Operationsverstärker: Überblick

Operationsverstärker sind Komponenten mit hoher Verstärkung. Sie verfügen in aller Regel über fünf Anschlüsse, gleichwohl die Netzanschlussklemmen manchmal nicht in den Schaltplänen enthalten sind. Operationsverstärker sind aktive Komponenten; das bedeutet, dass sie Strom von einem Netzanschluss benötigen, um funktionieren zu können.

Diese Geräte sind mit unterschiedlichsten Eingängen ausgestattet, während in den meisten Fällen lediglich ein Ausgang zur Verfügung steht. Zum Einsatz kamen diese Komponenten einst umfassend in analogen Computern, wo sie verschiedenste Vorgänge wie Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division und weitere mathematische Berechnungen durchführen konnten. Und auch heute werden sie noch weitläufig eingesetzt.

Operationsverstärker sind in der Lage, sehr hohe Ausgangspotenziale im Vergleich zu dem Potenzial an den Eingangsklemmen zu erzeugen. Dabei können sie diese Differenz hunderttausendfach multiplizieren und bieten somit eine sehr hohe Spannungsverstärkung für die Anwendungen, in denen sie eingesetzt werden.

Operationsverstärker zählen zu den am weitesten verbreiteten Varianten an integrierten Schaltkreisen. Ihre Funktion verschafft ihnen dabei eine gewaltige Flexibilität und dank der drastischen Verstärkung der verschiedenen Eingangssignale können sie in einer Vielzahl verschiedenster Anwendungen eingesetzt werden.

 

Die Ursprünge

Operationsverstärker wurden zuallererst für Telekommunikationsanwendungen entwickelt. Dabei dauerte es nicht besonders lange, bis sie auch für analoge Computer zum Einsatz kamen. Der Begriff Operationsverstärker bezieht sich dabei nicht auf elektrische Operationen sondern zielt mehr auf die Fähigkeit dieser Komponenten ab, mathematische Vorgänge zu übernehmen.

Nähme man Operationsverstärker aus ihrem integrierten Schaltkreisgehäuse heraus, so käme eine ganze Menge an Transistoren und anderen Komponenten zum Vorschein. Da sie jedoch in Form von integrierten Schaltkreisen angeboten werden, sollten sie vielmehr als solche betrachtet werden, anstatt auf die Daten der internen Schaltungen reduziert zu werden.

 

Bauart

Operationsverstärker sind sehr komplexe Geräte und bestehen aus einer Vielzahl an Transistoren, Dioden und weiteren Komponenten, die allesamt miteinander verknüpft sind um die gewünschte Funktion des Geräts sicherzustellen. Die meisten Operationsverstärker werden dabei als integrierte Schaltkreise angeboten und sind sehr kompakt und meist relativ preiswert.

In den meisten Fällen verfügen diese Geräte über fünf Anschlüsse. Der positive Anschluss wird dabei auch als nicht-invertierender Eingang bezeichnet. Der negative Anschluss hört hingegen auch auf den Namen invertierender Eingang. Hinzu kommt ein weiteres Anschlusspaar, positiv und negativ, das die Stromversorgung des Geräts sicherstellt. In aller Regel bietet ein solches Gerät lediglich einen einzelnen Ausgang.

Operationsverstärker können natürlich auch mit mehr oder weniger Anschlüssen ausgestattet sein, doch die Variante mit fünf Anschlüssen ist mit Abstand am weitesten verbreitet. Je nachdem, wie die Ein- und Ausgänge an den jeweiligen Schaltkreis angeschlossen sind, kann ein solches Gerät auch als Komparator und ähnliches verwendet werden.

 

Schaltplansymbol

Das Schaltplansymbol eines Operationsverstärkers kann variieren, folgt in aller Regel jedoch einem einheitlichen Design. So werden Operationsverstärker in den meisten Schaltplänen als Dreieck dargestellt. An der vertikalen Seite dieses Dreiecks sind der nicht-invertierende und der invertierende Eingang abgebildet. Die Netzanschlussklemmen sind am oberen und unteren Ende des Symbols angezeichnet; dabei wird mit Hilfe der Bezeichnungen Vs+ und Vs- zwischen den positiven und negativen Anschlüssen unterschieden. Der Ausgang wird in Form einer einzelnen Linie mit der Bezeichnung Vout. abgebildet.

Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Op-amp_symbol.svg

In manchen Fällen werden die Netzanschlussklemmen für mehr Übersichtlichkeit aus dem Schaltplansymbol gestrichen. Bei dem Symbol als solches werden sie jedoch in aller Regel berücksichtigt.

 

Konfigurationen in Schaltungen

Ein Operationsverstärker verstärkt den Spannungsunterschied zwischen dem nicht-invertierenden und dem invertierenden Eingang. Diese Größe wird auch als Differenzialeingangsspannung bezeichnet.

Zum Einsatz kommen können diese Geräte mit offenen und geschlossenen Regelkreisen. Bei einer Konfiguration mit offenem Regelkreis verläuft kein Feedback-Kreis von dem Ausgang des Geräts zurück zu dem Eingang.

Bei der Anwendung in einer solchen Konfiguration können Operationsverstärker eine sehr hohe Ausgangsspannung erzeugen. Diese Ausgangsspannung kann nahezu den Wert der Stromversorgung des Geräts selbst annehmen. Bei Situationen, in denen die Ausgangsspannung letztendlich die Eingangsspannung seitens der Stromversorgung übersteigt, ist oftmals von einer Sättigung die Rede.

Dabei können die Operationsverstärker in einem solchen Aufbau auch als Komparator eingesetzt werden.

In manch anderen Anwendungen sind Operationsverstärker hingegen als Geräte mit geschlossenem Regelkreis untergebracht. Dies erfordert, dass die Ausgangsspannung zum Teil zurück in den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geführt wird.

Somit wird die Performance des Geräts vorhersehbarer gestaltet. Zugleich wird jedoch die Verstärkung verringert, die der Verstärker erzielen kann. Eine solche Konfiguration wird beispielsweise in analogen Computern zur Durchführung bestimmter mathematischer Funktionen verwendet.

Manche Operationsverstärker erfordern eine sogenannte Split-Stromversorgung, die von dem Symbol ± in einem Schaltplan angezeigt wird. Bei Operationsverstärkern, die auch ohne eine solche Split-Stromversorgung auskommen, wird hingegen eine Anschlussklemme als Erdungsanschluss anstatt als V- Anschluss bezeichnet.

Der im Zusammenhang mit diesen Komponenten verwendete Begriff „Differenzial“ bezieht sich darauf, dass die Ausgangsspannung des Geräts von dem Unterschied zwischen den Spannungen beider Eingangsklemmen abhängt. In den meisten Fällen bestimmt die jeweilige Stromversorgung die maximale Spannung des Geräts. Diese Spannung liegt in aller Regel geringfügig unterhalb der Menge, die dem Gerät zur Verfügung gestellt wird.

Die Polung spielt für die Ausgangsspannung ebenso eine Rolle. Je nachdem, ob der positive Input größer oder kleiner ist als der negative Input, kann der Output eines solchen Verstärkers auch positiv oder negativ sein. Ist der positive Input größer als sein negatives Pendant, erzeugt das Gerät eine positive Spannung als Output. Ist jedoch der negative Input größer, liefert das Gerät eine negative Spannung.

 

So werden sie verwendet

Operationsverstärker waren, wie bereits angedeutet, ursprünglich für Telekommunikationsanwendungen vorgesehen. Das Problem, das sie dabei beheben sollten, bestand darin, dass die über lange Entfernungen zu übertragenen Signale verstärkt werden mussten.

Das Schema hinter der Funktion eines Operationsverstärkers ist relativ simpel. Um dieses Problem mit Hilfe eines Verstärkers mit geeigneter Verstärkung zur Kompensation dieses Signalverlusts zu beheben, kam ein Techniker auf die Idee, einen Verstärker zu bauen, der eine deutlich höhere Verstärkung bietet als eigentlich benötigt wird. Doch anstatt die Leistung des Verstärkers selbst zu steigern, wird der Output eines solchen Geräts durch die Integration eines geschlossenen Regelkreises in der Regel verringert.

