Operasjonsforsterker

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk
Skjematisk fremstilling av en operasjonsforsterker oppe. Koblingen nede gir 1+(R2/R1) ganger forsterkning

Operasjonsforsterkeren (ofte forkortet til op-amp) er en elektrisk forsterker som brukes i analoge elektroniske systemer. Den utfører vanlige matematiske operasjoner som addisjon, subtraksjon, integrasjon og derivasjon på elektriske spenninger.

Operasjonsforsterkere er oppbygd av ulike transistorkonfigurasjoner som ideelt sett skal gi en differensialforsterkere med uendelig høy inngangsimpedans, uendelig høy råforsterking og null utgangsimpedans. Ved å bygge ett nettverk av passive komponenter som motstander og kondensatorer rundt operasjonsforsterkaren, kan en styre utgangssignalet på operasjonsforsterkeren. En ideell operasjonsforsterker kan da kontrolleres ved hjelp av passive tilbakekoplinger alene. Dette gir operasjonsforsterkren lite sensitiv til miljøpåvirkninger som til dømmes varme eller prosessvariasjoner under kretsproduksjonen.

I spesialiserte analoge regnemaskiner kan det brukes variasjoner av en operasjonsforsterker som har avvikende egenskaper.

Tanken er hovedsakelig at en ingeniør skal kunne konsentrere seg om den ønskede funksjonen og slippe å kreere en hel forsterker for hver funksjon han ønsker seg. Operasjonsforsterkeren vokste ut av miljøet rundt analoge regnemaskiner.

Tidligere operasjonsforsterkere var moduler oppbygd av diskrete komponenter med radiorør som aktive forsterkerelementer. Med bruk av transistorer kunne modulene bli laget mindre i fysisk størrelse. Enda senere kunne én eller flere operasjonsforsterkere bli plassert i en liten integrert krets. I dag finnes operasjonsforsterkere praktisk utelukkende som integrerte kretser.

Tilkoblinger[rediger | rediger kilde]

Operasjonsforsterkeren har fem prinsipielle tilkoplinger:

    • to innganger (p og m)
    • en utgang (u)
    • to spenningsforsyningstilkoblinger
  • Det fins ingen jordtilkobling.
  • Noen forsterkere har flere tilkoblinger, som for kompensasjon ved høye frekvenser eller for innstilling av offsetspenningen til 0.

Forsterkningen er svært høy ved lave frekvenser, og tas ned ved bruk av eksterne komponenter som hovedsakelig kontrollerer graden av tilbakekopling.

Operasjonsforsterkeren selv beskrives ideellt sett av Uu = A*(Up-Um) ved lave frekvenser. Her er

  • A råforsterkningen (100.000 til 1 000 000 er en vanlig verdi)
  • Up-Um spenningsdifferansen mellom de to inngangene
  • Uu er utgangsspenningen. Den ligger alltid innen spenningsforsyningens grenser og refereres oftest til jord. De eksterne komponentene bruker også jordtilkobling.
  • Up: spenningen på den positive inngangen (øker Up, øker Uu)
  • Um: spenningen på den negative inngangen (øker Um, avtar Uu)
  • (Ved null spenning inn kan det likevel i praksis ligge en spenning på utgangen. Denne feilspenningen regnes å ha sitt opphav ved inngangen og kalles innganges offsetspenning.)

Up-Um er alltid svært nær 0 V når forsterkeren ikke er i metning, siden A's verdi er så høy. Hvor Up (og dermed Um) befinner seg er prinsipielt likegyldig. Noen operasjonsforsterkere tillater at de kan ligge langt utenfor forsyningsspenningen.

Siden råforsterkningen A er svært stor bruker en ikke forsterkeren uten eksterne komponenter med forsterkningsreduserende virkning ved negativ tilbakekobling. Et unntak er når operasjonsforsterkeren (mis)brukes som spenningskomparator. Da er utgangsspenningen alltid mettet til enten nær positiv eller nær negativ forsyningsspenning og nivået angir hvilken av inngangsspenningene som har størst verdi.

Det finnes en rekke standardkoblinger med passive komponenter rundt operasjonsforsterkeren for å oppnå ønskede funksjoner.

De aller mest sentrale koblingene er:

  • Ikke-inverterende spenningsforsterker med ønsket forsterkningsmengde
  • Inverterende spenningsforsterker med ønsket forsterkningsmengde
  • Spenningsfølger (1 x forsterkning; utgangen kan drive mere strøm en kilden kan)
  • Inverter (-1 x forsterkning)
  • Lav-, bånd- og høypassfilter. Se Pol
  • Strøm-til-spenningsomformer (transresistansforsterker)
  • Adderer (adderer flere enkeltspenninger, som i en miksepult for lyd)

Operasjonsforsterkere har en fundamental innebygget pol; råforsterkningen A har en øvre grensefrekvens. Over denne frekvensen avtar spenningsforsterkningen omvendt proporsjonalt med frekvensen, som er det samme som med 6 dB per oktav eller 20 dB per dekade. For et hvilketsomhelst punkt på denne flanken gjelder at forsterkningen ved en frekvens ganger denne frekvensen er et konstant tall. Tallet uttrykker hvor hurtig forsterkerblokken er og kalles GBP, (engelsk) Gain-Bandwidth Product (forsterknings-båndbredde-produkt).

Se ellers forsterker, avsnitt operasjonsforsterker, for mere informasjon og illustrasjoner.