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Operationsverstärker

Ein Operationsverstärker (abgekürzt OP) ist eine Verstärkerschaltung, die bei einer Potentialdifferenz an ihren Eingängen eine hohe Spannungsverstärkung am Ausgang liefert. Sein Eingang ist hochohmig und sein Ausgang niederohmig.

Aufbau

Schaltplan Operationsverstärker unbeschaltet

Ein Operationsverstärker besitzt zwei Anschlüsse für die Spannungsversorgung. Hier werden die positive und negative Versorgungsspannung (Ub+ und Ub-) angeschlossen. Ein OP benötigt zwei Spannungen, damit er sowohl positiv als auch negativ verstärken kann. Des weiteren besitzt er einen positiven Eingang (+) und einen negativen Eingang (-) sowie einen Ausgang.

Funktion

Ein Operationsverstärker arbeitet grundsätzlich wie ein normaler Verstärker. Er verstärkt die zwischen seinen beiden Eingängen anliegende Spannungsdifferenz und gibt sie am Ausgang aus. Die Besonderheit des Operationsverstärkers ist seine extrem hohe Leerlaufverstärkung. Das bedeutet, wenn sein Ausgang nicht belastet wird, liegt die Verstärkung üblicherweise im Bereich 10^4..10^5. Dies hat zur Folge, dass schon bei einer geringen Spannungsdifferenz am Eingang der OP voll durchsteuert. Sobald also der positive Eingang auf einem höherem Potential gegenüber dem negativen Eingang liegt, wird die positive Versorgungsspannung ausgegeben. Im umgekehrten Fall die negative Versorgungsspannung.

Gegenkopplung

Für eine Vielzahl von Anwendungen benötigt der OP eine geringere Verstärkung als die Leerlaufverstärkung. Dies ist über die Maßnahme der Gegenkopplung realisierbar. Bei der Gegenkopplung wird der Ausgang des OPs auf den negativen Eingang zurückgeführt. Dadurch begrenzt sich der OP in seiner Verstärkung selbst. Charakteristisch für alle Schaltungen mit Gegenkopplung ist, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem positiven und dem negativen Eingang gegen 0 V geht. Das einfachste Schaltungsbeispiel für einen OP mit Gegenkopplung ist der Impedanzwandler.

Anwendungen für den Operationsverstärker

Impedanzwandler

Schaltplan Impedanzwandler

Ein Operationsverstärker kann als Impedanzwandler genutzt werden. Da sein Eingang hochohmig ist und sein Ausgang niederohmig, kann man ihn in eine Schaltung einfügen, bei der auf einen hochohmigen Teil ein niederohmiger Verbraucher folgen soll. Setzt man einen OP als Impedanzwandler dazwischen, kann man an eine hochohmige Quelle einen niederohmigen Verbraucher anschließen, da dieser die Quelle nun nicht mehr belastet.

Beispiel:

Auf den positiven Eingang wird ein 1V Signal gelegt. Da am negativen Eingang zunächst 0V liegen gibt der OP am Ausgang die positive Versorgungsspannung heraus. Nun ist der negative Eingang höher als der positive Eingang und die Spannung am Ausgang fällt wieder ab. Dieser Vorgang pendelt sich letztendlich so ein, dass am negativen Eingang und damit am Ausgang genaug die Spannung des positiven Eingangs anliegt. Eingangs- und Ausgangssignal haben das gleiche Spannungsniveau, aber die Signalquelle wird durch den OP vom niederohmigen Verbraucher getrennt.

Nichtinvertierender Verstärker

Schaltplan nichtinvertierender Verstärker

Beim nichtinvertierenden Verstärker werden zwei Widerstände zwischen Ausgang und Masse geschaltet und zwischen diesen Widerständen die Gegenkopplung abgegriffen. Da die Differenzspannung zwischen den beiden OP-Eingängen bei 0 V liegt, ist die Spannung am Widerstand gleich der Eingangsspannung . Durch den Widerstand fließt der Strom

Da der OP eingangsseitig hochohmig ist, fließt kein relevanter Strom in den negativen Eingang. Somit fließt auch durch den

Widerstand der Strom .

Für die Verstärkung ergibt sich damit:

Ein nichtinvertierender Verstärker hat also einen minimalen Verstärkungsfaktor von 1.



Invertierender Verstärker

Schaltplan invertierender Verstärker

Bei einem invertierenden Verstärker wird der positive Eingang auf Masse gezogen und das Eingangssignal wird auf den negativen Eingang geführt. Durch die Gegenkopplung über den Widerstand liegt die Spannung zwischen den beiden OP-Eingängen auf 0 V. Da der positive Eingang direkt auf Massepotential liegt, hat somit auch der negative Eingang Massepotential. Dies wird als virtuelle Masse bezeichnet. Über dem Widerstand liegt die Eingangsspannung und sorgt für einen Strom . Aufgrund der Hochohmigkeit des OPs fließt kein nennenswerter Strom in den negativen Eingang und der über abgeführte Strom ist nahezu identisch mit dem Strom . Es ergibt sich ein Spannungsfall über den Widerstand , wobei aufgrund der virtuellen Masse eine entgegengesetzte Polarität zu aufweisen muss, damit ein Stromfluss in der vorgegebenen Richtung zustande kommt.

Für die Verstärkung ergibt sich damit:

Ein invertierender Verstärker ermöglicht im Gegensatz zum nichtinvertierenden Vestärker also auch eine Abschwächung einens Signals, nimmt dabei aber immer eine Invertierung vor. Um die Invertierung aufzuheben, können zwei invertierende Verstärker in Reihe geschaltet werden.

weiterführende Dokumente

PSpice-Simulation eines invertierende Vestärkers zum Download:

invertierender Verstaerker.zip



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