Operationsverstärker

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Beschreibung

Operationsverstärker (OP / OV / OPV / OpAmp) Der Operationsverstärker wird abgekürzt als OP, OV oder OPV. Die Bezeichnung OpAmp ist die Abkürzung für die englische Bezeichnung Operational Amplifier.
Der Operationsverstärker ist viel zu komplex, um ihn mit einfachen Worten beschreiben zu können. Doch auch mit viel Wort und Bild kann man ihm nicht ganz gerecht werden. Er ist eine der größten Erfindung der Elektronik und geht historisch weit in die Röhrentechnik zurück.
Der Begriff Operationsverstärker stammt aus der Zeit, als man mathematische Operationen noch mit Analogtechnik aufbaute. Heute machen das digitale Bausteine, bis hin zum Mikroprozessor, der von Software gesteuert wird.
Der Operationsverstärker ist ein mehrstufiger, hochverstärkender, galvanisch gekoppelter Differenzverstärker. Er kann sowohl Gleichspannungen als auch Wechselspannungen verstärken. Der innere Aufbau ist so beschaffen, dass seine Wirkungsweise durch die äußere Gegenkopplungsbeschaltung beeinflusst wird. Dieses hochkomplexe Halbleiterbauteil gibt es in sehr vielen Variationen, die alle sehr unterschiedliche Eigenschaften haben. Sie sind für die unterschiedlichsten Anwendungen optimiert.

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Verstärker

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Ansteuerung


Der Operationsverstärker hat einen invertierenden (Minus-) Eingang (N) und nichtinvertierenden (Plus-) Eingang (P). Das Plus-Symbol bedeutet, dass der Verstärkungsfaktor mit positivem Vorzeichen multipliziert werden muss. Das Minus-Symbol bedeutet, dass der Verstärkungsfaktor mit negativem Vorzeichen multipliziert werden muss. Die Differenz der beiden Spannungen wird verstärkt auf den Ausgang (A) ausgegeben. Über eine entsprechende Beschaltung der Eingänge und des Ausgangs kann man mit Operationsverstärkern neben den Grundschaltungen, wie Addierer, Subtrahierer, Verstärker, aktive Abschwächer, auch Filterschaltungen oder komplette Reglerschaltungen, wie z. B. ein elektronisch geregeltes Netzteil, realisieren.
Der Operationsverstärker wird oft symmetrisch mit zwei identischen Gleichspannungen betrieben. Sehr gebräuchlich sind ±5V, ±12V und ±15V. Es gibt aber auch Anwendungen bei denen der Operationsverstärker mit nur einer Gleichspannung betrieben wird. Der Minusanschluss wird dann mit dem GND der Betriebsspannung verbunden.
Je nach Operationsverstärkertyp kann man die Speisespannungsanschlüssen mit wenigen bis 100 V beschalten.
Wird der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers gesteuert, so ist die Ausgangsspannung zur Eingangsspannung gleichpolig. Wird der invertierende Eingang des Operationsverstärkers gesteuert, so ist die Ausgangsspannung zur Eingangsspannung gegenpolig.
Viele Operationsverstärker vertragen am Eingang nicht mehr Spannung als die Betriebsspannung beträgt. Aus diesem Grund müssen bei Versuchszwecken zuerst die Eingangssignale entfernt werden, bevor die Betriebsspannung abgeschaltet wird. Wenn dem Operationsverstärker externe Signalspannungen zugeführt werden, dann sollten Schutzschaltungen gegen Überspannungen eingebaut werden.

Aufbau


Der Operationsverstärker hat als Eingangsstufe immer einen Differenzverstärker. Danach kommt eine zweite Verstärkerstufe, eine Kurzschlusssicherung und am Ausgang ein Gegentaktverstärker. Die zweite Verstärkerstufe enthält immer entweder eine integrierte Frequenzgangkompensation oder eine solche die an Anschlusspins von außen beschaltet werden kann. Ohne diese Kompensationsschaltung wäre der Operationsverstärker in seiner verstärkenden Funktion unbrauchbar. Er wäre instabil und würde schwingen.

