§ 19

Operationsforstærker: forstærkning og udgang

Hvor meget forstærker min opamp-kobling, og klipper den?

Svar: De to mest brugte opamp-koblinger bestemmes af to modstande. Ikke-inverterende giver 1 + Rf/Rg, inverterende giver −Rf/Rg. Beregneren viser forstærkningen, den i dB, udgangsspændingen ved dit indgangssignal, og om udgangen kommer for tæt på forsyningen, så signalet klipper.

Formel

Ikke-inverterende: A = 1 + Rf / Rg (signalet i fase)

Inverterende: A = −Rf / Rg (signalet vendes; beregneren viser størrelsen)

Forstærkning i dB = 20 · log₁₀(A)

Udgang = indgang × A. Den kan højst nå forsyningen minus opampens headroom. Negativ luft betyder, at signalet klipper.

Symboler og enheder i formlen
Symbol	Betydning	Enhed
type	Kobling	—
rf	Tilbagekoblingsmodstand Rf	Ω
rg	Modstand til stel/indgang Rg	Ω
uind_mv	Indgangssignal (spidsværdi)	mV
uforsyning	Forsyning (± V, fx 12 ved ±12 V)	V
headroom	Udgangens afstand til forsyningen (datablad)	V
=	Forstærkning (gange)	gange
=	Forstærkning i dB	dB
=	Udgangsspænding (spidsværdi)	V
=	Største udgang før klipning	V
=	Luft til klipning	V

Gyldighed og kilde

Kilde: Standardformler for opamp-koblinger · fagbilag: beregninger på forstærkeres AC- og DC-forhold

Gælder ikke når

Gælder en ideel opamp ved lave frekvenser. Ved høje frekvenser begrænser forstærkning-båndbredde-produktet (GBW) og slew rate udgangen. Headroom står i databladet som udgangssving (output swing); rail-to-rail-typer kommer tæt på 0 V.

Regneeksempel

Beregnerens egne standardværdier sat ind. Tallene er regnet med præcis den formel værktøjet bruger.

Sat ind

Kobling1
Tilbagekoblingsmodstand Rf47.000 Ω
Modstand til stel/indgang Rg4.700 Ω
Indgangssignal (spidsværdi)100 mV
Forsyning (± V, fx 12 ved ±12 V)12 V
Udgangens afstand til forsyningen (datablad)1,50 V

Giver

Forstærkning (gange)11,00 gange
Forstærkning i dB20,8 dB
Udgangsspænding (spidsværdi)1,10 V
Største udgang før klipning10,50 V
Luft til klipning9,40 V

Kun for medlemmer

Selve beregneren er låst

Opret en gratis bruger for at låse op for alle artikler, beregnere, skabeloner og sortiment — og få adgang til quizzer og klasser. Det tager under et minut: navn, email og en adgangskode. Intet betalingskort.

Opret gratis bruger →Log ind

Vil du prøve noget først? Se hvad du kan bruge uden konto — junior-zonen, leksikonet, videoerne og mere.

Sådan bruger du den

Når du dimensionerer eller fejlsøger en forforstærker, en måleforstærker til en sensor eller et signaltrin i et lydanlæg, er forstærkningen bestemt af to modstande. Beregneren viser forstærkningen, den i dB, udgangsspændingen og hvor meget luft der er, før signalet klipper mod forsyningen.

Trin for trin

Vælg om koblingen er ikke-inverterende eller inverterende. Se hvor signalet kommer ind i diagrammet.
Indtast Rf (fra udgang til minus-indgang) og Rg (fra minus-indgang til stel eller til signalet).
Indtast indgangssignalets spidsværdi i mV.
Indtast forsyningen og opampens headroom fra databladet.
Er luften til klipning negativ, så sænk forstærkningen eller signalet.

Typiske fejl

At bruge den inverterende formel på en ikke-inverterende kobling. Forskellen er 1, og ved lav forstærkning betyder det meget.
At glemme, at mange opamps ikke kan gå helt ud til forsyningen. Uden headroom ser kredsen fin ud på papiret og klipper i virkeligheden.
At regne med effektivværdi og sammenligne med spidsværdien af forsyningen. Brug spidsværdien.
At glemme båndbredden. Ved høj forstærkning og høj frekvens rækker opampens GBW ikke.

Eksempler fra hverdagen

Forforstærker til en mikrofon

En ikke-inverterende forforstærker har Rf = 47 kΩ og Rg = 4,7 kΩ. Signalet er 100 mV spids, og opampen kører på ±12 V med 1,5 V headroom.

Kobling: Ikke-inverterende (1 + Rf/Rg)
Tilbagekoblingsmodstand Rf: 47.000 Ω
Modstand til stel/indgang Rg: 4.700 Ω
Indgangssignal (spidsværdi): 100 mV
Forsyning (± V, fx 12 ved ±12 V): 12 V
Udgangens afstand til forsyningen (datablad): 1,5 V

Det betyder: Kredsen forstærker 11 gange, svarende til 20,8 dB. Udgangen bliver 1,1 V, og der er 9,4 V til klipning.

Sensorforstærker der klipper

Et sensorsignal på 50 mV skal forstærkes med Rf = 100 kΩ og Rg = 1 kΩ. Opampen kører på ±5 V med 1,5 V headroom.

Kobling: Ikke-inverterende (1 + Rf/Rg)
Tilbagekoblingsmodstand Rf: 100.000 Ω
Modstand til stel/indgang Rg: 1.000 Ω
Indgangssignal (spidsværdi): 50 mV
Forsyning (± V, fx 12 ved ±12 V): 5 V
Udgangens afstand til forsyningen (datablad): 1,5 V

Det betyder: Forstærkningen er 101 gange, og udgangen skulle være 5,05 V, men den kan højst nå 3,5 V. Luften er -1,55 V, altså klipper signalet. Sænk Rf, eller vælg en rail-to-rail-opamp på højere forsyning.

Inverterende trin i et lydanlæg

Et inverterende linjetrin har Rf = 22 kΩ og Rg = 10 kΩ. Indgangen er 1 V spids, og forsyningen er ±15 V med 2 V headroom.

Kobling: Inverterende (−Rf/Rg)
Tilbagekoblingsmodstand Rf: 22.000 Ω
Modstand til stel/indgang Rg: 10.000 Ω
Indgangssignal (spidsværdi): 1.000 mV
Forsyning (± V, fx 12 ved ±12 V): 15 V
Udgangens afstand til forsyningen (datablad): 2 V

Det betyder: Trinnet forstærker 2,2 gange (6,8 dB) og vender signalet. Udgangen er 2,2 V med 10,8 V til klipning.

Tommelfingerregel

Hver gang forstærkningen ganges med 10, kommer der 20 dB til. Dobbelt forstærkning er ca. 6 dB.

Sådan tjekker du svaret

Mål ind- og udgang med et tokanals oscilloskop. Forholdet mellem spidsværdierne skal være forstærkningen.