Zur CCInfo-Startseite
 
Operationsverstärker / OP / OpAmp
 
   
 
Startseite CCInfo
 
Foren
Pflanzen
Foto und Fotolabor
Technik/Elektronik
  Allg. Grundlagen
  Audio / Musik
  Diverses
  Elektr. Strom
  - Akkumulatoren
  - Bauelemente
    - Diode
    - Induktivität
    - Kondensator
    - Operationsverst.
      - Meßwerte
      - OP in der Praxis
      - OP-Typen
      - Rauschen
    - Röhre
    - Transistor
    - Widerstand
  - Lichterzeugung
  - Selbstbau / DIY
  Magnete
  Rund um den PC
  Strahlung
  Technik-Links
Verschiedenes
Impressum
 


F.A.Q.
Suche
Was ist neu?



Sponsor werden
 

Vorherige Seite
Inhalt:
Allgemeines / Historie
Aufbau und Funktion eines Differenzverstärkers
Aufbau und Funktion eines Operationsverstärker
Grundschaltungen mit Operationsverstärkern
Elektrometerverstärker
Impedanzwandler
Invertierender Verstärker
Addierer
 Weitere Themen:
Operationsverstärkertypen
Rauschverhalten von OPs
 Verwandte Themen:
Diode (Halbleiterdioden)
Induktivität
Kondensator
Röhre (Dioden, Trioden etc.)
Transistor


Allgemeines / Historie

DieOperationsverstärker LM258 im TO-Gehäuse Bezeichnung Operationsverstärker (oder engl. operational amplifier), oft abgekürzt als OP, OPA oder OpAmp, mutet etwas merkwürdig an. Viele Leute denken dabei unwillkürlich an einen chirurgischen Eingriff. Gemeint sind damit aber Rechenoperationen. Ein kurzer Exkurs zeigt, wie es dazu kam: In den 60er und 70er Jahren wurden besonders an Forschungseinrichtungen sogenannte Analogrechner verwendet, mit denen man beispielsweise recht einfach Differentialgleichungen (viele Problemstellungen in der Technik lassen sich damit beschreiben) nachbilden und somit in Echtzeit lösen konnte. Digitalrechner sind für solche speziellen Aufgaben eigentlich nicht sehr gut geeignet, schlicht weil sie naturgemäß digital arbeiten, die Welt aber analog ist. Zudem waren die Digitalrechner zu dieser Zeit trotz ihrer riesigen Größe noch sehr leistungsschwach; die Rechenleistung eines Rechners, der ein ganzes Kellergeschosses an Raum benötigte, lag weit unter dem, was ein Mikroprozessor leistet, der in der heutigen Zeit in Waschmaschinen oder Mobiltelefonen werkelt. Heutzutage ist deren Rechenleistung jedoch so hoch, daß man auch aufwendige quasianaloge Simulationen sehr schnell und mit sehr hoher Genauigkeit digital berechnen kann, weshalb mittlerweile Analogrechner als ausgestorben gelten.

Ein Analogrechner war keine festverdrahtete Maschine, deren Funktion man durch Programmierung, wie man sie heute bei Digitalrechnern kennt, ändern konnte, sondern bestand aus vielen Funktionseinheiten, die man je nach Aufgabenstellung händisch miteinander verbinden mußte. Die "Programmierung" erfolgte also durch Verkabelung der Funktionseinheiten und Einstellen der richtigen Parameter durch Potentiometer, Schalter etc. Bei diesen Funktionseinheiten handelte es sich vor allem um Proportionalitätsglieder (d.h. invertierende oder nichtinvertierende Verstärker), Addierer, Subtrahierer, Integratoren und Differentatoren. Herzstück aller dieser Funktionsglieder war jeweils ein sogenannter Operationsverstärker.