Schaltzeichen nach DIN 40900 T.10 (veraltet)

Schaltzeichen nach DIN 40900 T.13 (aktuell)

Idealer Operationsverstärker

Ein idealer Operationsverstärker hat einen unendlich großen Verstärkungsfaktor V, einen unendlich großen Eingangswiderstand Re, einen Ausgangswiderstand Ra gleich Null und einen Frequenzbereich von Null bis unendlich. Außerdem ist der ideale Operationsverstärker vollkommen symmetrisch. Gleiche Spannungen an den beiden Eingängen ergeben einen Ausgangsspannung Ua von Null. Der Grund ist die Differenz UPN zwischen den Eingangsspannungen, die Null ist. Vorausgesetzt die Amplitude und Phasenlage sind gleich. Man spricht dann von Gleichtaktaussteuerung. Die Verstärkung heißt dann Gleichtaktverstärkung. Sie ist gleich Null.
Das Verhältnis zwischen dem Verstärkungsfaktor V und der Gleichtaktverstärkung wird Gleichtaktunterdrückung genannt. Sie ist unendlich groß.
Verzerrungen oder Rauschen, sowie die Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur gibt es beim idealen Operationsverstärker nicht. Und zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung besteht ein linearer Zusammenhang.

Realer Operationsverstärker

Beim Einsatz von Operationsverstärkern sind möglichst ideale Eigenschaften gewünscht. Leider kann man solche Operationsverstärker nicht herstellen. Einzig die Optimierung einiger Eigenschaften, hin zum idealen Wert, ist möglich. In vielen Anwendungen sind ideale Eigenschaften gar nicht nötig. Man ignoriert die mangelhaften Eigenschaften und geht von idealen Eigenschaften aus. Trotzdem sollte man die Realität nicht ganz aus den Augen verlieren.

Vergleichstabelle

In der Vergleichstabelle kann man sehen, welche Eigenschaften bzw. Kenngrößen im idealen Operationsverstärker vorhanden und im realen Operationsverstärker möglich sind. Da die technische Entwicklung nicht stehen bleibt, sind diese Werte vielleicht nicht mehr aktuell.
Die Kenngrößen des realen Operationsverstärkers werden nur in besonders hochwertigen OPs erreicht. Sie werden in den meisten Anwendungen nicht gebraucht.

Kenngröße Idealer Operationsverstärker Realer Operationsverstärker Verstärkungsfaktor V unendlich ca. 1.000.000 Eingangswiderstand Re unendlich Ω 1 ΜΩ bis 1000 MΩ Untere Grenzfrequenz fmin 0 Hz 0 Hz Unitity-Gain-Frequenz-Bandbreite unendlich Hz > 100 MHz Gleichtaktverstärkung VGl 0 ca. 0,2 Gleichtaktunterdrückung G unendlich ca. 5.000.000 Rausch-Ausgangsspannung Urausch 0 V ca. 3 µV Kenngrößen des Operationsverstärkers

Die nachfolgenden Begriffe sind beim Betrieb eines OP zu beachten. Es handelt sich dabei aber nur um einen Auszug der wichtigsten Begriffe. Die jeweiligen Werte sind dem Datenblatt des zu verwendeten Op zu entnehmen.

Offset-Spannung (engl. Input Offset Voltage)
Differenzspannung, die man eingangsseitig anlegen muss um am Ausgang eine Auslenkung aus der Ruhelage zu verhindern.

Offset-Strom (engl. Input Offset Current)
Differenz aus den Eingangströmen, die bei ausgangsseitiger Ruhelage fließen.

Temperaturkoeffizient (engl. Temperature Drift)
Einfluss der Temperatur auf Offset-Spannung und -Strom.

Eingangsstrom (engl. Input Bias Current)
Mittelwert aus den Strömen, die im Ruhezustand in beiden Eingängen fließen.

Eingangswiderstand (engl. Input Resistance/Impedance)
Widerstand eines Eingangs gegen Null, wenn der andere Eingang mit Null verbunden ist.

Eingangsspannungsdifferenz (engl. Differential Input Voltage)
Bereich der zulässigen Eingangs-Differenzspannung.

