Versterkers zijn elektronische schakelingen die de sterkte van een signaal verhogen zodat het effectiever verwerkt, gemeten of verzonden kan worden. In analoge systemen zijn signalen van sensoren, audiobronnen of besturingscircuits vaak te zwak om direct te gebruiken, dus worden versterkers gebruikt om de spanningsniveaus te verhogen, de signaalkwaliteit te verbeteren en het signaal voor te bereiden op de volgende fase. Operationele versterkers, differentiaalversterkers en instrumentatieversterkers verwerken signalen elk op verschillende manieren en worden in verschillende situaties gebruikt. Dit artikel vergelijkt deze drie versterkertypes, legt uit hoe ze werken, hoe ze verschillen en hoe je de juiste kunt kiezen voor toepassingen in de praktijk.
Wat is een operationele versterker?
Een operationele versterker, of op-amp, is een elektronische versterker die het verschil tussen twee ingangsspanningen vergroot en één uitgangsspanning produceert. Het heeft twee ingangsterminals: de niet-inverterende ingang (+) en de inverterende ingang (−). De uitgang verandert op basis van het spanningsverschil tussen deze twee ingangen.
In praktische schakelingen wordt een op-amp meestal gebruikt met externe terugkoppelingscomponenten zoals weerstanden en condensatoren. Deze onderdelen regelen de versterking, stabiliteit, bandbreedte en het algehele gedrag van het circuit. Het basisidee van een op-amp kan worden uitgedrukt als:
Vout = Aol(V+ − V−)
waarbij Vout de uitgangsspanning is, Aol de open-lus versterking, V+ de niet-inverterende ingangsspanning, en V− de inverterende ingangsspanning. In echte toepassingen wordt de zeer hoge open-lus versterking meestal geregeld door negatieve terugkoppeling, zodat het circuit een stabiele en voorspelbare uitgang kan produceren.
Wat is een differentiaalversterker?
Een differentiaalversterker vergroot het verschil tussen twee ingangsspanningen en vermindert signalen die op beide ingangen gelijkmatig verschijnen. Deze gelijke signalen worden gemeenschappelijke modussignalen genoemd. Hierdoor is een differentiaalversterker nuttig wanneer het belangrijke signaal het spanningsverschil tussen twee punten is, en niet slechts één signaal gemeten ten opzichte van de aarde.
Een basisdifferentiaalversterker heeft twee ingangen, vaak V1 en V2 genoemd, en één uitgang. De uitgang verandert op basis van het verschil tussen de twee ingangen. Als beide ingangen samen stijgen of dalen door ruis of interferentie, probeert de versterker dat gedeelde signaal af te wijzen en alleen het nuttige verschil te versterken.
Het basisidee kan als volgt worden uitgedrukt:
Vout = Ad(V2 − V1)
waarbij Vout de uitgangsspanning is, Ad de differentiële versterking, en V2 − V1 het spanningsverschil tussen de twee ingangssignalen.
Wat is een instrumentatieversterker?
Een instrumentatieversterker is een precisieversterker die ontworpen is om zeer kleine differentiële signalen te versterken terwijl ruis of ongewenste signalen die op beide ingangen gelijk voorkomen, worden afgewezen. Het wordt vaak gebruikt wanneer het signaal van sensoren komt, omdat veel sensoren zwakke spanningsveranderingen veroorzaken die nauwkeurige versterking nodig hebben voordat ze verwerkt worden.
Een instrumentatieversterker heeft twee ingangsterminals en meestal één uitgangsterminal. Net als een differentiële versterker versterkt hij het verschil tussen de twee ingangsspanningen. Hij biedt echter een hogere ingangsimpedantie, betere gemeenschappelijke modus onderdrukking en een stabielere versterking dan een basis differentiaalversterker. Dit helpt sensorbelasting te voorkomen en verbetert de meetnauwkeurigheid.
Het basisidee kan als volgt worden uitgedrukt:
Vout = G(V2 − V1)
waarbij Vout de uitgangsspanning is, G de versterkerversterking, en V2 − V1 de differentiële ingangsspanning.