Sehr bald erkannte man, daß man die anfänglich noch sehr teuren Operationsverstärker nicht nur nutzbringend in Analogrechnern sondern in fast der ganzen Elektronik einsetzen kann. Die im Vergleich zu simplen Röhren- oder Transistorgrundschaltungen selbst in den Anfängen der OP-Technik hervorragenden Eigenschaften von Schaltungen mit Operationsverstärkern sorgten nicht nur schon bald für eine weite Verbreitung, sondern deren spezielle auf einem Differenzverstärker basierende Schaltungstechnik wurde immer mehr die Basis für beispielsweise Audioverstärker, die heutzutage nichts anderes als diskret aufgebaute Leistungsoperationsverstärker sind. Durch die zunehmenden Stückzahlen sanken die Preise deutlich, was wiederum den Einsatz auch in preiskritischen Bereichen möglich machte. Heute ist der Operationsverstärker, von Spezialtypen abgesehen, ein sehr preiswertes Standardbauelement mit nahezu idealen Eigenschaften, das aus der Elektronik nicht mehr wegzudenken ist und das immer noch weiterentwickelt wird, um auch die exotischsten Anwendungsfälle und widersprüchlichsten Forderungen unter einen Hut zu bekommen. Beispielsweise sind speziell OPs erhältlich, die mit weniger als 20 μA Versorgungsstrom auskommen. Kurioserweise weisen andere Typen trotz zahlreicher Transistoren ein deutlich geringeres Rauschen auf, als man mit diskret erhältlichen Bauelementen erreichen kann.


Aufbau und Funktion eines Differenzverstärkers

DasOperationsverstärker LM1458 im DIL-Gehäuse wesentliche Glied eines Operationsverstärkers ist der Differenzverstärker. Ein "normaler" Verstärker besitzt einen Eingang, an dem man das Signal einspeist, und einen Ausgang, an dem das verstärkte Eingangssignal anliegt. Ein Operationsverstärker besitzt hingegen gleich zwei Eingänge und einen Ausgang, wobei das Ausgangssignal der stark verstärkten Differenz der Eingangssignale entspricht. Welche enormen Vorteile sich daraus ergeben, wird später erläutert. An dieser Stelle nur soviel: Man kann damit in nahezu idealer Weise einen Soll-/Istwertvergleich durchführen.

Der Differenzverstärker ist vom Prinzip her sehr einfach aufgebaut: Er besteht im Grundprinzip aus 2 miteinander verschmolzenen Emitterschaltungen, die auf einen gemeinsamen Emitterwiderstand arbeiten. Zur Verbesserung der Eigenschaften verwendet man selten einen ohmschen Widerstand sondern fast immer eine Stromquelle. Die gebräuchliche Bezeichnung Stromquelle ist übrigens nicht sehr glücklich gewählt, denn sie gibt keinen Strom ab, sondern begrenzt ihn auf einen bestimmten Wert: Der Strom hat unabhängig von der angelegten Spannung immer den gleichen Wert.

Der Differenzverstärker wird üblicherweise mit einer symmetrischen Spannung betrieben, d.h. die eine Versorgungsspannung ist positiv und die andere gleich groß aber negativ. Ein solcher Differenzverstärker (oft auch Differenzenverstärker genannt) besitzt zwei Eingänge und 2 Ausgänge, wie dies in Bild 1 dargestellt ist:

Differenzverstaerker
Bild 1: Differenzverstärker

Unter der Voraussetzung, daß die beiden Eingangsspannungen gleichhoch sind, sind auch die Kollektorströme I1 und I2 der beiden Transistoren T1 und T2 gleich hoch. An den beiden gleich großen Kollektorwiderständen R1 und R2 fällt daher eine gleichgroße Spannung ab, wodurch die beiden Ausgangsspannungen ebenfalls gleichgroß sind. Dies ist auch für einen Differenzverstärker ganz logisch: Die Differenz der Eingangsspannungen ist Null, also ist auch die Differenz der Ausgangsspannungen Null. Die Summe der Kollektorströme ist durch die Stromquelle auf den Nennstrom der Stromquelle festgelegt. Die Spannung an den beiden Emittern und damit indirekt die Basis-Emitterspannung der beiden Transistoren stellt sich hierbei ganz automatisch so ein, daß genau der richtige Strom fließt, denn die Stromquelle läßt einfach nicht mehr Strom durch: Wenn beide Transistoren durch die gleiche Eingangsspannung gleichweit aufgesteuert werden, fließt durch beide der gleiche Strom. Und dieser Strom kann in Summe nur der immer konstante Strom der Stromquelle sein.

