Operationsverstärker

Was ist ein Operationsverstärker?

Ein Operationsverstärker ist eine integrierte Schaltung mit zwei Eingangsanschlüssen und einem Ausgangsanschluss, die ein elektrisches Eingangssignal verstärken und ausgeben kann.

Er wird auch als Operationsverstärker bezeichnet. Durch die Gestaltung der zu verbindenden Schaltungselemente können Operationsverstärker nicht nur verstärken, sondern auch arithmetische Funktionen wie Addition, Subtraktion und Zeitintegration von Eingangsspannungen ausführen.

Analoge Verstärkerschaltungen, die diese Funktionen nutzen, sind heute weit verbreitet.

Verwendungsmöglichkeiten von Operationsverstärkern

Es gibt eine Vielzahl von Schaltungen mit Operationsverstärkern, von denen die gängigsten im Folgenden aufgeführt sind.

• Sensor-Verstärker
• Spannungsfolgeschaltungen
• Schaltungen zur Differenzialverstärkung
• Additive Verstärkungsschaltungen
• Integrale Schaltungen
• Differenzierungsschaltungen
• Lineare Erfassungsschaltungen
• Logarithmische Verstärkungsschaltungen
• Phasenoszillatorschaltungen
• Aktive Filter

1. Sensorverstärker

Operationsverstärker werden im Bereich der Sensorverstärker eingesetzt, um verschiedene Mikrosignale, die von Mikrofonen, optischen Sensoren, Drucksensoren usw. ausgegeben werden, auf einen Signalpegel zu verstärken, der von einem A/D-Wandler verarbeitet werden kann. Um die Auswirkungen von Rauschen zu vermeiden, wird eine Differenzverstärkerkonfiguration verwendet oder ein Bandpassfilter, um Rauschen außerhalb des Frequenzbandes des Signals zu entfernen usw. Hier werden immer Operationsverstärker verwendet.

2. Spannungsfolger

Operationsverstärker werden auch als Spannungsfolger eingesetzt. Hochohmige Signalquellen sind störanfällig und die Kabellängen können nicht erhöht werden. Der Einsatz von Operationsverstärkern ermöglicht die Verwendung längerer Kabel und reduziert die Rauscheinwirkung.

Prinzip der Operationsverstärker

Ein Operationsverstärker besteht aus zwei Eingangsklemmen und einer Ausgangsklemme und hat die folgenden idealen Eigenschaften

• Verstärkung im offenen Regelkreis: unendlich
• Eingangsstrom: 0 A
• Ausgangsimpedanz: 0 Ω

In der Praxis beträgt die Leerlaufverstärkung mehr als 90 dB, der Eingangsstrom einige nA bis 1 µA und die Ausgangsimpedanz 0,1 Ω bis einige Ω. Im Prinzip kann man von den oben genannten Werten ausgehen.

Die beiden Eingangsanschlüsse des Operationsverstärkers haben außerdem die folgenden Funktionen

• Invertierende Eingangsklemme
  Dies ist eine Klemme, an der die Phase des Eingangssignals um 180° invertiert und ausgegeben wird, gekennzeichnet durch ein “-” im Schaltsymbol.
• Nicht-invertierende Eingangsklemme
  Diese Klemme erzeugt einen Ausgang in Phase mit dem Eingangssignal und ist im Schaltzeichen mit einem “+” gekennzeichnet.

Typen von Operationsverstärkern

Die Typen von Operationsverstärkern lassen sich nach “Element”, “Stromversorgungskonfiguration” und “Eigenschaften” einteilen.

1. Klassifizierung nach Element

Es gibt drei Arten von Operationsverstärkern, je nach den Elementen, aus denen die Schaltung besteht.

• Operationsverstärker, die ausschließlich aus bipolaren Transistoren bestehen
  Allgemeine Operationsverstärker, von denen es viele Typen gibt, die von Hochleistungstypen mit hervorragenden Eigenschaften bis hin zu Allzwecktypen reichen.
• Operationsverstärker mit FETs als Eingangsanschlüssen
  Obwohl im Wesentlichen aus bipolaren Transistoren zusammengesetzt, ist die erste Stufe des Eingangskreises ein differentieller Source-Folger mit J-FETs, was zu einer hohen Eingangsimpedanz und einer großen Anstiegsgeschwindigkeit führt.
• Der Operationsverstärker ist in CMOS aufgebaut
  Obwohl die Stehspannung relativ niedrig ist, ist der Eingangsvorspannungsstrom extrem niedrig und der Stromverbrauch gering. Ein weiterer Vorteil ist der große Eingangs-/Ausgangsdynamikbereich und die Fähigkeit, Signale mit großer Amplitude zu verarbeiten. Allerdings können sie keine Hochfrequenzsignale verarbeiten.

