Operationsverstaerker

Idealer Operationsverstärker

Der Operationsverstaerker (Abkürzung OPV oder einfach OP, englisch OpAmp) hat seinen Namen aus der Zeit elektronischer Analogrechner. Der Name stammt von einem seiner ersten Einsatzgebiete, mit ihm wurden mathematische Berechnungen (so genannte »Operationen«) ausgeführt. Der Operationsverstaerker besteht aus einer Zusammenschaltung mehrerer Transistoren und verfügt meist über einen Differenzeingang. Er zeichnet sich durch eine sehr hohe Verstärkung aus. Durch eine sehr einfache externe Beschaltungen lassen sich OPs für sehr viele unterschiedliche  Anwendungen einsetzen. So können über einfache Gleich- und Wechselspannungsverstärker hinaus auch Integratoren, Differenziatoren, Summierer, PID-Glieder in Regelkreisen, Schwellwertschalter, Strom/Spannungswandler, Oszillatoren und vieles andere mehr realisieren. Das Symbol des OP ist ein Dreieck, das an der Spitze den Ausgangsanschluss hat und dessen Eingänge auf der breiten Seite angeordnet sind. Heutige OPs verfügen praktisch alle über Differenzeingänge, d.h. es gibt einen invertierenden und einen nicht invertierenden Eingang.

Der Operationsverstaerker verfügt über eine sehr hohe Verstärkung, größtenteils in der Größenordnung von über 105. Aus diesem Grund kann idealerweise von einer unendlich großen Verstärkung ausgegangen werden. Definiert ist diese Leerlaufverstärkung bei einem Differenzverstärker als Verhältnis von Ausgangsspannung zur Differenz der Eingangsspannungen, also:
                                  v = Ua / (U+) – (U) mit  v → ∞

Der Eingangswiderstand von Operationsverstaerker ist meistens sehr hochohmig (im Bereich von 104Ω bis zu mehr als 1012Ω bei FET-Eingangsstufen)
Somit lässt sich eine weitere Idealisierung einführen:
                      Re → ∞
So lassen sich die Grundschaltungen leichter verstehen.

Versorgungsspannung
Als Versorgungsspannung sind maximal ±18 V angegeben. Die meisten Schaltungen werden mit ±15 V betrieben, also auf der sicheren Seite. Die Versorgungsspannung sollte für die meisten Anwendungen symmetrisch sein. Falls negative Ausgangsspannungen erreicht werden müssen, ist dies auch zwingend erforderlich. Bei einigen seltenen Fällen, besonders interessant bei Batteriebetrieb, kommt man auch mit einer asymmetrischen Spannungsversorgung aus. Für die meisten Anwendungen verwendet man am besten Festspannungsregler (LM) 7815/7915. Sie sind stark genug für fast alle größeren OPV – Anwendungen.

Operationsverstaerker
Ein Operationsverstaerker wird mit einer bipolaren Spannungsquelle versorgt. Der Mittelpol bildet dabei den Massebezugspunkt. Gegenüber diesem Massebezugspunkt kann der Ausgang der OpAmps positiv oder negativ werden resp. können wir an den Eingängen eine positive oder negative Spannung anlegen. Eine bipolare Spannungsquelle kann beispielsweise aus zwei hintereinandergeschalteten Batterien aufgebaut werden. Das Symbol ⊥ kennzeichnet den gemeinsamen Massebezugspunkt.

bipolare Spannungsquelle
operationsverstaerker
Schaltzeichen klassisch
OpAmp
Schaltzeichen mit Spannungsversorgung
Schaltzeichen neu

Impedanzwandler

Impedanzwandler gehören auch zu den OpAmp-Grundschaltungen Sie werden immer dort eingesetzt, wo die Impedanz einer Quelle an die Impedanz eines
Verbrauchers angepasst werden muss. Darf eine Signalquelle möglichst nicht belastet werden, so
kommt ein Impedanzwandler mit hohem Eingangswiderstand und tiefem Ausgangswiderstand zum Einsatz. So sind z.B. ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor oder ein piezoelektrisches Mikrofon typisch hochohmige Signalquellen, die möglichst nicht belastet werden sollten. Bei langen Datenübertragungsleitungen muss eine hochohmige Signalquelle mit einem Impedanzwandler niederohmiger gemacht werden, da diese dann weniger störanfällig gegenüber äusseren elektromagnetischen Feldern wird.

