Praktische Overwegingen voor Operationele Versterkers

Echte operationele versterkers afwijken in meerdere opzichten van het ideale model: invoer‑offset, eindige common‑mode‑afwijzing, invoer‑biasstromen, temperatuurdrijving, en frequentie‑afhankelijke versterking en fase. Het begrijpen van deze non‑idealiteiten is essentieel voor het ontwerpen van robuuste analoge schakelingen. Hoewel veel fouten verwaarloosbaar zijn in eenvoudige toepassingen, kunnen ze kritisch worden in precisie‑instrumentatie, signaalconditie of hoog‑snelheidssystemen. In sommige gevallen kan het effect gecompenseerd worden; in anderen is een hogere‑kwaliteit, duurdere component vereist.

Common‑mode versterking

In een ideale differentiële versterker is de uitgang strikt een functie van het spanningsverschil tussen de twee ingangen. Wanneer de ingangen met elkaar verbonden zijn (nul differentiële spanning), mag een toegepaste common‑mode spanning, V_CM, de uitgang niet wijzigen. De ideale common‑mode spanningstersterkte is daarom nul.

Echte op‑amps vertonen echter een kleine common‑mode versterking. De common‑mode rejection ratio (CMRR) is gedefinieerd als de verhouding van differentiële tot common‑mode versterking:

Voor de klassieke 741 ligt de CMRR gemiddeld rond 70 dB, equivalent aan een verhouding van ongeveer 3.000:1. Omdat de differentiële versterking meestal orde‑groottes groter is, is de impact van common‑mode versterking meestal gering wanneer negatieve feedback toegepast wordt. Toch kunnen in instrumentatie‑typische configuraties, weerstandsmismatch significante common‑mode versterking introduceren, zoals hieronder gedemonstreerd.

Hieronder volgt een SPICE‑simulatie van een instrumentatie‑versterker met de ingangen kortgesloten en een varierende common‑mode spanning. In het perfect gebalanceerde circuit blijft de uitgang op nul volt over de hele sweep:

instrumentation amplifier
v1 1 0
rin1 1 0 9e12
rjump 1 4 1e-12
rin2 4 0 9e12
e1 3 0 1 2 999k
e2 6 0 4 5 999k
e3 9 0 8 7 999k
rload 9 0 10k
r1 2 3 10k
rgain 2 5 10k
r2 5 6 10k
r3 3 7 10k
r4 7 9 10k
r5 6 8 10k
r6 8 0 10k
.dc v1 0 10 1
.print dc v(9)
.end

v1 v(9)
0.000E+00 0.000E+00
1.000E+00 1.355E-16
2.000E+00 2.710E-16
3.000E+00 0.000E+00
4.000E+00 5.421E-16
5.000E+00 0.000E+00
6.000E+00 0.000E+00
7.000E+00 0.000E+00
8.000E+00 1.084E-15
9.000E+00 -1.084E-15
1.000E+01 0.000E+00

Het introduceren van een kleine weerstandsonbalans (bijv. verhogen van R₅ van 10 kΩ naar 10,5 kΩ) produceert een meetbare common‑mode versterking, zoals te zien in de volgende output sweep:

v1 v(9)
0.000E+00 0.000E+00
1.000E+00 -2.439E-02
2.000E+00 -4.878E-02
3.000E+00 -7.317E-02
4.000E+00 -9.756E-02
5.000E+00 -1.220E-01
6.000E+00 -1.463E-01
7.000E+00 -1.707E-01
8.000E+00 -1.951E-01
9.000E+00 -2.195E-01
1.000E+01 -2.439E-01

Hoewel de invoerdifferentieel nul blijft, varieert de uitgang nu met ~0,24 V over een 0‑10 V common‑mode sweep, wat illustreert hoe weerstandsmismatch ongewenste common‑mode versterking kan genereren. De oplossing is voor de hand liggend: zorg voor nauwkeurige weerstandsmatching en, indien mogelijk, voeg een trim‑potentiometer toe aan het feedback‑netwerk van de laatste op‑amp om residuele common‑mode versterking te nullen.

