Operationele versterker

V₊: niet-inverterende ingang
V₋: inverterende ingang
V_out: uitgang
V_S+: +voeding
V_S−: -voeding

Een operationele versterker of (opamp van operational amplifier) is een actieve elektronische component, meestal in de vorm van een IC, met een zeer hoge versterkingsfactor A_o. In het Nederlands wordt een opamp ook wel verschilversterker genoemd.

V_out = A_o(V₊ - V_-)

Een ideale operationele versterker heeft een 'oneindig' grote versterkingsfactor A_o, een oneindig hoge ingangsimpedantie, en een uitgangsimpedantie gelijk aan 0. In de praktijk worden deze waarden op zijn ongunstigst: versterkingsfactor ca 10⁵ en (veel) hoger, ingangsimpedantie in de orde van grootte van Mega-ohms en de uitgangsimpedantie rond de 10 Ohm. De uitgangsspanning wordt doorgaans beperkt door de aangelegde voedingsspanning, terwijl ook de maximale uitgangsstroom afhankelijk is van externe spanningsbron.

Om met een opamp een praktisch bruikbare versterkerschakeling te maken wordt tegenkoppeling toegepast.

[bewerk] Basisschakelingen met opamps

[bewerk] Inverterende versterker

Inverterende versterker met
A = -R₂ / R₁

Deze schakeling heeft de volgende eigenschappen:

Versterkingsfactor: A = - R₂ / R₁
Ingangsimpedantie: R₁
Uitgangsimpedantie: laag (low)

Werking: Door de zeer hoge versterking van de opamp zal een gering spanningsverschil tussen de beide ingangen de uitgang tot aan de voedingsspanning sturen. De terugkoppeling voorkomt dit. De uitgang levert zo veel stroom door R₂ als nodig is om de spanning op de inverterende ingang gelijk te maken aan die op de niet-inverterende ingang (0 Volt). R₁ en R₂ vormen een soort hefboom rond het virtuele aardpunt op de inverterende ingang.

[bewerk] Niet-inverterende versterker

Niet-inverterende versterker metA = 1 + (R2 / R1)

Niet-inverterende versterker met
A = 1 + (R₂ / R₁)

Eigenschappen:

Versterking: A = 1 + (R₂ / R₁)
Ingangsimpedantie: zeer hoog
Uitgangsimpedantie: laag

Werking: De weerstanden R₂ en R₁ vormen samen een spanningsdeler die ervoor zorgt dat op de inverterende ingang dezelfde spanning komt te staan als op de niet-inverterende ingang. Het geheel werkt als een hefboom met als draaipunt het aardpunt.

[bewerk] Spanningsvolger

Spanningsvolger met A = 1

Eigenschappen:

Versterking: A = 1
Ingangsimpedantie: zeer hoog
Uitgangsimpedantie: laag

Werking: De opamp regelt de uitgangsspanning naar dezelfde waarde als de ingangsspanning. De ingang trekt vrijwel geen stroom; alle stroom wordt door de uitgang geleverd.

[bewerk] Sommator

Sommator-schakeling met 3 ingangen

Een sommator kan een aantal signalen ieder met een eigen vermenigvuldigingsfactor bij elkaar optellen. Het is eigenlijk een uitbreiding op de inverterende versterker. Het aantal ingangen is uitbreidbaar. $V = - { R2 \over R11} \cdot U_{E1} - { R2 \over R12} \cdot U_{E2} - { R2 \over R13} \cdot U_{E3}$

[bewerk] Differentiële versterker

Differentiële versterker met 2 ingangen

Wanneer deze versterker als inverterende versterker wordt gebruikt, wordt de (+)-ingang met massa verbonden, en geldt: $U_{a1} = -{ R2 \over R1} \cdot U_{e-}$ Wanneer de versterker als niet-inverterende versterker wordt gebruikt, wordt de (-)-ingang met massa verbonden, en geldt: $U_{a2} = { R4 \over {R3 + R4}} \cdot{ {R1 + R2} \over R1} \cdot U_{e+}$ Voor de schakeling geldt in het algemeen: $U_{a} = { R4 \over {R3 + R4}} \cdot{ {R1 + R2} \over R1} \cdot U_{e+} -{ R2 \over R1} \cdot U_{e-}$

[bewerk] Integrator

Integrator

Bij de integrator vindt terugkoppeling plaats via een condensator. Om bij een gelijkblijvende spanning op de ingang de verschilspanning op nul Volt te houden, zal de integrator een constante elektrische stroom naar de condensator sturen. Hierdoor zal de uitgangsspanning lineair stijgen of dalen (net zo lang totdat de maximale uitsturing is bereikt). De integrator integreert de ingangsspanning volgens onderstaande formule: $U_{a} = - {1 \over {C \cdot R}} \cdot U_{e} \cdot t$ De integrator wordt in de meet- en regeltechniek toegepast.

Wanneer een extra weerstand parallel aan de condensator wordt geplaatst, ontstaat een zgn. tamme integrator. Deze werkt als een laagdoorlaatfilter.

[bewerk] Differentiator

Differentiator

Bij de differentiator wordt net zoals bij de integrator een condensator toegepast, alleen niet in de terugkoppelweg, maar aan de ingang. Wanneer er een spanningsverandering aan de ingang optreedt, zal er een laad- of ontlaadstroom door de condensator lopen, en zal de uitgangsspanning variëren. De differentiator differentieert de ingangsspanning volgens onderstaande formule:

$U_{a} = - {{C \cdot R}} \cdot {{\Delta U_{e}} \over {\Delta t}}$