operationsverstaerker
Schema Impedanzwandler auch Spannungsfolger

Das Zeichen bedeutet ungefähr. In diesem Kurs wird dieses Zeichen noch öfters verwendet. Es weist
meistens darauf hin, dass die Werte sehr nahe an die theoretische Grenze herankommen, diese aber in der Praxis nicht erreichen

Nicht invertierender Verstärker

Bei einem nichtinvertierenden Verstärker folgt das Ausgangssignal Ua dem Eingangssignal. Steigt Ue, so steigt auch Ua, sinkt Ue so sinkt auch Ua. Im Unterschied zum Impedanzwandler findet aber zusätzlich eine Spannungsverstärkung statt. Typisch für den nichtinvertierenden Verstärker ist der hohe Eingangswiderstand. Der nichtinvertierende Verstärker kann also immer dort eingesetzt werden, wo die
Quelle möglichst nicht belastet werden darf.

Nichtinvertierender Verstärker

Funktionsweise des nichtinvertierenden Verstärkers

Im Unterschied zum Impedanzwandler fällt auf, dass die Gegenkopplung, nicht direkt am Ausgang des OpAmp angeschlossen wird, sondern über den Spannungsteiler, gebildet aus R1 und R2, am invertierenden Eingang hängt. Ein stationärer Zustand tritt, wie beim Impedanzwandler, erst ein, wenn die Differenzspannung zwischen invertierendem Eingang und nichtinvertierendem Eingang 0V wird. Damit dies erreicht wird, muss Ua grösser als Ue werden, da Ua über den Spannungsteiler heruntergeteilt wird. Damit wird eine Spannungsverstärkung erreicht, die abhängig ist von R1 und R2.

– Besitzt nur einen Eingang
– Die Eingangsspannung liegt am nichtinvertierenden               Eingang
– Der Ausgang ist über einen Spannungsteiler am invertierenden Eingang angeschlossen

Beim nichtinvertierenden Verstärker mit einem Spannungsteiler aus ohmschen Widerständen folgt die
Ausgangsspannung proportional der Eingangsspannung. Man spricht daher von einer spannungsgesteuerten Spannungsquelle.
Wegen des hohen Eingangswiderstandes dieser Schaltung wird sie auch als Elektrometerverstärker bezeichnet.

Der invertierende Verstärker

Beim invertierenden Verstärker ist das Ausgangssignal gegenüber dem Eingangssignal um 180° phasenverschoben. Steigt die Eingangsspannung Ue an, sinkt die Ausgangsspannung Ua. Sinkt die Eingangsspannung Ue, steigt die Ausgangsspannung Ua an. Beim invertierenden Verstärker hängt der
Eingangswiderstand von der äusseren Beschaltung ab und ist daher nicht so hochohmig wie beim nichtinvertierenden Verstärker. 

Das Gegenkopplungsprinzip – wird auch beim invertierenden Verstärker angewendet. Der nichtinvertierende Eingang liegt auf dem Massebezugspunkt. Der OpAmp wird daher die Ausgangsspannung so regeln, dass die Spannung im Knotenpunkt von R1 und R2 sehr nahe an das Potential des Massebezugspunktes herankommt resp. Udiff möglichst klein wird. Da der Knotenpunkt von R1 und R2 praktisch auf dem Potential des Massebezugspunktes liegt, wird der Eingangswiderstand durch R1 bestimmt. Udiff nimmt im stationären Zustand, d.h. wenn Udiff so klein geworden ist, dass der OpAmp keine Differenz mehr feststellen kann, einen Wert in der Grössenordnung von <1mV an. In den meisten Schaltungen kann diese Differenz dann als 0V angenommen werden, was den Rechenaufwand vereinfacht.

operationsverstaerker
invertierender Verstärker

– Besitzt nur einen Eingang
– Der nichtinvertierende Eingang liegt am gemeinsamen Massebezugspunkt
– Die Eingangsspannung liegt – meistens- über einen Widerstand am invertierenden Eingang

Der Differenzverstärker

Der Differenzverstärker verstärkt die Differenzspannung der an den beiden Eingängen Ue1 und Ue2
anliegenden Spannungen. Im Unterschied zum Impedanzwandler, nichtinvertierendem- und invertierendem Verstärker, die alle je nur einen Eingang besitzen, besitzt der Differenzverstärker zwei Eingänge.
Auf den ersten Blick sind der Gegenkopplungspfad
mit R2 und der Spannungsteiler, gebildet aus R3 und R4, erkennbar.

