrij is van ongewenste signalen, juist ook bij hogere frequenties. Enkele goed gekozen en juist geplaatste condensatoren klaren deze klus. 
  

• Alle eigenschappen varieren met de temperatuur.
  Bij opamps zijn het vooral de offset spaning en de input bias stroom die met de temperatuur varieren. In veel elektronische apparatuur levert dat flink wat zorgen op, maar bij audio geven we het DC signaal meestal niet door de hele keten door en bovendien gebruiken we de apparatuur slechts in een vrij klein temperatuur gebied.. 
  De temperatuur stabiliteit is zelden een reden tot zorg.

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 òf het een òf 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

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