Operationsverstärker Grundlagen
Aufbau und Funktionsweise eines OP
Operationsverstärker (abgekürzt OP) sind als monolithische integrierte Schaltungen wie hier im Bild 1.1 bzw. Bild 1.2 aufgebaut.
Bild 1.1 - Operationsverstärker im DIL-8 Gehäuse
Bild 1.2 - Operationsverstärker im TO (SMD) Gehäuse
Der integrierte Standard-OP ist seit rund 30 Jahren ein wesentlicher Bestandteil in elektronischen Schaltungen. Bis ca. 1970 war es üblich, für jede Schaltung einen individuellen Verstärker zu entwickeln. Danach ist man immer mehr dazu übergegangen, die Teile des Verstärkers, die die eigentliche Verstärkung bewirken, in einem IC zu integrieren und die speziellen Eigenschaften durch eine externe Beschaltung des Bauteils zu erreichen. Durch eine geeignete äußere Beschaltung eines OP lassen sich speziell gewünschte Übertragungseigenschaften erzielen und damit ist eine universelle Einsatzmöglichkeit gegeben.
Operationsverstärker bestehen im Überblick aus einer Differenzeingangsstufe, einem Zwischenverstärker und einer Endstufe.
Bild 1.3 - Beispiel: Innenleben eines OP (741)
Die Zahl der integrierten Transistoren, Dioden und Widerstände ist bei den einzelnen OP's oft sehr unterschiedlich. Zur Erhöhung des Eingangswiderstandes in der Eingangsstufe befinden sich je nach Typ entweder Transistoren oder Darlingtonstufen, FET- oder MOSFET-Transistoren, bei denen Widerstandswerte bis 1025 Ohm erzielt werden.
Schaltzeichen
altes Schaltzeichen
Neues Schaltzeichen nach DIN 40 900 T.13
Da nach wie vor noch gerne das "alte" Schaltzeichen verwendet wird, werden wir auch hier damit arbeiten. Wie dem Schaltzeichen zu entnehmen ist, verfügt der OP über zwei Eingänge und einem Ausgang.
Plus (+) >> nichtinvertierender Eingang (P oder +E)
Ein hier angelegtes Signal wird ohne Phasenverschiebung auf den Ausgang übertragen.
Minus (-) >> invertierender Eingang (N oder -E)
Ein hier angelegtes Signal wird mit einer Phasenverschiebung von 180° auf den Ausgang übertragen. Wird hier eine positive Spannung angelegt, so ist die Ausgangsspannung negativ.
OP's werden (je nach Typ) entweder mit zwei symmetrischen Betriebsspannungen (+UB und -UB) betrieben oder mit einer Betriebsspannung mit Masse.
Spannungen und Ströme eines OPs
Die Eingangsspannungen sowie die Ausgangsspannung werden auf Masse-Potential bezogen.
Die Differenzeingangsspannung UD ist somit: UD = UP - UN.
Diese Differenzspannung wird nun mit dem Verstärkungsfaktor V0 verstärkt und ergibt die Ausgangsspannung UA.
BEISPIEL
UP = 200uV, UN = 400uV, V0 = 10.000
UD = UP - (-UN) = -200uV am invertierenden Eingang (gegen Masse)
UA = UD * V0 = -200uV * 10.000 = +2V
Gegenüberstellung eines idealen und realen OP
Nichtinvertierender Betrieb
Wie der Name bereits sagt, wird ein Eingangssignal am nichtinvertierenden Anschluss (+) des OP angelegt.
Das Signal wird mit der Verstärkung V0 verstärkt.
Uaus = V * UP