Operationsverstaerker
Differenzverstärker

Funktionsweise des Differenzverstärkers

Die Eingangsspannung an Ue2 wird über den Spannungsteiler, gebildet aus R3 und R4, dem nichtinvertierenden Eingang zugeführt. Wenn Ue2 = 0V ist, so verhält sich die Schaltung mit dem Eingang Ue1
genau gleich, wie ein invertierender Verstärker. Wird die Spannung an Ue2 ein wenig angehoben oder
abgesenkt, so wird der OpAmp Ua solange nachregeln, bis Udiff wieder 0V wird. Wie viel nachgeregelt
werden muss, hängt sowohl von den Spannungsteiler-Widerständen R3 und R4 als auch von R1 und R2
ab. Das bedeutet, Ua ist abhängig von Ue1, Ue2, R1, R2, R3 und R4. Formell wird dies geschrieben als
Ua = f(Ue1,Ue2,R1,R2,R3,R4). Gelesen wird das als „Ua ist eine Funktion in Abhängigkeit der Parameter…“.
In den Schaltbildern wird für die Differenzspannung an den Eingängen des OpAmp oft das Symbol ≈
verwendet. Das Zeichen ≈ bedeutet ungefähr. Es soll darauf hinweisen, dass die Differenzspannung
nicht exakt 0V ist, sondern um einen kleinen Betrag von 0V abweicht. Wäre die Differenzspannung
nämlich effektiv 0V, so wäre ja auch die Ausgangsspannung 0V. Je grösser aber die Leerlaufverstärkung Gopenloop eines OpAmp ist, desto näher kommen wir an den theoretischen Wert von 0V heran, da ja
kleinste Differenzen so stark verstärkt werden, dass sich der Regelkreis sofort wieder einpendelt

Der Komparator

Ein Komparator ist eine kleine integrierte Schaltung mit dem zwei Werte schnell und einfach verglichen werden können. Je nach den Eigenschaften der betreffenden Lösung ist der Messwert eine Spannung oder ein Binärzahlenpaar – im ersten Fall werden analoge Komparatoren, im zweiten Fall digitale Komparatoren verwendet. Wichtig ist, dass durch die Verwendung eines Komparators keine zwei getrennten Messungen vorgenommen werden müssen. Der Ausgang hängt von der Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen oder dem Verhältnis zwischen den Zahlen ab.

Der Spannungskomparator
funktioniert auf sehr einfache Weise. Seine Funktionsweise lässt sich auf ein einziges Prinzip reduzieren: Die Spannung am Ausgang des Schaltkreises ist abhängig von der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen. In Bezug auf das Ergebnis sind die Zustände “low” und “high” zu erwähnen, die am Ausgang erscheinen, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind.

Man spricht von einem High-Zustand am Ausgang der Schaltung, wenn die Spannung nahe der Versorgungsspannung liegt. Dies ist der Fall, wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang, die relativ zur Systemmasse gemessen wird, größer ist als der Wert am invertierenden Eingang. Der Low-Zustand hingegen tritt ein, wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang geringer ist als die am invertierenden Eingang.


Wo werden Komparatoren verwendet?

Spannungskomparatoren sind vielseitige Geräte, die vor allem in Systemen eingesetzt werden, in denen ein analoges Signal in ein binäres Signal umgewandelt werden muss. Sie werden unter anderem in Kontrollsystemen, bei der Schwellenwerterkennung, in der Signalverarbeitung, an Eingangs-/Ausgangsschnittstellen sowie in Alarm- und Messsystemen eingesetzt. Digitale Komparatoren hingegen ermöglichen den schnellen Vergleich zweier Zahlen mit wenigen, einfachen und kleinen Bauteilen, wodurch unter anderem Platz und Ressourcen in kleinen elektronischen Schaltungen eingespart werden können.

Beispiele für Komparatoranwendungen sind reflektierende Sensoren für mobile Roboter. Eine andere, etwas häufigere Anwendung sind Thermostate. Mit Spannungskomparatoren ist es auch einfach, andere Arten von Reglern für physikalische Größen zu bauen – in diesem Fall benötigen Sie einen zusätzlichen Sensor, der einen anderen Wert (z. B. Lärm, Licht oder Flüssigkeitspegel) in eine Spannung umwandelt.
Zu beachten
Nicht jeder Operationverstärker eignet sich zum Komparator!!! Datenblatt lesen.

Komparator
Beispiel Komparator