Precisie Spanningvolger: Op-amp Terugkoppeling Onder de Loep voor Accuraat Signaalvolgen

Onderdelen en Materialen

• Operationele versterker: model 1458 of 353 (Radio Shack catalogus # 276‑038 en # 900‑6298, respectievelijk)
• Drie 6-volt batterijen
• 10 kΩ lineaire potentiometer (Radio Shack catalogus # 271‑1715)

Naslagwerken

Lessons In Electric Circuits, Deel 3, Hoofdstuk 8: "Operationele Versterkers."

Leerdoelen

• Demonstreren hoe een op-amp geconfigureerd wordt als spanningvolger.
• Uitleggen van de rol van negatieve terugkoppeling bij het bereiken van een eenheidsversterking.
• Een systematische troubleshooting-aanpak voor op-amp circuits uiteenzetten.

Schematisch Diagram

Illustratie

Instructies

In eerdere experimenten gebruikten we de op-amp in een open-lus configuratie, wat de maximale spanningsversterking levert. Hoewel dit nuttig is voor comparator-toepassingen, verzadigt het de uitgang snel bij elke niet-nul differentiële invoer. Om de op-amp als echte versterker met voorspelbare versterking te gebruiken, introduceren we negatieve terugkoppeling.

Door de uitgang direct met de inverterende (−) ingang te verbinden, past de op-amp de uitgang automatisch aan zodat de spanning op de inverterende ingang gelijk is aan die op de niet-inverterende (+) ingang. Met deze directe terugkoppeling gedraagt het circuit zich als een spanningvolger – een eenheidsversterkende buffer die de invoerspanning met microvolt-precisie op de uitgang reproduceert.

Meet de spanning op de niet-inverterende ingang (tussen de + ingang en grond) en op de uitgang (tussen de uitgangsterminal en grond). Terwijl je de potentiometer draait, observeer je dat de uitgang de invoer nauwkeurig volgt.

Voor een nog directere beoordeling, plaats een voltmeter over de twee ingangsterminals. Over het grootste deel van het bereik van de potentiometer zal de foutspanning verwaarloosbaar zijn.

Wanneer de potentiometer op een extreme staat ingesteld, kun je een meetbare fout waarnemen, met name bij de 1458 of 353 modellen. Deze op-amps kunnen hun uitgang niet helemaal tot de voedingsrails (+18 V en 0 V) laten zwingen. Meestal blijven ze ongeveer 1–2 V tekort, een veelvoorkomende beperking waar ontwerpers rekening mee moeten houden. Als rail-to-rail prestaties vereist zijn, overweeg dan een op-amp zoals de 3130.

Spanningvolgers zijn onmisbaar wanneer de bron een hoge impedantie heeft en niet belast mag worden. Hoewel de spanningsversterking één is, stelt de lage uitgangsimpedantie van de volger het signaal in staat om zwaardere lasten te sturen zonder vervorming.

Ze dienen ook als praktisch diagnostisch hulpmiddel. Als een op-amp in een complex circuit verdacht wordt van defect te zijn, herwireer het dan als een eenvoudige spanningvolger. Een gezonde op-amp zal de invoerspanning nauwkeurig repliceren; het niet kunnen doen duidt op een defect apparaat.

Computersimulatie

Schematisch met SPICE-knooppunternummers:

Netlist (kopieer het volgende in een tekstbestand genaamd voltage_follower.cir):

Spanningvolger
vinput 1 0
rbogus 1 0 1meg
e1 2 0 1 2 999meg
rload 2 0 10k
.dc vinput 5 5 1
.print dc v(1,0) v(2,0) v(1,2)
.end

In dit model wordt de op-amp voorgesteld door een afhankelijke spanningsbron (e1) met een open-lus versterking van 999 MΩ. De grote rbogus weerstand (1 MΩ) en de lastweerstand (rload) bieden de benodigde DC-paden voor SPICE om te convergeren.

Gerelateerd Werkblad

• Positieve Terugkoppeling Op‑Amp Circuits Werkblad