Innenfor analog elektronikk er behandling av signaler et viktig felt. Her kommer operasjonsforsterkeren inn i bildet. På engelsk er dette «operational amplifier», med «op amp» som en mye brukt forkortelse – også på norsk.

Jobben til denne komponenten er å forsterke et signal som gis til den. Mer konkret er det differansen i spenning på inngangene som forsterkes. Signalet inn kan også inverteres, da får spenningen på utgangssignalet motsatt fortegn.

Operasjonsforsterkeren er en mye brukt komponent som masseproduseres og brukes i alt mulig rart utstyr i dagens samfunn.

Feedback

Siden mange operasjonsforsterkere kan forsterke svært mye, betyr det at de er veldig sensitive og trenger en form for «feedback» som demper inngangssignalet:

Hvis inngangssignalet IKKE dempes vil utgangssignalet som regel bli begrenset av maksspenningen som operasjonsforsterkeren klarer å yte. Dette er driftsspenningen og vanligvis mindre enn 20V. Alt over dette nivået "klippes" bort og gjør utsignalet rimelig ubrukelig.

Arbeidsområde

Når en operasjonsforsterker produserer et utsignal (med enten positiv eller negativ spenning) og denne er lavere enn driftsspenningen, sies det at den opererer innenfor sitt lineære arbeidsområde .. En endring i inngangssignalet vil da også gi en endring i utgangssignalet.

Formler

Innenfor det lineære arbeidsområdet er det så liten spenningsdifferanse på inngangene at man kan sette $v_{p}=v_{n}$ . Altså sier man at spenningen er lik på inngangene. Dette forenkler utregningene betydelig.

Trenger man å sette opp Kirchhoff-ligninger for strøm kan man også anta at strøm inn på signalinngangene er 0. Men den er ikke nødvendigvis 0 på utgangen.

Velger man å forholde seg til disse forenklingene betyr det at man behandler operasjonsforsterkeren som om den var ideell (dvs. perfekt). Oppsiden er at det blir mindre hodebry når man skal regne. Nedsiden er at svaret kanskje kan avvike litt, eller bittelitt, fra det som ville vært tilfellet i virkeligheten.

Konfigurasjoner

Størrelsene på resistorene og hvordan inngangene på en operasjonsforsterker benyttes, kan gi veldig forskjellige resultat. Så det finnes flere forskjellige konfigurasjoner å velge mellom, alt ettersom hvilken arbeidsoppgave man ønsker at operasjonsforsterkeren skal utføre.

Her er 6 stk. forskjellige konfigurasjoner som skal forsøke å vise forskjellene:

I illustrasjonen over forsterker alle operasjonsforsterkerne 100 000 ganger. Altså er spenningen ut lik spenningsdifferansen på inngangene, men ganget 100 000 ganger (!).

Hvis spenningen på minus (inverteringsinngangen) er høyest, gjør dette at utgangssignalet får motsatt fortegn. Alle konfigurasjonene har feedback fra utgangssignalet så inngangssignalet blir dempet. Driftsspenningen og dermed det lineære arbeidsområdet er satt til $v_{cc}\pm15V$ .

For alle konfigurasjonene kan man anta at operasjonsforsterkeren er ideell. Så signalinngangene trekker ikke strøm. Og for å få enklere utregninger benyttes $v_{p}=v_{n}$ for inngangssignalet.

Konfigurasjon #1

Dette er enkleste eksemplet. Plussinngangen (ikke-inverterende inngang) blir $v_{s}=v_{p}=1V$ . Takket være grenen for feedback blir utgangssignalet $v_{o}=10V$ . Dette er godt innenfor maksgrensen på 15V. Mao. er $v_{o}=10v_{s}$ , så $g=10$ er forsterkningen.

Legg merke til hvor lav spenningsdifferanse ( $99.99\mu V$ ) det er på inngangene. Da kan man sette $v_{s}=v_{p}=v_{n}=1V$ .

Sammenhengene i kretsen kan man finne ved å benytte Kirchhoffs strømlov, som så forenkles fordi man antar ideelle forhold. For å finne spenninger fra spenningskilder, i tilfelle disse er adskilt med resistorer, benyttes Ohms lov.