So kann ein Operationsverstärker tatsächlich eine deutlich höhere Verstärkung erzielen als letztlich benötigt wird; oftmals ist es jedoch vorteilhafter, die Verstärkung mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises zu verringern anstatt ein schwächeres Signal weiter und weiter zu verstärken.

Diese invertierenden Verstärker nehmen dabei das Eingangssignal auf, leiten es durch einen Widerstand und bringen es dann zu der negativen Anschlussklemme des Operationsverstärkers. Das Signal am Ausgang wird dann durch einen zweiten Widerstand geleitet und erneut zu dem negativen Eingang des Operationsverstärkers geschickt.

Mit diesen unterschiedlichen Anordnungen der Ein- und Ausgänge bekommt der Verstärker zudem seine funktionalen Fähigkeiten verliehen, beispielsweise in Form von Differentiatoren, Integratoren und anderen Designs, die die mathematischen Vorgänge ermöglichen, die das jeweilige Gerät auszuführen kann. Diese verschiedenen Anordnungen werden erstellt, indem Kondensatoren und Widerstände zu dem Schaltkreis hinzugefügt werden. Dabei kann die Umsetzung der mathematischen Vorgänge in einem analogen Gerät mit Hilfe von Feedback und ähnlichen Techniken stark vereinfacht werden.

 

Ideale Komponenten vs. Tatsächliche Operationsverstärker und Spezifikationen

Ideale Operationsverstärker werden oftmals für Berechnungen verwendet. In Wirklichkeit unterliegen Operationsverstärker jedoch bestimmten Einschränkungen Ideale Operationsverstärker verfügen über bestimmte Eigenschaften, die im „echten Leben“ nicht widergespiegelt werden können.

So bietet ein idealer Operationsverstärker in einer Konfiguration mit offenem Regelkreis beispielsweise eine unendlich hohe Verstärkung. In Wirklichkeit ist eine unendliche Verstärkung zwar nicht möglich, jedoch können durchaus hohe Verstärkungswerte erzielt werden. Die Einschränkungen der Verstärkung mit offenem Regelkreis werden von der Menge an Leistung vorgegeben, die das Gerät letztlich erhält. In den meisten Fällen liegt dies in etwa 1 V unterhalb der Leistung, die dem Gerät zur Verfügung gestellt wird.

Ein weiteres Merkmal eines idealen Operationsverstärkers liegt in der unendlich hohen Eingangsimpedanz. Das bedeutet, dass der Widerstand für den Strom der beiden Eingangsklemmen unendlich hoch ist, sodass letztendlich keinerlei Strom durch das Gerät hindurch fließen kann. In Wirklichkeit tritt jedoch bei jedem Operationsverstärker ein gewisses Maß an Leckstrom durch die Eingänge auf. Diese Leckströme sind in aller Regel jedoch sehr klein.

Ideale Operationsverstärker werden zudem mit keinerlei Widerstand bezüglich deren Ausgangsspannung beschrieben. Dieser Punkt kann in tatsächlichen Situationen jedoch nicht widergespiegelt werden, da immer ein gewisses Maß an Widerstand vorherrscht.

In Schaltungen mit Wechselstrom ist zudem oftmals von einer sogenannten Bandbreite die Rede: Bei einem Operationsverstärker gibt diese Größe an, mit welchen Frequenzen das Gerät letztlich arbeiten kann. Bei einem idealen Operationsverstärker ist die Bandbreite unendlich. In Wirklichkeit können diese Geräte jedoch bloß eine bestimmte Menge an Megahertz verarbeiten.

Der sogenannte Spannungsversatz beschreibt den Output des Geräts, wenn an beiden Eingängen eine gleich hohe Spannung anliegt. Bei einer idealen Komponente wäre dies gleich Null. Tatsächlich gibt ein Operationsverstärker jedoch immer ein gewisses Maß an Spannung weiter. Dies ist sogar dann der Fall, wenn beide Anschlussklemmen an die Erde angeschlossen sind.

