Operationsverstärker (Grundprinzip)

Aufbau

Prinzip

Ursprünglich hat D.W. Slaughter eine Röhrenschaltung mit zwei Röhren als Operationsverstärker veröffentlicht. Mit zwei Transistoren wird daraus folgende Schaltung:

OP Differenzverstärker

Bei vollkommener Symmetrie der Transistoren erhält man als Ausgangsspannung die verstärkte Eingangs-Spannungs-Differenz.

Daher kommt die Bezeichnung:
Differenz-Eingangsstufe.

Operationsverstärker Aufbau
Die innere Schaltung (siehe oben) lässt sich in drei Teile gliedern:
  1. Eingangsstufe (einer oder mehrere Differenzverstärker)
  2. Spannungsverstärkerstufe (mehrstufige Transistorverstärker)
  3. Endstufe (als Gegentaktverstärker für normalerweise 20mA; aber auch zur Ansteuerung von Motoren und Ventilen bis 3A)
Gegentaktendstufe:
OP Ausgangsschaltung

Wirkungsweise

Zweck des Operationsverstärkers ( = OP) ist es, den idealen Vorstellungen von einem Verstärker möglichst nahe zu kommen.

Der OP 741

Symbol eines OP
Eigenschaften des idealen Verstärkers des realen Verstärkers
Spannungsverstärkung 100.000 fach
Eingangswiderstand 2 MΩ
Ausgangswiderstand 0 75 Ω
Gleichtaktunterdrückung 30.000 fach
obere zu übertragende Signalfrequenz 1 MHz
(bei Gegenkopplung und
V = 1)

Anschlüsse eines OP

Der OP hat zwei Eingänge:

  1. den nicht invertierenden Eingang ("+" - gekennzeichnet)
  2. den invertierenden Eingang ("-" - gekennzeichnet)

Werden beide gleich angesteuert, ist die Spannungsdifferenz am Eingang UD = 0. In diesem Fall wird der OP im Gleichtakt ( = common mode) betrieben. Die Ausgangsspannung UQ wäre theoretisch ebenfalls 0. Das Verhältnis zwischen der idealen Verstärkung (V0 = ∞) und der Verstärkung im common mode (VCM = 0) heißt Gleichtaktunterdrückung G. Sie wäre im Idealfall also "unendlich" (G = ∞ siehe oben).

Damit der OP in positiver und negativer Spannungsrichtung voll ausgesteuert werden kann, wird eine symmetrische Spannungsversorgung angeschlossen (meist ±15 V)

Invertierender Verstärker

Grundschaltung

invertierender OP-Amp

Da der OP bereits bei sehr kleiner UD ( ≈ 0) voll verstärkt, ist der "-" Eingang gleich dem "+" - Eingang, also "Masse".

Für die Spannungsverhältnisse gilt daher die bekannte "Spannungssteilerregel". Es ist die Verstärkung V also:

Verstärkung des inverterienden OP

Invertierend heisst: Die Spannungen sind 180° phasenverschoben oder besitzen umgekehrtes Vorzeichen.

Nicht invertierender Verstärker

Grundschaltung

nicht invertierender OP-Amp

Es gilt wieder UD ≈ 0.

Die Anwendung der Spannungsteilerregel wird in dieser Schaltung offensichtlich. Die Verstärkung V ist hier:

Verstärkung des nicht invertierenden OP

Das sich am Eingang immer UD ≈ 0 einstellt, wird die Eingangsspannung U1 der Ausgangsspannung UQ selbsttätig nachgestellt. Man spricht auch von der rückgeführten Teilspannung U1.

Anwendungen

Es gibt unzählige Anwendungen:

  • Messverstärker
  • Audio-Video-Verstärker
  • Antriebsregler
    sind nur die wichtigsten. (Einige Anwendungen untersuchen wir in der Praxis)