LF353N JFET-op-amp: forstå feedback med en forstærker på ×10

En operationsforstærker (op-amp) er byggeklodsen bag forstærkere, filtre, buffere og sensorinterfaces. LF353N rummer to op-amps med JFET-indgange i en almindelig 8-benet DIP-pakke, så den passer direkte i et breadboard. Guiden forklarer, hvad en op-amp gør, hvordan to modstande bestemmer forstærkningen, og følger ét spændingstrin gennem kredsløbet fra start til slut.

Det grundlæggende: forskel ind, stor forstærkning, feedback

En op-amp har to indgange, en ikke-inverterende (+) og en inverterende (−), og én udgang. Den forstærker forskellen mellem de to indgange enormt meget: LF353 har en åbensløjfe-forstærkning på mindst 25 000 gange (25 V/mV) og typisk 100 000 gange. Uden noget ekstra vil selv et par millivolts forskel derfor sende udgangen helt op eller ned mod forsyningen.

Tricket er negativ feedback: en modstand fører en del af udgangsspændingen tilbage til den inverterende indgang. Så snart udgangen bevæger sig, modvirker den den forskel, der satte den i gang. Udgangen finder derfor selv det punkt, hvor de to indgange er næsten lige store. Den regel – med feedback holder op-ampen sine to indgange på samme spænding – er nøglen til at forstå næsten alle op-amp-kredsløb.

LF353's indgange er JFET-transistorer. De trækker kun ekstremt lidt strøm (typisk 50 pA indgangs-biasstrøm), så kilder med høj impedans belastes næsten ikke. Prisen er en indgangs-offsetspænding på op til 10 mV ved 25 °C, som forstærkes sammen med signalet.

Benene på LF353N

LF353N er en dobbelt op-amp med standard-pinout for dobbelte op-amps i 8-benet DIP (samme som LM1558). Begge forstærkere deler forsyningsbenene:

  • Ben 1 – udgang A, ben 2 – inverterende indgang A (−), ben 3 – ikke-inverterende indgang A (+).
  • Ben 4 – V−: negativ forsyning (fx −12 V) eller GND ved enkeltforsyning.
  • Ben 5 – ikke-inverterende indgang B (+), ben 6 – inverterende indgang B (−), ben 7 – udgang B.
  • Ben 8 – V+: positiv forsyning (fx +12 V).
Pinout for LF353N i PDIP-8 set oppefra: venstre side ben 1 udgang A, ben 2 −IND A, ben 3 +IND A, ben 4 V−; højre side ben 8 V+, ben 7 udgang B, ben 6 −IND B, ben 5 +IND B. Hak og prik markerer ben 1.
LF353N set oppefra (PDIP-8). Ben tælles mod uret fra hakket; ben 1 sidder øverst til venstre, når hakket vender opad.

Kredsløbet: inverterende forstærker med forstærkning −10

Vi bruger op-amp A som inverterende forstærker. Den ikke-inverterende indgang (ben 3) går til GND. Signalet kommer ind gennem Rin = 10 kΩ til den inverterende indgang (ben 2), og Rf = 100 kΩ fører udgangen (ben 1) tilbage til samme ben 2. Kredsløbet forsynes med ±12 V: +12 V på ben 8, −12 V på ben 4 og fælles GND. Hver forsyning får en 100 nF-kondensator til GND tæt på chippen.

Diagram: Vind går gennem Rin 10 kΩ til ben 2 på op-amp A; Rf 100 kΩ forbinder ben 2 med udgangen ben 1, hvor Vud tages ud. Ben 3 går til GND. Ben 8 får +12 V og ben 4 −12 V, hver med 100 nF afkobling til GND. Den ubrugte op-amp B er koblet som følger med ben 5 på GND og ben 6 forbundet til ben 7.
Inverterende forstærker med op-amp A. Op-amp B er ikke i brug og er derfor koblet som spændingsfølger med indgangen på GND, så den ikke svinger frit.

Forstærkningen er −Rf/Rin = −100 kΩ / 10 kΩ = −10. Minustegnet betyder, at udgangen vender signalet: +0,5 V ind giver −5 V ud. Kredsløbets indgangsimpedans er Rin = 10 kΩ, fordi ben 2 holdes på 0 V. Båndbredden bliver cirka GBW / (1 + Rf/Rin) = 4 MHz / 11 ≈ 360 kHz (typisk), og indgangs-offset på højst 10 mV forstærkes med 11, så udgangen kan ligge op til ca. 110 mV ved siden af 0 V uden indgangssignal.

