Operationsverstärker verstehen und anwenden

Generell verwendet man Operationsverstärker für Elektronik-Schaltungen, wo sie, im Zusammenspiel mit Widerständen und anderen Bauteilen, verschiedene Funktionen erfüllen können:

• Zum Verstärken von Signalen
• Um Signale zu integrieren oder zu schalten
• Um Spannungen zu addieren
• Um Spannungen zu subtrahieren: (5V - 4V = 1V)

Opv beherrschen gängige Rechenoperationen wie Invertieren, Multiplizieren, Addieren, Subtrahieren usw. Erreicht wird dies durch die Beschaltung mit einem Netzwerk aus Widerständen, Kondensatoren oder auch Dioden. Alle Schaltungsvarianten basieren auf den beiden folgenden Verstärker-Grundschaltungen zur Multiplikation mit einem Faktor, der sich aus dem Verhältnis der Widerstände (Spannungsteiler-Formel) ergibt.

Als integrierter Schaltkreis (engl. integrated circuit, kurz IC) ist der Operationsverstärker ein Bauteil mit einer fast unendlich großen Verstärkung. Das Schaltzeichen zeigt zwei Signaleingänge (+ Eingang) und (- Eingang) sowie einen Signalausgang. Seine Verstärkung (gain) ist idealerweise unendlich (∞) groß. Die immer notwendigen Anschlüsse zur Spannungsversorgung werden oft nicht dargestellt.

Die eigentliche Rechen- oder Bearbeitungsfunktion ergibt sich aus der äußeren Beschaltung, mit Widerständen, Kondensatoren oder Dioden.

Heute sind OPs als universell einsetzbare integrierte Bauelemente (z.B. μA741) am Markt.

Invertierender Verstärker

Invertierende Operationsverstärker werden genutzt um mit dieser Verstärker-Schaltung Spannungen zu verstärken. In der Messtechnik wird er eingesetzt, um sehr hohe Spannungen zu messen, da er aktiv abschwächen kann, wenn R₁ größer ist als R₂. Der Plus-Eingang liegt in dieser Schaltung auf Masse. Am Minus-Eingang liegen die beiden Widerstände R₁ (an dem auch die Eingangsspannung anliegt) und R₂ (der auch am Ausgang des Operationsverstärkers liegt).

Summierverstärker

Beim Summierverstärker handelt es sich um eine spezielle Anwendung des invertierenden Verstärkers, welcher für die Erzeugung von Mischspannungen, bei Oberwellengeneratoren oder bei Digital-/Analogumsetzern verwendet werden.

Nicht invertierender Verstärker

Ein nichtinvertierender Verstärker wird häufig für Anwendungen genutzt, bei denen ein sehr hoher Eingangswiderstand bei gleichzeitig kleinem Ausgangswiderstand benötigt wird. Dies ist zum Beispiel bei Wechselspannungsverstärkern oder Impedanzwandlern der Fall. Anders als bei invertierenden Verstärkern ist hier das Eingangssignal phasengleich zum Ausgangssignal.

Noch heute werden sowohl deutsche als auch viele englische Begriffe benutzt, um den Operationsverstärker und Schaltungen zu bezeichnen. Opv, Op, Ov sind beispielsweise Abkürzungen des deutschen Begriffs Operationsverstärker; Op amp die englische für operational amplifier. Weitere englische Begrifflichkeiten haben wir in der untenstehenden Tabelle zusammengefasst:

LISTE ENGLISCHER BEGRIFFE FÜR OPERATIONSVERSTÄRKER UND OPV-SCHALTUNGEN

amplifier	Verstärker
bandwidth	Bandweite
circuit	Schaltung
component	Bauteil
difference	Differenz
equation	Gleichung
gain	Verstärkung
infinite	unendlich
method of operation	Wirkungsweise
open-ciruit	Leerlauf
operational	betriebsbereit
voltage	Spannung

Kaum ein Technikbereich ist von Operationsverstärkern und Operationsverstärkerschaltungen nicht betroffen. Man findet die Schaltungen dort überall, wo Signale verstärkt bzw. verarbeitet werden sollen.

Beispiele sind:

• Steuerungstechnik (Leistungsverstärker als Stellglied für Motoren)
• analoge Regelungstechnik (analoge Regelschaltung, PID-Regler)
• Audiotechnik (rauscharme Mikrofonverstärker, mehrstufige Vorverstärker und Endstufen)
• Messtechnik (Konstantstromquelle zur Temperaturkompensation)
• Sensortechnik (Strom-Spannungswandler für verlustfreie Signalübertragung)

Opv erweisen sich vor allem als äußerst kostengünstige Komponente zur Signalverstärkung sowohl in der Industrie als auch in Audioanwendungen im High-End-Bereich. Sie können daher in hohen Stückzahlen bezogen werden.