Formel for feedback-gren

$v_{n}=v_{o}\cdot\frac{R_{n}}{R_{n}+R_{f}}$ som gir $v_{o}=v_{n}\frac{R_{n}+R_{f}}{R_{1}}$

Med tallstørrelser

$v_{n}=10V\cdot\frac{1k\Omega}{1k\Omega+9k\Omega}=10V\cdot\frac{1}{10}=1V$ ,

$v_{o}=1V\cdot\frac{1k\Omega+9k\Omega}{1k\Omega}=1V\cdot10=10V$

Uansett spenning fra $v_{s}$ så vil $v_{o}$ bli tidobbelt, så lenge operasjonsforsterkeren opererer innenfor det lineære arbeidsområdet.

Konfigurasjon #2

Dette eksemplet er ganske likt #1. Forskjellen er invertering så utgangssignalet får motsatt fortegn.

Plussinngangen har ikke spenning, $v_{p}=0V$ . Mao. må $v_{n}$ nesten være 0 den også. Ved utregning kan man da forenkle og sette $v_{n}=v_{p}=0$ .

Formel for feedback

$v_{o}=-\frac{R_{f}}{R_{n}}\cdot v_{s}$ som gir $v_{s}=-\frac{R_{n}}{R_{f}}\cdot v_{o}$

Med tallstørrelser

$v_{o}=-\frac{10k\Omega}{1k\Omega}\cdot1V=-10\cdot1V=-10V$ $v_{s}=-\frac{1k\Omega}{10k\Omega}\cdot(-10)=-\frac{1}{10}\cdot(-10V)=1V$

Så lenge man er innenfor det lineære arbeidsområdet blir $v_{o}$ det tidobbelte av $v_{s}$ , men med motsatt fortegn.

Konfigurasjon #3

Denne ser annerledes ut enn konfigurasjon #1, men fungerer likt.

Operasjonsforsterkeren trekker ikke strøm, så det blir ikke noe spenningsfall over resistorene etter spenningskildene $v_{a}=1V$ og $v_{b}=1V$ . (Da antar man at operasjonsforsterkeren er ideell.) Man kan da sette $v_{a}=v_{b}=v_{p}=v_{n}$ og gjøre samme utregninger som i konfigurasjon #1.

For å skape spenningsfall over resistorene etter $v_{a}=1V$ og $v_{b}=1V$ , måtte man gjort som i konfigurasjon #5.

Konfigurasjon #4

Dette er en såkalt summerende inverterende konfigurasjon. Med unntak av de to spenningskildene (med halvert spenning), så er denne konfigurasjonen lik konfigurasjon #2.

Også her er $v_{p}=0$ . Dermed må $v_{n}$ nesten være 0 også. Ved utregning kan man benytte $v_{p}=v_{n}$ , sånn som tidligere.

Siden spenningen fra spenningskildene er halvert leveres halve strømmen. Men sammen leverer de like mye som i konfigurasjon #1, så resten av kretsen fungerer likt. Like mye strøm går gjennom $R_{f}=10k\Omega$ , så spenningsfallet er det samme samt feedbacken.

Formel for feedback

$v_{o}=-\frac{R_{f}}{R_{a}}\cdot v_{a}+-\frac{R_{f}}{R_{b}}\cdot v_{b}$

$v_{a}=-v_{b}-v_{o}\cdot\frac{R_{a}}{R_{f}}$ og $v_{b}=-v_{a}-v_{o}\cdot\frac{R_{b}}{R_{f}}$

Med tallstørrelser

$v_{o}=-\frac{10k\Omega}{1k\Omega}(0.5V+0.5V)=-10V$ $v_{a}=v_{b}=-0.5V+10V\cdot\frac{1}{10}=0.5V$

I dette tilfellet er det kun to identiske spenningskilder med identiske resistorer. Så ganske enkelt. Men samme fremgangsmetode gjelder uansett antall spenningskilder, spenninger og størrelser på resistorer.

Konfigurasjon #5

Her også er det en summerende konfigurasjon. Men den er ikke-inverterende, fordi plussinngangen $v_{p}=1V$ har høyere spenning enn minus $v_{n}=999.900019mV$ .