Operasjonsforsterker

Operasjonsforsterkeren (ofte forkortet til op-amp) er en elektronisk forsterker som brukes i analoge elektroniske systemer. Den brukes alltid sammen med passive komponenter, og kan da forsterke et signal eller utføre vanlige matematiske operasjoner på ett eller flere signaler, som addisjon, subtraksjon, tidsintegrasjon og tidsderivasjon.

Skjematisk fremstilling av en operasjonsforsterker oppe. Koblingen nede gir 1+(R2/R1) ganger forsterkning og inngangsresistansen er gitt av R3.

En operasjonsforsterker er oppbygd av ulike transistorkoplinger som ideelt sett skal gi en differensialforsterker med uendelig høy inngangsimpedans, uendelig høy råforsterking og null utgangsimpedans. Ved å bygge ett nettverk av passive komponenter som motstander, spoler og kondensatorer rundt operasjonsforsterkeren, kan en styre utgangssignalet med inngangssignalet etter ønske. En ideell operasjonsforsterker kan da kontrolleres ved hjelp av passive tilbakekoplinger alene. Dette gjør operasjonsforsterkren lite sensitiv for miljøpåvirkninger som eksempelvis temperatur eller prosessvariasjoner under kretsproduksjonen.

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 opprinnelig ut av miljøet rundt analoge regnemaskiner.

Tidlige 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

Operasjonsforsterkeren har fem prinsipielle tilkoplinger:

• • to innganger (p og m)
  • en utgang (u)
  • to spenningsforsyningstilkoblinger
• Den har ingen jordtilkobling.
• Noen forsterkere har flere tilkoblinger, som for justering av 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 ideelt sett av U_u = A*(U_p-U_m) ved lave frekvenser. Her er

• A råforsterkningen (100.000 til 1 000 000 er en vanlig verdi)
• U_p-U_m spenningsdifferansen mellom de to inngangene
• U_u er utgangsspenningen. Den ligger alltid innen spenningsforsyningens grenser og refereres oftest til jord. Noen eksterne komponenter har også jordtilkobling.
• Up: spenningen på den positive inngangen (øker U_p, øker U_u)
• Um: spenningen på den negative inngangen (øker U_m, avtar U_u)
• (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 inngangens offsetspenning.)

U_p-U_m er alltid svært nær 0 V når forsterkeren ikke er i metning, siden verdien av A er så høy. Hvor U_p (og dermed U_m) befinner seg er prinsipielt likegyldig. Noen operasjonsforsterkere tillater at de kan ligge en del utenfor forsyningsspenningen.

Siden råforsterkningen A er svært stor bruker en ikke operasjonsforsterkeren uten eksterne komponenter med forsterkningsreduserende virkning ved hjelp av 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 eller -signaler, 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 operasjonsforsterkeren er, og kalles GBP, (engelsk) Gain-Bandwidth Product (forsterknings-båndbredde-produkt).

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