Offset‑spanning

Offset‑spanning is de spanning die op de uitgang verschijnt wanneer de twee ingangen met elkaar verbonden zijn. Ideaal zou dit nul zijn; in de praktijk is het vaak een paar millivolt en kan het de uitgang naar verzadiging drijven, vooral in single‑supply ontwerpen. Offset wordt uitgedrukt als een equivalente invoerspanning die de waargenomen uitgang zou produceren wanneer toegepast op een perfect ideale versterker:

Fabricanten voorzien veel op‑amps van offset‑null pennen (bijv. pennen 1 en 5 op de 741 8‑pins DIP). Door een kleine potentiometer tussen deze pennen en de invoer‑bias‑spanning te koppelen, kan de gebruiker de offset fijn afstellen naar bijna nul. Niet alle op‑amps blootleggen offset‑null pennen; raadpleeg de datasheet voor het specifieke deel.

Bias‑stroom

Op‑amps hebben hoge ingangsimpedantie, maar de bias‑stroom – meestal een paar microampères – is nodig om de interne ingangsstufe te laten werken. In schakelingen waar een enkele invoer verbonden is met een hoge‑impedantie bron (bijv. een thermokoppel of een pH‑elektrode), kan de bias‑stroom een spanningsval over de serie‑weerstand creëren, wat leidt to meetfouten.

Bijvoorbeeld, in een spanningsvolger‑configuratie met een 1 MΩ bronweerstand, produceert een 10 µA bias‑stroom een 10 mV fout. De gangbare techniek om dit te mitigeren is om een weerstand van gelijke waarde aan de andere invoer toe te voegen, zodat de bias‑stroom‑spanningsvallen gebalanceerd worden:

In inverterende of niet‑inverterende versterkers wordt de compenserende weerstand gekozen om de parallelle combinatie van de twee weerstanden in het feedback‑netwerk te matchen:

Correcte grounding van de voeding is ook cruciaal. Zonder een gemeenschappelijke massa hebben bias‑stromen geen pad om te vloeien, wat de ingangsstufe van de op‑amp oneffectief maakt. Zorg er altijd voor dat één terminal van de voeding verbonden is met de circuit‑massa‑referentie.

Drijving (Drift)

Temperatuurschwankingen veroorzaken dat de bias‑stroom, offset‑spanning en andere parameters drijven. De mate van drijving varieert met de apparaattechnologie; JFET of MOSFET invoer op‑amps vertonen doorgaans lagere drijving dan bipolaire ontwerpen. Het selecteren van een laag‑drijvende component en, waar hoge nauwkeurigheid vereist is, het handhaven van een stabiele temperatuuromgeving (bijv. met een temperatuur‑gecontroleerde behuizing) zijn de meest effectieve tegenmaatregelen.

Frequentierespons

Hoge differentiële versterking maakt op‑amps gevoelig voor feedback‑oscillatie. Een eenvoudige spanningsvolger gebouwd met een 3130 kan oscilleren tenzij een compensatiecondensator tussen de twee speciale “compensatie” pennen wordt toegevoegd. Zelfs wanneer een condensator intern is (zoals in de 741), daalt de AC‑versterking met de frequentie, wat de bruikbare bandbreedte beperkt.

Fabricanten publiceren frequentierespons‑curves (versterking vs. frequentie). Ontwerpers moeten deze raadplegen bij het specificeren van de gesloten‑lus‑bandbreedte om prestatievermindering of instabiliteit te vermijden.

In‑naar‑uit faseverschuiving

Om faseverschuiving te illustreren, maten we de OPA227 in een niet‑inverterende configuratie met een 34× versterking (~50 dB). De open‑lus‑versterking snijdt de 50 dB gesloten‑lus lijn op ongeveer 22 kHz, wat een dominante pool vestigt. Gevolgelijk verschuift de gesloten‑lus‑fase als volgt:

• ~0° bij 2,2 kHz (één decaad onder de pool)
• ~45° bij 22 kHz (op de pool)
• ~90° bij 220 kHz (één decaad boven de pool)

Oscilloscoop‑opnames bevestigen deze voorspellingen: geen faseverschuiving bij 2,2 kHz, ~45° bij 22 kHz, en ~90° bij 220 kHz.

Gerelateerde werkbladen

• Optel‑ en Aftrek‑schakelingen Op‑Amp Werkblad
• Inverterende en Niet‑inverterende Op‑Amp Spanningversterker Schakelingen Werkblad