Ein weiterer wichtiger Punkt bei diesen Geräten ist die typische Anstiegsgeschwindigkeit. Erreicht die Komponente ihre Anstiegsgeschwindigkeit, bleibt das Ausgangssignal bei einer festen Änderungsrate hängen. Änderungen des Eingangssignals würden in einem solchen Fall zu keinerlei Änderung des Ausgangssignals führen. Diese Größe wird in Spannung pro Zeit angegeben und reicht von weniger als 1 V pro Mikrosekunde bis hin zu 13.000 V pro Mikrosekunde.

 

Sonstige Punkte

Wie bei allen integrierten Schaltkreisen sind auch bei Operationsverstärkern gewisse grundlegende Punkte zu berücksichtigen. So können beispielsweise die Leistungsdaten eines Operationsverstärkers mit Temperaturschwankungen variieren. Speziell deshalb werden diese Geräte mit minimalen und maximalen Betriebstemperaturen angegeben um sicherzustellen, dass diese Betriebsparameter unter sämtlichen Bedingungen eingehalten werden.

Verstärker erzeugen zudem immer ein Störgeräusch. Dieses Störgeräusch ist nichts anderes als die Spannung, die durch das Gerät fließt, wenn kein Signal eingeführt wird; die Versatzspannung wird bereits oben definiert. Dies ist zwar womöglich nicht bei allen Schaltkreisen besonders wichtig, doch wenn ein Verstärker verwendet wird, um ein Signal in besonders hohem Maße zu verstärken oder wenn dieses Signal eine ausgesprochen hohe Bandbreite aufweist, kann dieses Störgeräusch mitunter zu einem erheblichen Faktor für den Betrieb des Schaltkreises werden.

Erhältlich sind diese Komponenten in Ausführungen zur Durchsteck- und Oberflächenmontage sowie mit unterschiedlichen Pin-Anzahlen, die von einfachen fünf bis hin zu mehr als 40 reichen können. Operationsverstärker können zudem mit 1 bis 4 verschiedenen Kanälen und unterschiedlichen Ausgängen bezogen werden, darunter CMOS, Strom, Differenzial, NPN, Rail-to-Rail und viele mehr.

Dank ihres niedrigen Preises werden diese Komponenten oftmals in hohen Stückzahlen angeboten.

Zulieferer für diese Komponenten führen oftmals viele verschiedene Optionen, darunter Breitband, Audio, bipolar, CMOS, Feedback, Crossover und viele weitere. Verstärker können darüber hinaus auch mit speziellen Eigenschaften ausgestattet werden und sind somit beispielsweise in Form von Geräten mit besonders geringem Störgeräusch, hoher Glaubwürdigkeit und ähnlichem erhältlich, um auch bei sehr widrigen Einsatzbedingungen eine äußerst zuverlässige Performance zu liefern.

 

Beschaffung

Diese Komponenten werden in aller Regel in hohen Stückzahlen bezogen, sodass die Ausstattung einer Werkstatt mit diesen Geräten nicht unbedingt besonders kostspielig ist. Mit der Möglichkeit, ein Signal derart hoch zu verstärken, sind diese Verstärker besonders wertvoll für industrielle Elektronikkomponenten, High-End Audio-Anwendungen und vieles mehr.

Darüber hinaus sind sie mitunter in sehr kleinen Abmessungen erhältlich, sodass sie sich auch für sehr kompakte Einheiten eignen. Ebenso sind hochgradig spezialisierte Varianten dieser Verstärker erhältlich, die deutlich mehr als ihre weniger komplexen Pendants kosten und somit in aller Regel in kleineren Stückzahlen angeboten werden. So werden diese Komponenten oftmals einzeln angeboten und sind in manchen Fällen zudem in andere integrierte Schaltkreise integriert.

Dabei sind sie nicht nur für sehr präzise Anwendungen erhältlich, sondern sind zudem sehr robust und nicht gerade empfindlich hinsichtlich Wärme. Im Verbund mit anderen Komponenten können sie zudem sehr robuste Varianten für ausgesprochen hohe Spannungen bilden, darunter Instrumentenverstärker und ähnliches.

Quelle: /web/c/passive-bauelemente/kondensatoren/