Ist die Eingangsspannung an T1 jedoch nur ganz geringfügig größer als die Eingangsspannung von T2, so nimmt infolge der sehr steilen Abhängigkeit des Kollektorstroms von der Basisspannung der Kollektorstrom von T1 stark zu. Weil der Gesamtstrom von der Stromquelle vorgegeben wird, bleibt für T2 nur ein kleiner Strom übrig. Durch den stark erhöhten Strom durch T1 steigt auch der Spannungsabfall an R1 stark an, so daß die Ausgangsspannung an Ausgang A1 stark zurückgeht. Bei Ausgang A2 ist es wegen des viel kleineren Stroms umgekehrt. Dies ist genau das, was man von einem Differenzverstärker erwartet: Die Differenz der Ausgangsspannung folgt mit hoher Verstärkung der Differenz der Eingangsspannung.

Aufgrund der steilen Kennlinien von Transistoren reichen schon wenige Millivolt (also tausendstel Volt) Differenzspannung, um die beiden Ausgänge so weit auszusteuern, daß jeweils die positive bzw. negative Versorgungsspannung erreicht wird, denn die Verstärkung der Differenzspannung ist extrem hoch.


Aufbau und Funktion eines Operationsverstärker

Die beiden Ausgänge des Differenzverstärkers sind einigermaßen hochohmig, was in der Praxis unerwünscht ist. Aus diesem Grund sorgt man bei Operationsverstärkern in Form einer Treiber- und Ausgangsstufe für eine hohe Stromverstärkung und damit für einen niederohmigen Ausgang. Gleichzeitig wird der differentielle Ausgang des Differenzverstärkers zu einem einzigen zusammengefaßt. In Bild 2 ist dies anhand eines Prinzipschaltbilds dargestellt:

Prinzipschaltbild eines Operationsverstaerkers
Bild 2: Prinzipschaltbild eines Operationsverstärkers

Den Differenzverstärker kennen Sie ja schon. Beide Ausgänge steuern die Treiberstufe in Emitterschaltung an, bestehend aus T3 und T4. T3 verstärkt das Ausgangssignal von T1 und T4 das Ausgangssignal von T2. T3 arbeitet dabei auf T4 und T4 auf T3 als "Kollektorwiderstand". Die beiden Ausgangssignale des Differenzverstärkers werden dadurch zu einem einzigen zusammengefaßt, wobei sowohl eine Spannungs- als auch Stromverstärkung stattfindet. Transistor T7 sorgt für einen kleinen Pegelversatz zwischen oberem und unterem Ausgang, der erforderlich ist, damit durch die Endtransistoren T5 und T6 ein kleiner Ruhestrom fließt. Dadurch vermeidet man eine tote Zone um den Nullpunkt, die sich dadurch ergibt, daß ein npn-Transistor etwa +0,7 V Basisspannung benötigt, bevor der Stromfluß einsetzt, und ein pnp-Transistor -0,7 V. Die sich dadurch ergebende tote Zone von 1,4 V kann man dadurch umgehen, daß man mittels T7 eine entsprechende Vorspannung einstellt. Üblicherweise stellt man eine ganz geringfügig höhere Spannung ein, damit sich ein geringer Ruhestrom einstellt. Im Bild aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist der Kurzschlußschutz, über den die meisten Operationsverstärker verfügen.

