Grundlagen der Operationsverstärker: Typen und Funktionen

Nicht-invertierender Verstärker

Die grundlegenden nicht-invertierenden Operationsverstärker sind in der Abbildung unten dargestellt:

• V_in = Eingangsspannung
• V_out = Ausgangsspannung
• V_e = Fehlerspannung
• V_f = Rückkopplungsspannung (Feedback)
• A = Open-Loop-Verstärkung (nach Angaben des Herstellers)
• B = Faktor der negativen Rückkopplung

Die Ausgangsspannung (V_out) können wir so ausdrücken, dass der Fehler durch die Open-Loop-Verstärkung (A) multipliziert wird.

Invertierender Summierverstärker

Die folgende Abbildung zeigt den prinzipiellen invertierenden Summierverstärker:

Differenzverstärker

Die folgende Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau des Differenzverstärkers, der auch als Subtrahierverstärker bekannt ist.

Nicht-invertierender Summierverstärker

Pufferverstärker (Buffer)

Grundsätzlich ist ein Puffer ein Stromverstärker, der auch als Impedanzwandler verwendet wird. Ein Puffer zeichnet sich durch eine hohe Eingangsimpedanz, eine niedrige Ausgangsimpedanz und eine Spannungsverstärkung von Eins aus.

Differenzierer (Verstärker-Bypass)

Ein Differenzierer (hier als Verstärker-Bypass bezeichnet) ist eine Schaltung, welche die mathematische Operation der Differentialrechnung (Ableitung) ausführt. Er erzeugt eine Ausgangsspannung, die proportional zu den momentanen Schwankungen der Eingangsspannung über die Zeit ist.

Typische Anwendungen eines solchen Shunts sind der Nachweis der steigenden und fallenden Flanken eines Impulses.

Integrierender Verstärker (Integrator)

Der Integrator ist eine Schaltung, welche die mathematische Operation der Integration ausführt. Die grundlegende Integratorschaltung besteht aus einem Widerstand und einem Kondensator.

Beseitigung des Ausgangs-Offsets

Die zuvor gezeigte Schaltung erfordert eine praxisgerechte Änderung, da sich ein Kondensator bei Gleichstromsignalen wie ein offener Schaltkreis verhält. In diesem Fall gibt es keine negative Rückkopplung bei der Frequenz Null. Ohne negative Rückkopplung interpretiert die Schaltung eine Eingangsoffsetspannung als gültige Eingangsspannung. Das Ergebnis ist, dass der Kondensator aufgeladen wird, der Ausgang positiv oder negativ gesättigt ist und auf unbestimmte Zeit dort verbleibt.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, die Verstärkung bei der Frequenz Null zu reduzieren, indem ein Widerstand parallel zum Kondensator geschaltet wird, wie in der Abbildung unten dargestellt:

Der Widerstandswert muss mindestens 10-mal größer sein als der Eingangswiderstand. Durch das Hinzufügen eines Widerstands (R10) wird die Spannungsverstärkung im geschlossenen Regelkreis auf 10 begrenzt und die Ausgangsoffsetspannung erfolgreich auf ein akzeptables Niveau reduziert, sofern eine Eingangsspannung vorhanden ist.

Elektrische Eigenschaften von Operationsverstärkern

Bandbreite (BW)

Die Bandbreite (BW) beschreibt die Reaktion des Verstärkers auf verschiedene Frequenzen. Idealerweise sollte ein Operationsverstärker eine konstante Verstärkung für alle Frequenzen aufweisen. In einem realen Operationsverstärker sinkt der Gewinn jedoch mit zunehmender Frequenz. Diese Veränderung ist auf die interne Struktur der Schaltung und die Integration eines Frequenzkompensationskondensators zurückzuführen, der Schwingungen vermeidet. Im Fall der integrierten Schaltung LM741 beträgt dieser Kondensator 30 pF.

In der folgenden Grafik kann beobachtet werden, dass im offenen Regelkreis die Spannungsverstärkung um 20 dB pro Dekade abnimmt. Das bedeutet: Wenn sich die Frequenz verzehnfacht, sinkt die Verstärkung um 20 dB.