Op-versterker vs differentiaalversterker vs instrumentatieversterker
| Vergelijkingspunt | Operationele versterker | Differentiaalversterker | Instrumentatieversterker |
|---|---|---|---|
| Invoertype | Kan worden gebruikt met single-ended of differentiële ingang, afhankelijk van het circuitontwerp | Gebruikt twee ingangssignalen en reageert op hun verschil | Gebruikt twee ingangssignalen en reageert op hun verschil |
| Uitvoertype | Meestal enkelvoudige output | Meestal single-ended output, maar er bestaan ook volledig differentiële versies | Meestal single-ended output, afhankelijk van het IC-ontwerp |
| Basisvergelijking | Vout = Aol(V+ − V−) | Vout = Ad(V2 − V1) | Vout = G(V2 − V1) |
| Versterkingsregeling | De versterking wordt meestal ingesteld door externe terugkoppelweerstanden | Versterking wordt bepaald door weerstandverhoudingen | Versterking wordt vaak ingesteld door één versterkingsinstelling weerstand |
| Ingangsimpedantie | Meestal hoog, afhankelijk van het type en de configuratie van de op-amp | Matig tot hoog, maar basisweerstandsontwerpen kunnen de bron belasten | Zeer hoog, waardoor het geschikt is voor sensoren |
| Nauwkeurigheidsniveau | Algemeen gebruik tot precisie, afhankelijk van de gebruikte op-amp | Matige tot goede nauwkeurigheid | Hoge nauwkeurigheid |
| Offsetfout | Hangt af van de geselecteerde op-amp | Beïnvloed door op-amp offset en weerstandsmismatch | Meestal lage offset en lage drift in precisiemodellen |
| Bandbreedte | Breed bereik, afhankelijk van de operationele versterker | Hangt af van de op-amp, gain en resistornetwerk | Vaak lager dan algemene operationele versterkers bij hoge gain |
| Schakelcomplexiteit | Eenvoudig tot matig | Matig | Matig tot hoog, maar eenvoudig met een geïntegreerde IC |
| Externe componenten | Terugkoppelweerstanden en andere onderdelen afhankelijk van de configuratie | Vereist nauwkeurig afgestemde weerstanden | Vaak heeft hij alleen een versterkingsinstelling en een paar ondersteuningsonderdelen nodig |
| Gevoeligheid voor weerstandsmatching | Belangrijk in versterkingscircuits | Zeer belangrijk voor de gainnauwkeurigheid en CMRR | Minder moeilijk voor gebruikers bij het gebruik van geïntegreerde matched-resistor IC's |
| Beste gebruik | Algemene versterking, filtering, buffering en analoge signaalverwerking | Spanningsverschillen meten tussen twee punten | Precisie-sensorsignaalmeting |
| Belangrijkste voordeel | Zeer flexibel en breed beschikbaar | Weigert veelvoorkomende signalen en meet spanningsverschillen | Hoge nauwkeurigheid, hoge ingangsimpedantie en sterke gemeenschappelijke modus afwijzing |
| Belangrijkste beperking | Niet altijd ideaal voor kleine sensorsignalen zonder extra ontwerpzorg | De nauwkeurigheid hangt af van weerstandsmatching en ingangsimpedantie | Meer gespecialiseerd en kunnen duurder zijn dan basis op-amp circuits |
Belangrijke versterkerprestatiefactoren om te overwegen
Versterkingsinstelling en versterkingsnauwkeurigheid
De versterkingsinstelling legt uit hoe de uitgangsversterking van de versterker wordt geregeld, terwijl de versterkingsnauwkeurigheid aangeeft hoe dicht de werkelijke versterking bij de verwachte waarde ligt.
• In een op-amp circuit wordt de versterking meestal ingesteld door externe terugkoppelweerstanden. Een niet-inverterende op-amp gebruikt bijvoorbeeld de weerstandverhouding rond het terugkoppelingspad om de versterking in te stellen. Dit maakt operationele versterkers zeer flexibel omdat hetzelfde apparaat kan worden gebruikt voor buffering, lage versterking, hoge versterking, filtering of signaalbehandeling.
• In een differentiële versterker hangt de versterking ook af van de weerstandverhoudingen, maar weerstandsmatching wordt kritischer. Als de weerstandverhoudingen niet nauwkeurig op elkaar afgestemd zijn, kan de versterker versterkingsfout en zwakkere gemeenschappelijke modus onderdrukking veroorzaken. Voor precisiedifferentiële schakelingen gebruiken ontwerpers vaak weerstanden met smalle toleranties, zoals 0,1% of 0,01% onderdelen in plaats van standaard weerstanden van 1%.