Die Güte des Differenzverstärkers und damit des ganzen Operationsverstärkers hängt sehr wesentlich davon ab, daß die Eingangstransistoren absolut identisches Verhalten besitzen. Denn bei auch nur geringen Unterschieden steigt die unerwünschte Gleichtaktverstärkung sehr drastisch an. Von Gleichtaktverstärkung spricht man, wenn sich die Ausgangsspannung mit der Eingangsspannung ändert, obwohl die Eingangsspannungsdifferenz Null ist. Gleichzeitig ergibt sich bei Transistoren mit unterschiedlichen Kennlinien ein Versatz der Eingangsspannung, d.h. 0 V Ausgangsspannung erreicht man dann nicht mehr bei 0 V Eingangsspannungsdifferenz sondern beispielsweise bei 0,1 V, was genauso unerwünscht ist. Es ist sehr schwierig, die Forderung nach identischem Verhalten mit diskreten Bauteilen zu erfüllen - vor allem vor dem Hintergrund wechselnder Umgebungstemperaturen. Integrierte Schaltungen bieten hier große Vorteile, weshalb es Operationsverstärker als integrierte Schaltungen schon viele Jahrzehnte gibt.

Auch wenn moderne Operationsverstärker dem theoretischen Ideal schon sehr nahe kommen, so kann man doch durch die spezielle Ausgestaltung der Schaltung das Verhalten in eine bestimmte Richtung noch weiter verbessern. Audio-OP-Amps besitzen beispielsweise zugunsten eines möglichst geringen Klirrfaktors oft eine vollsymmetrische Eingangsstufe (Prinzipschaltung wie  Prinzipschaltbild HiFi-Verstärker). Und reicht der ohnehin schon hohe Eingangswiderstand nicht aus, läßt er sich durch den Einsatz von Sperrschicht-FETs oder MOS-FETs so hoch treiben, daß die Eigenschaften des Isolationsmaterials (z.B. Leiterplatte) und die Luftfeuchtigkeit die bei weitem begrenzenden Faktoren werden.


Grundschaltungen mit Operationsverstärkern

In Bild 3 sind das Schaltzeichen und die Anschlüsse eines Operationsverstärkers dargestellt. Wie man sieht, besitzt ein Operationsverstärker neben den beiden Anschlüssen für die positive und negative Betriebsspannung einen Plus-, einen Minuseingang sowie einen Ausgang.

Schaltzeichen eines Operationsverstaerkers
Bild 3: Schaltzeichen und Anschlüsse eines Operationsverstärkers

Die Bezeichnung + und - der beiden Eingänge kennzeichnet, wie sich eine angelegte Spannung auf den Ausgang auswirkt: Ist der Pluseingang positiver als der Minuseingang, ist die Ausgangsspannung positiv. Ist der Minuseingang positiver als der Pluseingang, ist sie negativ. In Schaltbildern werden aus Gründen der Übersichtlichkeit die Betriebsspannungsanschlüsse übrigens oft nicht dargestellt. Dies ist auch in den nachfolgenden Grundschaltungen der Fall. Als Spannungsversorgung hat sich bei Netzbetrieb eine symmetrische Versorgung mit +/- 15 V weitgehend durchgesetzt.

Nachfolgend werden einige der wichtigsten Grundschaltungen lediglich kurz vorgestellt, um die breiten Möglichkeiten aufzuzeigen. Möchten Sie weitere Einzelheiten darüber erfahren, sei Ihnen entsprechende Fachliteratur empfohlen, in der die Dimensionierung und praktische Ausführung detailliert erklärt wird. Das Thema ist leider so umfangreich, daß man im Rahmen einer WebSite nur die Oberfläche ankratzen kann, weil man damit mühelos mehrere hundert Seiten füllen kann.


Elektrometerverstärker

Eine der bekanntesten und auch am weitesten verbreiteten Grundschaltungen ist der nichtinventierende Verstärker, auch Elektrometerverstärker genannt. Er besitzt einen sehr hohen Eingangswiderstand, und der Verstärkungsfaktor kann mittels zweier Widerstände auf einen Wert von 1 oder mehr eingestellt werden.

Nichtinvertierender Verstärker
Bild 4: Nichtinvertierender Verstärker

Aufgrund der hohen Differenzverstärkung ist der Unterschied der Spannung zwischen Plus- und Minuseingang immer vernachlässigbar gering, so daß die Spannung am Minuseingang der Eingangsspannung genau folgt. Aufgrund der Tatsache, daß die Spannung am Minuseingang durch den aus den Widerständen R1 und R2 gebildeten Spannungsteiler aus der Ausgangsspannung gewonnen wird, ist die Ausgangsspannung um den Teilungsfaktor höher als die Eingangsspannung. Die Verstärkung berechnet sich zu v = 1 + R1/R2.