Ét forløb trin for trin

  1. Hvile: Vind er 0 V. Ben 3 er på GND, så udgangen står på næsten 0 V, og ben 2 også. Der løber ingen strøm i Rin eller Rf.
  2. Trinnet kommer: Vind springer til +0,5 V. Et øjeblik trækker Rin ben 2 lidt op over ben 3 – den inverterende indgang er nu højere end den ikke-inverterende.
  3. Udgangen reagerer: Den forstærkede forskel driver udgangen nedad. Hastigheden er begrænset af slew rate, typisk 13 V/µs (mindst 8 V/µs), så de 5 V tager cirka 0,4 µs (højst ca. 0,6 µs).
  4. Feedback trækker igen: Mens udgangen falder, trækker Rf ben 2 ned igen. Udgangen stopper, når strømmen gennem Rin, 0,5 V / 10 kΩ = 50 µA, løber videre gennem Rf: Vud = −50 µA × 100 kΩ = −5 V.
  5. Ligevægt: Ben 2 er tilbage på næsten 0 V – en virtuel nul. Med mindst 25 V/mV åbensløjfe-forstærkning er restforskellen under 0,2 mV ved −5 V ud. Udgangen bliver på −5 V, så længe indgangen er +0,5 V.
Tidsdiagram i tre rækker: Vind springer fra 0 V til +0,5 V; ben 2 får et kort udsving og vender tilbage til cirka 0 V; Vud falder lineært fra 0 V til −5 V på cirka 0,4 µs og bliver der.
Princip-tidsdiagram for ét +0,5 V-trin (ikke målfast). Udgangens hældning er slew rate; ben 2 vender tilbage til virtuel nul.

Byg det på et breadboard

Byg forstærkeren med ±12 V fra to laboratorieforsyninger eller en dobbelt forsyning. Tænd først for forsyningerne, når chippen sidder rigtigt vendt. Mål med et multimeter: 0 V ind giver tæt på 0 V ud, og +0,5 V fra en spændingsdeler giver omkring −5 V.

  • 1 × LF353N (DIP-8), helst i sokkel.
  • Rin 10 kΩ og Rf 100 kΩ, 1 % metalfilm for præcis forstærkning.
  • 2 × 100 nF keramisk afkobling, én på hver forsyning tæt på ben 8 og ben 4.
  • ±12 V-forsyning med fælles GND; et potentiometer eller en spændingsdeler som testkilde.
  • Belastning på udgangen: mindst 2 kΩ.

Flere koblinger: ikke-inverterende forstærker og følger

Ikke-inverterende forstærker: Signalet går direkte til +indgangen, og en modstand Rg går fra −indgangen til GND, mens Rf stadig forbinder udgangen med −indgangen. Forstærkningen er 1 + Rf/Rg (fx 1 + 100 kΩ/10 kΩ = 11), signalet vendes ikke, og kilden ser JFET-indgangens meget høje impedans.

Spændingsfølger (buffer): Forbind udgangen direkte til −indgangen og send signalet ind på +indgangen. Forstærkningen er 1, men en svag kilde kan nu drive en tung belastning. Det er også den sikre måde at parkere en ubrugt op-amp på, som i diagrammet ovenfor.

Enkeltforsyning: LF353 kan køre på fx 0/24 V, men så skal signalerne ligge omkring en midtspænding lavet med en spændingsdeler, og hverken indgange eller udgang kommer i nærheden af 0 V. Har du kun 5 V, er LF353 det forkerte valg – den har brug for mindst ±6 V (12 V i alt) for at virke normalt.

Grænser og faldgruber

  • Forsyning: absolut maksimum ±18 V; databladet beskriver normal drift ned til ±6 V. Specifikationerne er givet ved ±15 V.
  • Ikke rail-to-rail: ved ±15 V og 10 kΩ belastning er udgangen garanteret ±12 V (typisk ±13,5 V). Regn med op til 3 V afstand til hver forsyning. Indgangenes common-mode-område er garanteret ±11 V ved ±15 V.
  • Indgange under V−: ingen indgang må komme under den negative forsyning – det kan give store strømme og ødelægge chippen. Kommer en indgang under det negative common-mode-område, kan udgangen springe højt (faseomvending).
  • Vend aldrig forsyningen: omvendt polaritet eller en chip sat omvendt i soklen kan brænde den af.
  • Belastning: mindst 2 kΩ for fuld udgangssving; udgangen tåler kortslutning, men offset stiger ved tung belastning.
  • ESD og temperatur: begrænset ESD-beskyttelse (1000 V HBM) – opbevar i ledende skum. Arbejdstemperatur 0 til 70 °C.
  • Offset: op til 10 mV ved 25 °C. Til DC-præcision med høj forstærkning skal du vælge en præcisions-op-amp eller trimme.

Relaterede guider

Inde i en 555-timer sidder komparatorer – en slags op-amp uden feedback; se guiden til LMC555 CMOS-timeren. Vil du vise et forstærket lydsignal på en LED-skala, forklarer guiden til LM3916N-niveaumeteret, hvordan en ti-trins LED-driver læser en spænding.

Kilde og lagerført del

Den lagerførte del er National Semiconductor LF353N: LF353 i 8-benet plastik-DIP (National ”N”-pakke, svarer til TI's PDIP-pakke ”P”), 0 til 70 °C, nyt gammelt lager (NOS). Pinout, forsynings-, indgangs- og udgangsgrænser, slew rate, GBW og applikationsnoter er kontrolleret mod TI-databladet LF353-N, SNOSBH3F (revideret marts 2013).

Se LF353N-produktsiden · Læs TI-databladet