• In een instrumentatieversterker wordt de versterking vaak ingesteld door één externe weerstand of een intern versterkingsinstellingsnetwerk, wat het gemakkelijker maakt om stabiele versterking in sensor- en meetcircuits te bereiken. Analog Devices merkt op dat op-amps worden geconfigureerd via meerdere externe componenten, terwijl instrumentatieversterkers meestal worden geconfigureerd voor versterking via één weerstand of selecteerbare gain-taps.
Gemeenschappelijke modus afwijzing en ruisonderdrukking
Common-mode afwijzing beschrijft hoe goed een versterker signalen afstoot die tegelijkertijd op beide ingangen verschijnen. Dit is belangrijk omdat echte schakelingen vaak gedeelde ruis oppikken van stroomlijnen, motoren, schakelende voedingen, lange sensordraden of nabijgelegen digitale schakelingen. Als de versterker slechte common-mode onderdrukking heeft, kan een deel van die ongewenste ruis op de uitgang verschijnen en de signaalnauwkeurigheid verminderen.
• Op-amps kunnen gemeenschappelijke modussignalen onderwijzen, maar hun daadwerkelijke prestaties hangen af van de circuitconfiguratie en het feedbackontwerp.
• Een differentiaalversterker is specifiek gemaakt om het verschil tussen twee ingangen te versterken, maar zijn CMRR is sterk afhankelijk van weerstandsmatching. Als het weerstandsnetwerk niet gebalanceerd is, wordt de gemeenschappelijke modus ruisonderdrukking zwakker.
• Instrumentatieversterkers bieden meestal de sterkste gemeenschappelijke modus onderdrukking omdat ze ontworpen zijn voor kleine differentiële signalen in ruisachtige omgevingen. In veel precisiesensortoepassingen kunnen instrumentatieversterkers CMRR-waarden hebben van ongeveer 80 dB tot meer dan 120 dB, afhankelijk van versterking en apparaattype.
Daarom worden ze vaak geprefereerd voor brugsensoren, thermokoppels en medische of industriële meetsignalen. Analog Devices beschrijft instrumentatieversterkers als differentiële ingangsversterkingsblokken die vaak worden gebruikt waar een hoge ingangsimpedantie en gemeenschappelijke modus afwijzing nodig zijn.
Ingangsimpedantie en bronbelasting
De ingangsimpedantie geeft aan hoeveel de versterker de signaalbron beïnvloedt. Een hoge ingangsimpedantie betekent dat de versterker zeer weinig stroom van de bron afneemt, waardoor het oorspronkelijke signaal beter behouden blijft. Een lage ingangsimpedantie kan de bron belasten, de gemeten spanning verlagen en signaalfouten veroorzaken voordat de versterking überhaupt begint.
• Op-amps hebben meestal een hoge ingangsimpedantie, vooral CMOS- en JFET-ingangstypen. Dit maakt ze nuttig voor spanningsbuffering en algemene signaalopbouw.
• Differentiële versterkers kunnen een lagere effectieve ingangsimpedantie hebben omdat het ingangssignaal vaak door weerstandsnetwerken gaat. Dit kan een probleem worden wanneer het bronsignaal zwak is of afkomstig is van een sensor met hoge impedantie.
• Instrumentatieversterkers bieden meestal een zeer hoge en gebalanceerde ingangsimpedantie op beide ingangen, wat helpt om sensorbelasting te voorkomen.
Offset, drift en meetnauwkeurigheid
Offsetspanning is een kleine ongewenste spanningsfout die verschijnt bij de versterkeringang. Zelfs als de twee ingangssignalen gelijk zijn, kan een echte versterker nog steeds een kleine uitgangsfout produceren door interne onbalans. Deze fout wordt ernstiger bij het meten van zeer kleine signalen, zoals microvolt- of millivolt-niveau sensoruitgangen.
Drift betekent dat de offset of gain verandert naarmate de temperatuur in de loop van de tijd verandert. Dit is belangrijk in industriële, auto- en precisiemeetcircuits omdat de versterker mogelijk niet op één vaste temperatuur blijft. Algemene operationele versterkers zijn mogelijk geschikt voor basis signaalbehandeling, maar precisie-op-amps en instrumentatieversterkers zijn beter wanneer offset en drift zeer laag moeten zijn. Sommige zero-drift precisie-operatieampères kunnen bijvoorbeeld een offsetspanning hebben in het submicrovoltbereik en een offsetdrift tot wel 0,005 μV/°C, afhankelijk van het apparaat. De OPAx189 precisieversterkerfamilie van TI is een voorbeeld dat zeer lage offset- en driftwaarden vermeldt voor precisiesignaalmeting.