Der Eingangswiderstand hängt vom verwendeten OP ab und beträgt selbst bei sehr alten Typen selten weniger als 1 MΩ. Bei den meisten aktuellen Typen ist er meistens viel größer und übertrifft bei CMOS-Typen selbst den von speziellen Elektrometerröhren um Größenordnungen. Egal wie hochohmig die Signalquelle auch sein mag, der Operationsverstärker stellt das verstärkte Signal zudem sehr niederohmig zur Verfügung.


Impedanzwandler

Ein Sonderfall des oben beschriebenen nichtinvertierenden Verstärkers ist der Impedanzwandler. Er besitzt einen Verstärkungsfaktor von genau 1. Dies kann man gemäß der Formel v = 1 + R1/R2 nur dann erreichen, wenn der Widerstand R2 einen unendlich hohen Widerstandswert besitzt sprich weggelassen wird.

Impedanzwandler
Bild 5: Impedanzwandler

Da der Minuseingang über den Widerstand R1 direkt mit dem Ausgang verbunden ist, ist seine Spannung mit der Ausgangsspannung identisch. R1 verhindert sogenannte Latch-Up-Effekte, die bei sehr steilen Gradienten auftreten können und den OP dazu bringen, daß seine Ausgangsspannung permanent an einer der beiden Betriebsspannungen "kleben" bleibt und dann auf kein Eingangssignal mehr reagiert. Viele moderne OP-Typen sind Latch-Up-sicher, so daß R1 bei ihnen auch weggelassen werden kann. Sein Vorhandensein schadet aber auch bei ihnen keinesfalls. Aufgrund der hohen Differenzverstärkung ist der Unterschied der Spannung zwischen Plus- und Minuseingang immer vernachlässigbar gering, so daß die Ausgangsspannung der Eingangsspannung genau folgt. Bei dieser Schaltung ist das Ausgangssignal noch etwas niederohmiger als beim Elektrometerverstärker.


Invertierender Verstärker

Man kann einen Operationsverstärker auch als invertierenden Verstärker beschalten wie in Bild 6 dargestellt. Er funktioniert folgendermaßen: Der Operationsverstärker ist immer bestrebt, die Differenzspannung zwischen Plus- und Minuseingang so gering wie möglich zu halten (genaugenommen 0 V). Der Pluseingang liegt fest an Masse. Da der Minuseingang den gleichen Spannungspegel besitzt, wird am Minuseingang eine virtuelle Masse erzeugt. Der durch die Eingangsspannung hervorgerufene Strom durch R1 kann nicht einfach verschwinden, sondern muß irgendwohin fließen. Der Minuseingang ist dazu viel zu hochohmig, also muß er weiter zum Ausgang durch R2 hindurch fließen. Bei einer positiven Eingangsspannung muß daher die Ausgangsspannung negativ sein, denn von Masse (d.h. vom Minuseingang, der ja den gleichen Pegel führt wie der Pluseingang) kann der Strom nur zu einer Spannungsquelle (hier: OP-Ausgang) fließen, wenn diese eine negative Spannung besitzt. Der OP stellt daher die Ausgangsspannung genau auf den Wert, der erforderlich ist, damit an den beiden Eingängen keine Differenzspannung auftritt.

Invertierender Verstärker
Bild 6: Invertierender Verstärker

Sind R1 und R2 gleichgroß, so ist die Spannungsverstärkung -1, d.h. die Ausgangsspannung ist gleichgroß wie die Eingangsspannung, besitzt aber eine entgegengesetzte Polarität. Denn der Strom durch R1 berechnet sich zu I=U/R1. Dieser Strom fließt weiter durch R2 und erzeugt an ihm gemäß U=R.I die gleiche Spannung wie an R1, weil ja die beiden Widerstandswerte gleich sind.

