Operationsverstärker Einführung, Grundlagen Technik und Anwendungen

 

1. Grundlagen

Operationsverstärker (eng. Operational Amplifierm, OP AMP) gehören mit zu den wichtigsten Bauteielen der moderen Elektronik. Es sind integrierte Schaltungen, die in einer Vielzahl von Varianten für alle möglichen Anwendungsfälle gefertigt werden. Allen gleich ist jedoch das grundsätzliche Funktionsprinzip, welches hier etwas erklärt werden soll.

Der Name leitet sich aus der Geschichte dieser Bauteile ab, da diese Verstärker in Analogrechnern für Rechenoperationen verwendet wurden.

Hier das allgemein übliche Schaltzeichen eines Operationsverstärkers:

Auf der linken Seite befinden sich zwei Eingänge, welche mit "+" und "-" bezeichnet werden. Das hat mit den Anschlüssen einer Spannungsversorgung nichts zu tun, sondern bezieht sich auf die Funktionsweise der Eingänge.

Die Spannungsversorgung , die natürlich jeder Operationsverstärker benötigt, wird in Schaltplänen der Übersichtlichkeit wegen oft nicht extra eingezeichnet, sie muss jedoch immer vorhanden sein. Die meisten Operationsverstärker benötigen eine symmetrische, d.h. eine positive, sowie eine negative Spannungsversorgung. Die entsprechenden Anschlüsse sind im Datenblatt mir "Vcc+" und "Vcc-" gekennzeichnet.

Idealer und Realer Operationsberstärker

Wie funktioniert nun so ein OPAMP ?

Betrachten wir zuerst einen sogenannten IDEALEN Operationsverstärker. Dieses theoretische Modell hat im Gegensatz zu den real existierenden Bauteilen die absolut idealen Eigenschaften. Es hat einen unendlich hohen Eingangswiderstand, kann beliebig hohe Frequenzen verarbeiten, hat einen Ausgangswiderstand von 0 Ohm etc.. In der Praxis weichen die Bauiteile natürlich mehr oder weniger stark von dieser Idealvorstellung ab, aber zum besseren Verständnis der Theorie nehmen wir diesen idealen Verstärker als Ausgangsbasis.

Wie oben bereits erwähnt, besitzt ein OPAMP zwei Eingänge, welche mit + und - bezeichnet werden.

Ein Eingang heisst "invertierender Eingang". Dieser wird mit '-' bezeichnet.

Der andere Eingang heisst "nicht invertierender Eingang" und wird mit "+" bezeichnet.

Die grundlegende Funktion des OPAMP ist nun folgende:

Die Ausgangsspannung entspricht immer der der Differenz der Eingangsspannungen U+ und U-, multipliziert mit der Leerlaufverstärkung.

Ua=V*([U+]-[U-])

Da die Leerlaufverstärkung beim idealen OP Amp unendlich ist, ergibt sich folgendes verhalten:

Ist die Spannung am Nicht Invertierenden Eingang positiver als die Spannung am Invertierenden Eingang, wird der Ausgang eine unendlich hohe positive Spannung annehmen.

Ist die Spannung am Invertierenden Eingang größer als die Spannung am Nicht invertierenden Eingang, wird der Ausgang eine unendlich hohe negative Spannung annehmen.

Damit ergibt sich folgende Kennlinie:

Ud ist die Spannungsdifferenz zwischen den nicht invertierenden Eingang und dem Invertierenden, Ua die Ausgangsspannung. Wie im obigen Beispiel beschrieben, erreicht die Ausgangsspannung aufgrund der nahezu unendlich hohen Verstärkung schon bei minmalen Spannungsdifferenzen fast die Versorgungsspannungen. Dies geschieht bereits bei einer Spannungsdifferenz von ungefähr 0,1mV.

 

1.1 Komparator

Damit hat man schon eine mögliche Anwendung eines Operationsverstärkers, den sogenannten Komparator. Ein Komparator vergleicht zwei Spannungen miteinander, und das Ausgangssignal nimmt einen von zwei Zuständen an, je nachdem welches der beiden Signale das größere von beiden ist.

In der Praxis wird die Ausgangsspannung natürlich durch die Betriebsspannung des Verstärkers beschränkt.

Diese Schaltung zeigt eine mögliche Anwendung des Komparators als Polaritätsanzeiger. Je nachdem, ob die Eingangsspannung an PAD1 positiv oder negativ ist, leuchtet entweder LED1 oder LED2.

In der Regel wird man als Komparator einen speziellen Schaltkreis verwenden, der für diese Aufgabe optimiert ist. Prinzipiell gehts aber auch mit einem OPerationsverstärker.

Interessant wird es , wenn man den Operationsverstärker gegenkoppelt, d.h. einen Teil des Ausgangssignals auf den Invertieren Eingang zurückführt. Das hat zur Folge, dass die Verstärkung der Gesamtschaltung reduziert wird und der OPerationsverstärker sinnvoll zur Verstärkung von Signalen eingesetzt werden kann.

1.2 Impedanzwandler oder Spannungsfolger

Die Einfachste Möglichkeit ist hier der Puffer-Verstärker. Der Ausgang wird hier direkt mit dem invertierendem Eingang verbunden. Dadurch erhält man einen Verstärker mit der Verstärkung von 1, d.h. Ua = Ue, welcher einen sehr hohen Eingangswiderstand besitzt und einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand.

Zu beachten ist dabei, dass nicht alle Operationsverstärker in dieser Konfiguration stabil arbeiten, im Zweifelsfall ist das Datenblatt zu studieren.

Solche Pufferstufen werden sehr häufig eingesetzt, z.B. in Videoverstärkern und bei der Signalaufbereitung von Sensoren. Zudem ist diese für die Messtechnik von großer Bedeutung. Da die Ausgangspannung der Eingangsspannung entspricht, und der Eingansgwiderstand im Megaohm Bereich liegt, erhält man eine der zu messenden Spannung identische Spannung ohne diese dabei zu belasten. Dies ist sehr wichtig, wenn es sich bei der zu messenden Spannung um eine auf Belastung sehr empfindliche Spannungsquelle (bspw. einen Sensor) handelt.

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