Definition:

Ein Operationsverstärker (OPV) ist ein elektronischer Differenzverstärker mit sehr hoher Verstärkung, der die Spannungsdifferenz zwischen zwei Eingängen verstärkt und dadurch vielfältige analoge Signalverarbeitungs‑Operationen ermöglicht.

Was ist ein Operationsverstärker?

• Ein OPV ist ein gleichspannungsgekoppelter, mehrstufiger Differenzverstärker mit extrem hoher Leerlaufverstärkung (typisch 10^5–10^6).Er besitzt:
  • Nichtinvertierenden Eingang (+)
  • Invertierenden Eingang (−)
  • Ausgang
• Die Eingänge sind hochohmig, der Ausgang niederohmig.
• Der OPV wird meist mit symmetrischer Versorgung betrieben (z. B. ±12 V oder ±15 V).Die grundlegende Beziehung lautet:
  AOL = open-loop gain
  Vout = AOL*(V+ − V−)
  • AOL: Leerlaufverstärkung (sehr groß)
  • V+: Spannung am nichtinvertierenden Eingang
  • V−: Spannung am invertierenden Eingang

  Da AOL extrem groß ist, sorgt eine Rückkopplung dafür, dass der OPV die Differenz V+ − V− nahezu auf 0 V zwingt. Das ist die Grundlage der „goldenen Regeln“:

  Kurzfassung Gegenkopplung:
  Gegenkopplung beim Operationsverstärker bedeutet, dass ein Teil der Ausgangsspannung über ein Netzwerk (meist Widerstände) auf den invertierenden Eingang zurückgeführt wird. Dadurch wird die extrem hohe Leerlaufverstärkung des OPVs kontrolliert, stabilisiert und auf einen definierten, berechenbaren Verstärkungsfaktor reduziert.
  
  Was Gegenkopplung bewirkt:

  • Stabilisierung: Der OPV regelt seinen Ausgang so, dass die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen nahezu 0 V wird.
  • Lineares Verhalten: Der Verstärker arbeitet nicht mehr im Sättigungsbereich, sondern im linearen Bereich.
  • Definierte Verstärkung: Die Verstärkung hängt nur noch von den äußeren Widerständen ab, nicht mehr von der internen (sehr großen) Verstärkung des OPVs.
  • Reduzierung von Verzerrungen und Rauschen.
    
    Negative Gegenkopplung (Standardfall)
    Die negative Gegenkopplung führt den Ausgang auf den invertierenden Eingang (–) zurück. Der OPV versucht dann, die Differenz V+ − V− auf 0 zu bringen.

    Beispiele:

    • Invertierender Verstärker: Vout = −R2 R1⋅Vin

    • Nichtinvertierender Verstärker: Vout = (1+R2 R1)⋅Vin

    Diese Formeln entstehen ausschließlich durch die Gegenkopplung und nicht durch die interne OPV-Verstärkung.

    Positive Gegenkopplung (Sonderfall)

    Positive Gegenkopplung führt den Ausgang auf den nichtinvertierenden Eingang (+) zurück.
    Sie wird genutzt für:

    • Komparatoren

    • Schmitt-Trigger

    • Oszillatoren

      Hier arbeitet der OPV nicht linear, sondern schaltet zwischen den Versorgungsspannungen.

      Bei klassischen Operationsverstärkern ist zu beachten, dass manche ein Verhalten
      namens phase reversal (Phasenumkehr) zeigen, wenn die Eingangsspannung den zulässigen Bereich überschreitet. Bei der Phasenumkehr dreht sich die Phase in der Eingangsstufe des OPVs um 180° und Rückkopplung wird zur Mitkopplung.