Ist R2 größer als R1, muß der OP den Betrag der Ausgangsspannung erhöhen, um den gleichen Strom fließen zu lassen. Der Betrag der Verstärkung ist in diesem Fall daher größer als 1. Ist R2 kleiner als R1, ist der Betrag der Verstärkung kleiner als 1. Die Verstärkung berechnet sich allgemeingültig sehr einfach zu v = -R2/R1.

Die Eingangsimpedanz ist recht niedrig und identisch mit R1, was den Einsatzbereich des invertierenden Verstärkers limitiert. Zudem liegt der Widerstand R1 mit dem Signalquellenwiderstand in Reihe, so daß sich das unerwünschte Rauschen der Signalquelle erhöht, was sich allerdings nur bei sehr kleinen Eingangssignalen nennenswert auswirkt. Zudem verändert sich die Verstärkung bei unterschiedlichen Signalquellenwiderständen. Die Ausgangsimpedanz ist genauso gering wie beim nichtinvertierenden Verstärker.


Addierer

Der Addierer basiert auf dem invertierenden Verstärker. Statt eines Eingangs besitzt er zwei oder mehr Eingänge, deren Signale addiert werden. Ein typisches Anwendungsbeispiel im Audiobereich ist ein Mischpult, bei dem zwei oder mehr Signale "zusammengemischt" sprich addiert werden. Hier gibt es nun zwei oder mehr Eingangssignale und damit zwei oder mehr Eingangsströme, die in Summe zum OP-Ausgang fließen müssen. Der OP stellt daher bei identischen Widerständen die Ausgangsspannung so ein, daß die Ausgangsspannung der Summe der Eingangsspannungen entspricht, aber die entgegengesetzte Polarität besitzt. Durch Wahl der Widerstände kann man einzelnen Eingängen eine größere Verstärkung geben als anderen.

Addierer
Bild 7: Addierer

Die Verstärkung des Eingangs 1 berechnet sich zu v = -Rn/Ra und die des Eingangs 2 zu v = -Rn/Rb. Meistens wird jedoch angegeben, wie sich die Ausgangs- aus den Eingangsspannungen berechnet:
Ausgangsspannung eines Addierers
Ein großer Vorteil dieser Schaltung ist es, daß der Minuseingang eine virtuelle Masse darstellt. Für die Signalquelle stellt der jeweilige Eingang daher einen fixen Widerstand nach Masse dar. Dadurch kommt es nicht zu Rückwirkungen auf andere Eingänge, wie dies bei vielen anderen Schaltungen ohne OP der Fall ist. Durch weitere Widerstände Rc, Rd etc. kann man die Anzahl der Eingänge nahezu beliebig erhöhen, ohne daß sie sich gegenseitig beeinflussen.
  

Vorherige Seite
Seitenanfang







Legende:    =Verweis auf eine andere Datei (Ladezeit)    =Verweis innerhalb der aktuellen Seite (Zugriff ohne Ladezeit)
 =Es folgt eine eMailadresse    =Dies ist ein Download

Alle Angaben in Zusammenhang mit dieser Site wurden nach bestem Wissen und Gewissen gemacht. Trotzdem kann hierfür keine Haftung übernommen werden. Schadenersatzansprüche jeglicher Art sind grundsätzlich ausgeschlossen.

Alle Bilder und Texte sind urheberrechtlich geschützt und Eigentum von Chr. Caspari (sofern nicht anders gekennzeichnet). Es gelten die allgemeinen  Benutzungsbedingungen.

Mitteilungen über Fehler sind stets willkommen (Kontaktmöglichkeiten siehe  Impressum). Ich bitte um Verständnis, daß mir infolge Zeitmangels keine Beantwortung von Fragen und erst recht keine individuelle Beratung möglich ist - auch nicht ausnahmsweise. Für Fragen zu Pflanzenpflege, Foto und Technik stehen Ihnen jedoch verschiedene  Foren ("schwarze Bretter") zur Verfügung.


Letzter Upload dieser Seite: 05.11.2016 (Untergeordnete Seiten können aktueller sein)