Operationsförstärkare, grundkopplingar
Operationsförstärkare (OP, OP-förstärkare) används ofta när man vill förstärka en signal. Tack vare deras enkelhet sparar man både plats och tid i sina byggen. För att kunna använda operationsförstärkare bör man känna till tre grundkopplingar för dessa eftersom de utgör grunden för alla andra varianter.
Inverterande: förstärkning (gain), G = -RA/RB
Icke-inverterande: G = 1 + RA/RB
Spänningsföljare: G = 1, Uin = Uut
Som man ser så kan man inte få en förstärkning lägre än 1 för en icke-inverterande förstärkare. Den inverterande varianten vänder på signalen, men tillåter G < 1. Ingångsimpedansen för den inverterande förstärkaren är lika med ingångsmotståndet, RB. För den icke-inverterande förstärkaren är ingångsimpedansen beroende av ingångens impedans (signalen går direkt in på +).
Till sist har vi spänningsföljaren som enbart är en strömförstärkare. Denna koppling används ofta för att öka drivförmågan hos en krets eller också vanligen ge en hög ingångsimpedans. Drivförmågan, utimpedansen samt inimpedansen avgörs av valet av operationsförstärkare,
Teori
Hur analyserar man då en koppling med en operationsförstärkare? För det behöver vi lite teori om hur en operationsförstärkare fungerar.
OP-förstärkaren i bilden ovan har två ingångar märkta + och - samt en utgång. Dessutom har den två anslutningar för matningsspänning, V+ och V-. Normalt ansluter man en positiv spänning till V+ och en lika negativ spänning till V- (t.ex +-12V), men OPn bryr sig inte ett dugg om matningen är symmetrisk eller inte. Man kan lika gärna ansluta 0V och 12V eller -3V och 9V. Så länge V+ är större än V- fungerar den (så länge inte spänningen är så hög att den går sönder).
Så hur väljer man matningsspänning? Ja det beror på vad man skall använda OP-förstärkaren till. Spänningarna på in- och utgångar måste nämligen ligga mellan V+ och V-. Dessutom måste man normalt ha lite marginal till V+ och V-. Hur mycket beror på vilken OP man använder. Vissa är av typen rail-to-rail vilket betyder att den användas ända ut till matningsspänningarna (sånär som på några millivolt).
Nu när vi gått igenom OP-förstärkarens anslutningar är det dags att titta närmare på hur den arbetar. Det enda den gör är att förstärka spänningsskillnaden mellan plusingången och minusingången. Förstärkningen (G) är oftast ett par tusen gånger och uppåt. Så om vi lägger 2V på minusingången och 3.5V på plusingången borde vi med en förstärkning G=100000 få:
Vut=[Vin(+) - Vin(-)]*G = 150kV
Givetvis kan OPn inte lämna 150kV. Det räcker alltså med en väldigt liten spänningsskillnad mellan + och - för att utgången skall "slå i" V+ eller V-. Det krävs en så liten spänningsskillnad att om utspänningen ligger inom sitt tillåtna intervall (linjära område), säger man att Vin(+) = Vin(-). Detta är en av två gyllene regler då man räknar på OP-kopplingar. Den andra regeln är att ingen ström flyter in på plus- eller minusingången.
Alltså, OP-kopplingarnas två gyllene regler:
Vin(+)=Vin(-), om utspänningen inom linjära området
Ingen ström flyter in på OP-förstärkarens ingångar
Nu när vi kan de två gyllene reglerna blir det ganska enkelt att analysera de tre grundkopplingarna i början av artikeln. Vi börjar med spänningsföljaren.
Spänningsföljaren
Vi börjar med att konstatera att vi har Vin vid plusingången. Om vi förutsätter att utgången är inom sitt linjära område har vi samma spänning vid minusingången. Eftersom den är ihopkopplad med utgången måste alltså utspänningen vara lika med inspänningen. Stämmer det här alltid? Ja, så länge vårt antagande att utgången är inom sitt linjära område gäller, det vill säga så länge V- < Vin < V+.
Inverterande förstärkare
Precis som för spänningsföljaren börjar vi med att använda den första regeln. Eftersom plusingången är jordad måste det ligga 0V även på minusingången (virtuell jord). Spänningen över RB är då Vin och strömmen genom RB är I=Vin/RB. Den här strömmen kan inte flyta in på minusingången, på grund av den andra regeln. Därför flyter den genom RA. Därigenom uppstår ett spänningsfall genom RA som är lika med Vf=I*RA. Spänningen har fallit från 0V (spänningen på plusingången) så utspänningen är alltså:
Vut =-Vf = -I*RA = -Vin*RA/RB
Icke-inverterande förstärkare
I den icke-inverterande förstärkaren är utgången kopplad till en spänningsdelare. Den delade spänningen, som ges av Vut*RB/(RA+RB), läggs till minusingången. Av den första regeln måste denna spänningen vara lika med Vin. Om man vänder lite på spänningsdelningsekvationen får man uttrycket för utspänningen.
Mer att läsa
På det här sättet gör man när man räknar på OP-kopplingar. De två gyllene reglerna och vanlig kretsanalys räcker långt. Kom bara ihåg att reglerna gäller under vissa förutsättningar och är i praktiken bara användbara för återkopplade förstärkare som de i den här artikeln. Om OPn används i andra sammanhang (t.ex som komparator) gäller andra beräkningsregler. Slutligen finns det många andra källor som behandlar OP-förstärkare. Nästan alla läroböcker i analogelektronik samt ett flertal sidor på nätet kan ge ytterligare information.