5,5 Bandbreedte, Slew Rate en Signaalrespons
Bandbreedte toont het frequentiebereik dat een versterker kan verwerken zonder groot signaalverlies. De slewrate geeft aan hoe snel de uitgangsspanning kan veranderen, meestal gemeten in V/μs. Deze twee factoren bepalen of de versterker snel veranderende ingangssignalen nauwkeurig kan volgen. Als de bandbreedte te laag is, worden hoogfrequente signalen zwakker. Als de slewrate te laag is, kan de uitgang vervormd lijken wanneer het signaal snel verandert.
Voor op-amps is bandbreedte vaak gerelateerd aan het gain-bandbreedteproduct. Dit betekent dat naarmate de versterking in gesloten lus toeneemt, de bruikbare bandbreedte meestal afneemt. Als een spannings-terugkoppelingsversterker bijvoorbeeld een versterking-bandbreedteproduct van 10 MHz heeft, kan hij ongeveer 10 MHz bandbreedte leveren bij versterking van 1, maar slechts rond 1 MHz bij versterking van 10, in een vereenvoudigd geval. Het effect van de gesloten lus versterking en bandbreedte is een belangrijke waarde voor veel spanningsterugkoppelings-op-amps.
Differentiaal- en instrumentatieversterkers hebben ook bandbreedtelimieten, vooral bij hogere versterking. Instrumentatieversterkers zijn vaak geoptimaliseerd voor precisie en ruisonderdrukking in plaats van zeer hoge snelheid, waardoor hun bandbreedte smaller kan worden naarmate de versterking toeneemt. Voor snelle signalen moet je zowel de bandbreedte als de slew rate in het datasheet controleren. De bandbreedte voor volvermogen moet meestal meerdere keren hoger zijn dan de maximale uitgangssignaalfrequentie om vervorming in hogesnelheidsversterkers te voorkomen
Toepassingen van elk versterkertype in de praktijk
Toepassingen van operationele versterkers
Operationele versterkers worden veel gebruikt wanneer een schakeling flexibele signaalregeling nodig heeft. Ze kunnen zwakke spanningssignalen versterken, het ene circuitstadium van het andere bufferen, ongewenste frequenties filteren of een signaal aanpassen voordat het naar een ADC, microcontroller of een ander analoge circuit gaat. Omdat versterking en functie worden ingesteld door externe feedbackcomponenten, kan één op-amp IC veel verschillende schakelingrollen ondersteunen.
Een veelvoorkomend voorbeeld is de LM358. Het is een dubbele operationele versterker die vaak wordt gebruikt in kostengevoelige analoge schakelingen. Texas Instruments vermeldt de LM358 als een duale, 30-V, 700-kHz operationele versterker, wat hem geschikt maakt voor algemene signaalbeheersing, laagfrequente versterking, sensorinterface-circuits en basis analoge besturingssystemen. Een LM358 kan bijvoorbeeld worden gebruikt om een kleine sensorspanning te versterken voordat deze door een microcontroller wordt uitgelezen, of hij kan fungeren als een spanningsbuffer zodat de volgende schakelingsfase de signaalbron niet belast.
Operationele versterkers komen ook veel voor in actieve filters, audiovoorversterkers, spanningsvolgers, foutversterkers in voedingen en comparatorachtige signaaldetectiecircuits. Ze zijn meestal de beste keuze wanneer het circuit flexibiliteit nodig heeft in plaats van de hoogste precisie van meetprestaties.
Toepassingen van differentiële versterkers
Differentiële versterkers worden gebruikt wanneer het circuit het verschil tussen twee spanningspunten moet meten in plaats van één spanning ten opzichte van de aarde. Dit maakt ze nuttig voor stroomdetectie, spanningsaftrekking, ontvangst van gebalanceerde signalen, motorbesturingsfeedback en schakelingen waar ongewenste ruis op beide ingangslijnen voorkomt. Door zich te richten op het spanningsverschil kan een differentiële versterker gedeelde ruis verminderen en het nuttige signaal extraheren.
Een echt IC-voorbeeld is de AD8276 van Analog Devices. De AD8276 is een unity-gain differentieversterker ontworpen voor precisiesignaalverwerking in toepassingen met laag vermogen. Het bevat lasergetrimde interne weerstanden, wat helpt de versterkingsnauwkeurigheid en gemeenschappelijke modus afwijzing te verbeteren in vergelijking met een eenvoudige differentiaalversterker met discrete weerstanden. Analog Devices vermeldt de AD8276/AD8277 als algemene differentieversterkers met 86 dB common-mode onderdrukkingsverhouding en lage gain drift.