2. Klassifizierung nach der Konfiguration der Spannungsversorgung

Operationsverstärker lassen sich nach der Art der Stromversorgung in die beiden folgenden Typen einteilen.

• Typ mit doppelter Spannungsversorgung
  Operationsverstärker, die positive und negative Versorgungsspannungen in Bezug auf den Massepegel benötigen.
• Typ mit einfacher Spannungsversorgung
  Operationsverstärker, die nur mit positiver oder negativer Versorgungsspannung arbeiten.

3. Klassifizierung nach Eigenschaften

Es werden Operationsverstärker mit unterschiedlichen Eigenschaften angeboten, wobei die wichtigsten Eigenschaften von der Anwendung abhängen. Im Folgenden sind Beispiele für solche Geräte aufgeführt, die je nach den erforderlichen Spezifikationen entsprechend ausgewählt werden müssen.

• Große Bandbreite
• Geringes Rauschen
• Hohe Genauigkeit
• Rail-to-Rail-Betrieb
• Niedriger Bias-Strom
• Geringe Stromaufnahme
• Hoher Ausgangsstrom

Wie Operationsverstärker verwendet werden

Operationsverstärker haben spezifische Fehlerfaktoren für analoge Schaltungen. Darüber hinaus können sich Abweichungen von den im Abschnitt “Grundlagen der Operationsverstärker” beschriebenen idealen Eigenschaften nachteilig auf den Betrieb der Schaltung auswirken. Daher müssen Maßnahmen getroffen werden, um sie zu vermeiden. Spezifische Maßnahmen werden im Folgenden beschrieben.

• Die Spannungsversorgung des Operationsverstärkers sollte eine stabile, rauscharme Spannung liefern.
• In der Nähe der Stromversorgungsklemmen sollten rauschabsorbierende Kondensatoren angebracht werden.
• Halten Sie einen gewissen Abstand zu den digitalen Verarbeitungsschaltungen ein oder stellen Sie ihn in ein abgeschirmtes Gehäuse.
• Installieren Sie das Gerät in einer Umgebung, in der die Temperaturschwankungen minimal sind.
• Wenn genaue Verstärkungs- und Frequenzcharakteristiken erforderlich sind, sollte das Gerät auf der Grundlage der Genauigkeit der Rückkopplungskreiselemente und der Temperaturcharakteristiken ausgelegt werden.

Die folgenden weiteren Vorsichtsmaßnahmen sollten ebenfalls beachtet werden; für einzelne Maßnahmen wird auf die Fachliteratur oder die vom Hersteller des Operationsverstärkers bereitgestellte Dokumentation verwiesen.

• Aufhebung der Offsetspannung
• Verhinderung von Signalausgängen
• Sicherstellung des Dynamikbereichs
• Beseitigung von Vorspannungsstromeffekten
• Sicherstellung der Stromversorgungsfähigkeit
• Schutz vor übermäßigen Eingangssignalen

Weitere Informationen über Operationsverstärker

Grundlagen von Verstärkerschaltungen

Operationsverstärker haben eine extrem hohe Leerlaufverstärkung, so dass die verschiedenen im vorigen Abschnitt beschriebenen Funktionen durch eine geeignete Einstellung des Rückkopplungskreises von den Ausgangsklemmen zu den Eingangsklemmen erreicht werden können. Die folgenden zwei grundlegenden Verstärkerschaltungen mit Operationsverstärkern werden hier als konkrete Beispiele erläutert.

1. Invertierender Verstärker
Das Signal Vi ist über einen Widerstand Ri mit der invertierenden Eingangsklemme verbunden, und die invertierende Eingangsklemme und die Ausgangsklemme sind durch einen Widerstand Rf verbunden. Die nichtinvertierende Eingangsklemme ist direkt mit Masse verbunden. Das mit dieser Konfiguration erhaltene Ausgangssignal Vo ist (-Rf/Ri) × Vi.” -” bedeutet, dass die Phase invertiert ist.

2. Nicht-invertierender Verstärker
Das Signal Vi wird direkt an die nichtinvertierende Eingangsklemme angeschlossen. Die invertierende Eingangsklemme ist über Ri mit Masse und über Rf mit der Ausgangsklemme verbunden. Das Ausgangssignal Vo in dieser Konfiguration ist (Rf/Ri) × Vi.