Leerlauf-Spannungsverstärkung (engl. Open Loop Voltage Gain)
Die Leerlaufverstärkung (Open-Loop-Voltage-Gain oder einfach Open-Loop-Gain) eines OPs ist extrem hoch. Um eine vernünftige Verstärkung bei einer brauchbaren Grenzfrequenz zu erhalten, wird ein Teil der Ausgangangsspannung, z. B. mit einem einfachen Spannungsteiler, auf den invertierenden Eingang gegengekoppelt. Diese gegengekoppelte Verstärkung nennt man Closed-Loop-Voltage-Gain oder einfach Closed-Loop-Gain.

Ausgangswiderstand (engl. Output Resistance/Impedance)
Widerstand bei belastetem Ausgang. Gilt nur bei geringer Aussteuerung und ist frequenzabhängig.
In den Datenblättern steht kaum etwas über den Ausgangswiderstand. Das liegt daran, weil der Ausgangswiderstand durch die Gegenkopplung bestimmt wird. Wenn die gegengekoppelte Verstärkung in Relation zur Open-Loop-Voltage-Gain klein ist, dann regelt der OP so, dass der Ausgangswiderstand im zulässigen Laststrombereich und innerhalb der Aussteuergrenze vernachlässigbar klein ist. Bei höheren Frequenzen nimmt die Open-Loop-Voltage-Gain ab und damit steigt der Ausgangswiderstand.

Ausgangsspannungshub (engl. Output Voltage Swing)
Ausgangsseitige Aussteuerbarkeit bevor die Begrenzung eintritt.

Gleichtaktunterdrückung (engl. Common Mode Rejection Ratio)
Dämpfung, die Auftritt bevor das Signal verstärkt wird.

Stromaufnahme (engl. Supply Current)
Der Strom, den die Versorgungsspannung ohne Ausgangslast liefern muss.

Verlustleistung (engl. Power Consumption)
Die Gleichstromleistung, die der Verstärker ohne Ausgangslast aufnimmt.
In den Datenblättern ist die Strom- und Leistungsaufnahme bei Opamps ohne Last immer etwa gleich groß. Das hat damit zu tun, dass der Ruhestrom in den Endstufen, zwecks Niedrighalten des Klirrfaktors, einen großen Anteil ausmacht.

Nichtinvertierender Betrieb (non inverting mode)

Invertierender Betrieb (inverting mode)


Im Zusammenhang mit dem invertierenden Betrieb liest man immer wieder, dass das Eingangssignal zum Ausgangssignal um 180° phasenverschoben ist (invertierender Operationsverstärker). Es handelt sich dabei um einen Irrtum. Obwohl es immer wieder zu lesen ist und immer wieder gesagt wird. Es ist falsch. Richtig ist, dass das Eingangssignal zum Ausgangssignal invertiert ist.
Also die Signale zueinander gegenpolig sind. Positives Signal am Eingang bedeutet negatives Signal am Ausgang. Negatives Signal am Eingang bedeutet positives Signal am Ausgang. Und diese Situation ist unabhängig von der Signalfrequenz.
Eine Phasenverschiebung von 180° würde dagegen bedeuten, dass das Eingangs- und Ausgangssignal um eine halbe Periode zueinander zeitversetzt wären. Dem ist nicht so.
Dazu empfiehlt es sich "Phasenverschiebung oder Inversion, das ist hier die Frage..." in Amplifier/Attenuator mit symmetrischem Ausgang zu lesen.

Differenzbetrieb (differential mode)

Gleichtaktbetrieb (common mode)


Den Gleichtaktbetrieb gibt es so nicht. Man stellt damit nur fest, ob die Gleichtaktunterdrückung richtig funktioniert. Wenn dem so ist, dann bekommt man nach dem Anlegen eines Eingangssignals am Ausgang keine Signal. Da jeder Operationsverstärker im Innern unsymmetrisch ist, liegt am Ausgang trotzdem ein Signal an. Dieser Betrieb ist also lediglich ein Testfall um die Gleichtaktunterdrückung zu prüfen.

Anwendungen

Der Operationsverstärker ist ein sehr universelles Bauteil. Er kann als Verstärker, Schwingungserzeuger, Schalterstufe, in Subtrahier- und Addierschaltungen und aktiven Filtern verwendet werden.

  • Invertierender Verstärker
  • Nichtinvertierender Verstärker
  • Summierverstärker
  • Differenzverstärker
  • Integrator
  • Differentiator
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