In echte schakelingen kan een apparaat als de AD8276 worden gebruikt voor stroomdetectie, precisie-spanningsmeting, enkelvoudige naar differentiële omzetting en industriële signaalbehandeling. Het is nuttig wanneer de ontwerper nauwkeurige subtractie tussen twee signalen nodig heeft, maar niet de volledige sensormeetprestaties van een instrumentatieversterker.
Toepassingen van instrumentatieversterkers
Instrumentatieversterkers worden gebruikt wanneer het circuit zeer kleine differentiële signalen nauwkeurig moet meten, vooral wanneer er ruis aanwezig is. Ze komen vaak voor in sensorsystemen omdat ze een hoge ingangsimpedantie, stabiele versterking en sterke common-mode onderdrukking bieden. Dit helpt voorkomen dat zwakke sensorsignalen worden belast of vervormd vóór versterking.
Een veelvoorkomend voorbeeld is de INA333 van Texas Instruments. De INA333 is een energiezuinige, precisie-instrumentatieversterker ontworpen voor nauwkeurige signaalmeting. TI geeft aan dat het een drie-op-versterker instrumentatieversterker gebruikt en dat een enkele externe weerstand de versterking kan instellen. Dit maakt het nuttig voor draagbare en sensorgebaseerde toepassingen waarbij kleine signalen schone versterking nodig hebben.
Instrumentatieversterkers worden vaak gebruikt met load cells, rekmeters, brugsensoren, thermokoppels, druksensoren, biomedische sensoren en dataverzamelsystemen. Een load cell kan bijvoorbeeld slechts een klein millivolt-signaal produceren wanneer er gewicht wordt aangebracht. Een instrumentatieversterker zoals de INA333 kan dat kleine differentiële signaal versterken terwijl ruis die door de sensordraden wordt opgepikt wordt onderdrukt.
Echte voorbeeldversterkerselectie
| Systeemgebruiksgeval | Signaaltype | Belangrijke Vereiste | Aanbevolen versterker | Waarom het past |
|---|---|---|---|---|
| Audioversterker (microfoon naar luidspreker) | mV naar V (enkelzijdig) | Flexibele versterking, brede bandbreedte | Op-Amp (bijv. TL072, LM358) | Behandelt signaalversterking, filtering en buffering met eenvoudig ontwerp |
| Motorstroommonitoring | mV (over shunt, differentieel) | Ruisonderdrukking, PWM-immuniteit | Differentiaalversterker (bijv. INA240) | Meet spanningsverschil en verwerpt schakelruis |
| Medisch ECG-systeem | μV (zeer klein differentieel) | Hoge nauwkeurigheid, hoge CMRR | Instrumentatieversterker (bijv. AD8232) | Versterkt zwakke signalen met sterke ruisonderdrukking |
| Load Cell / Weegsysteem | mV (brugsensor) | Hoge ingangsimpedantie, stabiele versterking | Instrumentatieversterker (bijv. INA333) | Voorkomt sensorbelasting en zorgt voor nauwkeurige metingen |
| Terugkoppeling van de voeding | V (enkelzijdig) | Stabiele versterking, snelle respons | Op-Amp | Gebruikt als foutversterker voor spanningsregeling |
| Industrieel Sensor Interface | mV naar V (differentieel of enkelzijdig) | Nauwkeurigheid en geluidsbehandeling | Op-amp of instrumentatieversterker | De keuze hangt af van signaalsterkte en ruisniveau |
| Batterijstroomdetectie | mV (laagzijde of hoogzijde differentieel) | Precisie, lage drift | Differentiaalversterker | Meet nauwkeurig kleine spanningsval over de shuntweerstand |
Conclusie
Operationele versterkers, differentiële versterkers en instrumentatieversterkers bedienen elk verschillende signaalbehoeften. Gebruik een op-amp voor flexibele versterking, buffering, filtering en algemene signaalbehandeling. Gebruik een differentiële versterker wanneer het circuit twee spanningspunten moet vergelijken of gedeelde ruis moet verminderen. Gebruik een instrumentatieversterker bij het meten van zeer kleine sensorsignalen die hoge nauwkeurigheid, hoge ingangsimpedantie en sterke ruisonderdrukking vereisen. De keuze van de juiste versterker hangt af van signaaltype, ruisniveau, nauwkeurigheid, snelheid en schakelingseisen.