In Berechnungen werden Opvs mit unendlicher Verstärkung angegeben. In realen Anwendungen stoßen diese Komponenten jedoch an physikalische Grenzen. Der ideale Operationsverstärker existiert somit nur auf dem Papier.

In der Praxis können dennoch hohe Verstärkungswerte erzielt werden. Die Einschränkungen der Verstärkung mit offenem Regelkreis werden von der Menge an Leistung vorgegeben, die das Gerät letztlich erhält. In den meisten Fällen liegt dies in etwa 1 V unterhalb der Leistung, die dem Gerät zur Verfügung gestellt wird.

Ein weiteres Merkmal eines idealen Operationsverstärkers ist die unendlich hohe Eingangsimpedanz, also dem Widerstand für den Strom an den beiden Eingangsklemmen. Theoretisch bedeutet dies, dass letztendlich kein Strom durch das Gerät hindurch fließen kann. Doch auch dies wäre in der Praxis nicht möglich, da bei jedem Operationsverstärker ein gewisses Maß an Leckstrom durch die Eingänge tritt, auch wenn dieser nur gering ist. Dasselbe gilt im Übrigen auch für die Ausgangsspannung, an der ebenfalls immer ein Mindestmaß an Widerstand vorherrscht.

In Schaltungen mit Wechselstrom ist oftmals von einer sogenannten Bandbreite die Rede: Bei einem Operationsverstärker gibt diese Größe an, mit welchen Frequenzen das Gerät letztlich arbeiten kann. Bei einem idealen Operationsverstärker wäre die Bandbreite unendlich, während ein tatsächlicher Opv immer noch innerhalb einer gewissen Frequenz arbeitet.

Der sogenannte Spannungsversatz beschreibt den Output des Geräts, wenn an beiden Eingängen eine gleich hohe Spannung anliegt. Bei einer idealen Komponente wäre dies gleich Null. Tatsächlich gibt ein Operationsverstärker jedoch immer ein gewisses Maß an Spannung weiter. Dies ist sogar dann der Fall, wenn beide Anschlussklemmen geerdet sind.

Ein weiterer Punkt ist die Anstiegsgeschwindigkeit. Auch hier erreicht der Opv irgendwann einen physikalischen Grenzwert, ab dem sich die Änderungsrate des Ausgangssignals nicht mehr ändert. Eine Änderung des Eingangssignals würde in diesem Falle zu keinerlei Änderung des Ausgangssignals mehr führen. Diese Größe wird in Spannung pro Zeit angegeben und reicht von weniger als 1 V pro Mikrosekunde bis hin zu 13.000 V pro Mikrosekunde.

Da es den idealen Operationsverstärker so nicht gibt, gilt es bei der Auswahl des Opv einige Punkte zu beachten. So können beispielsweise die Leistungsdaten eines Operationsverstärkers mit Temperaturschwankungen variieren. Daher geben Hersteller immer auch die minimale und maximale Betriebstemperatur an. Auf diese Weise können Sie sichergehen, dass der Verstärker für die vorgesehene Umgebung ohne Leistungseinbußen eingesetzt werden kann.

Obwohl Opv-Signale generell rauscharm sind, erzeugen sie aufgrund der elektrischen Spannung zumindest noch gewisse Störgeräusche. Dieses entsteht durch die oben erwähnte Versatzspannung und macht sich vor allem dann bemerkbar, wenn kein Signal eingeführt wird. Je nach Nutzung, beispielsweise wenn ein Signal in besonders hohem Maße verstärkt werden soll oder wenn dieses Signal eine ausgesprochen hohe Bandbreite aufweist, können sich solche Störgeräusche maßgebliche auf den Betrieb auswirken. Daher sollten Sie diesen Faktor unbedingt mitberücksichtigen.

Erhältlich sind diese Komponenten in Ausführungen zur Durchsteckmontage sowie mit unterschiedlichen Pin-Anzahlen von fünf bis hin zu mehr als 40. Operationsverstärker können zudem mit 1 bis 4 verschiedenen Kanälen und unterschiedlichen Ausgängen bezogen werden, darunter CMOS, Strom, Differenzial, NPN, Rail-to-Rail und viele mehr.