BitBasics – Der Operationsverstärker

BitBasics - Der Operationsverstärker

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2016-06-12 10:00 🛈

Operationsverstärker, kurz OpAmps oder OPVs, sind Grundschaltungen, welche in vielen Schaltungen und ICs als Bauteile vorkommen. Werfen wir einen Blick auf die Funktionsweise und Anwendungsmöglichkeiten dieser Geräte.

OpAmps werden in Schaltbildern meist als nach rechts zeigendes Dreieck gezeichnet, welche auf der linken Seite zwei Eingänge (einen positiven und einen negativen) besitzen. An der Spitze des Dreiecks befindet sich der Ausgang. Teilweise wird auch die Stromversorgung des ICs selbst eingezeichnet, dies geschieht üblicherweise oben und unten je in der Mitte.

Als Beispiel nutze ich den verbreiteten LM358, ein IC welcher gleich zwei OpAmps in einem Gehäuse unterbringt. Später werden wir mit dem TL081 eine andere Ausführung sehen, welche in einigen Bereichen eine bessere Leistung liefern kann.

Der Comparator

Der Comparator, auch Komparator oder Vergleicher, ist eine Anwendung, bei der zwei Eingangsspannungen gegeneinander geprüft und der Ausgang eine digitale Auswertung hiervon bereitstellt. Ist die Spannung am positiven Eingang größere als jene am negativen Eingang, so wird der Ausgang auf VCC geschaltet. Ist die Spannung kleiner findet sich GND am Ausgang.

Auch wenn die Schaltung mit OpAmps generell möglich ist: Es gibt spezielle ICs für diesen Anwendungsfall, welche bessere Eigenschaften aufweisen.

Der Voltage Follower

Der Voltage Follower, auch Buffer Amplifier oder auf Deutsch Spannungsfolger, ist immer dann interessant, wenn eine Impedanzwandlung erfolgen muss. Grob gesagt: Man hat eine Spannungsquelle, welche jedoch zur Wahrung der Spannung selbst nicht belastet werden darf. Über diese Schaltung erhalten wird die am Eingang angelegte Spannung 1:1 am Ausgang wieder ausgegeben. Hierbei hat der Eingang eine sehr hohe Impedanz, es fließt von der Spannungsquelle also nur sehr wenig Strom. Der Ausgang selbst kann hingegen, im Rahmen der Möglichkeiten des OpAmps, belastet werden – die Schaltung kümmert sich darum bei Belastung passend nachzuregeln.

Logisch gesehen beginnt der OpAmp immer wenn ein Feedback, also eine Verbindung zwischen dem Ausgang und einem Eingang, vorhanden ist zu rechnen: Die Ausgangsspannung wird so lange angepasst bis der positive und negative Eingang die gleiche Spannung zeigen. Da hier der positive Eingang unsere Referenzspannung ist und der negative Eingang direkt mit dem Ausgang verbunden ist muss der Ausgang also der positiven Eingangsspannung entsprechen um beide auszugleichen.

Bild: https://www.adlerweb.info/blog/wp-content/uploads/2016/06/opamplist04-300×169.png OpAmp mit Feedback: Der Positive und Negative Eingang müssen sich ausgleichen

Der Non-Inverting Amplifier

Den zuvor beschriebenen Umstand, dass der OpAmp versucht beide Eingänge auszugleichen, können wir uns über die Kombination mit anderen Schaltungen zu Nutze machen: Wenn wir den Ausgang nicht direkt sondern über einen Spannungsteiler an den negativen Eingang führen entsteht der Non-Inverting Amplifier, auch nichtinvertrierender Verstärker genannt. In diesem Beispiel Nutzen wir einen Spannungsteiler mit je 10k? für Rg und Rf. Die Ausgangsspannung erscheint entsprechend nur zur Hälfte  (1 / (Rg+Rg) * Rf ) = 1 / (10+10) * 10 = 1 / 20 * 10 = 0.5) am negativen Eingang. Um beide Eingänge auszugleichen muss der Ausgang daher doppelt so hoch sein wie der Eingang. Legen wir 1V am positiven Eingang an, so erhalten wir 2V am Ausgang. Bei 2V Eingang wären es 4V Ausgang und so weiter. Das Verhältnis, wie stark die Verstärkung ausfällt, kann über die Auswahl der Widerstände des Spannungsteilers beeinflusst werden. Die direkte Berechnung kann über obige Formel erfolgen, man muss nur 1 / 0.5 (von Oben) rechnen um die 2x-Verstärkung zu erhalten.

Der Inverting Amplifier

Bild: https://www.adlerweb.info/blog/wp-content/uploads/2016/06/invamp-300×195.png

Wo ein nichtinvertierter Verstärker ist kann der Invertierte nicht weit sein – hier legen wir den positiven Eingang auf GND und den Eingang über einen Spannungsteiler auf den negativen Eingang. Dies macht vor allem dann Sinn, wenn man den OpAmp nicht, wie hier gezeigt, mit VCC und GND (“single Supply”) versorgt sondern statt GND eine negative Versorgungsspannung anlegt. In diesem Fall sieht der OpAmp, dass der negative Eingang höher ist als der Positive – um das auszugleichen muss er also am Ausgang eine negative Spannung ausgeben. Bedingt durch den Spannungsteiler kommt auch hier eine Verstärkung zustande – in diesem Fall würde bei 5V Eingang  am Ausgang eine Spannung von -10V notwendig werden.

Zu beachten ist, dass der Spannungsteiler hier nicht gegen GND referenziert ist, die Berechnung der Verstärkungs benötigt daher eine angepasste Formel: Rf/Ri = 20/10 = 2x.

Bild: https://www.adlerweb.info/blog/wp-content/uploads/2016/06/opampratios-300×169.png Verstärkungsberechnung für OpAmps

Weitere Anwendungen

Natürlich sind die gezeigten Schaltungen nur die Spitze des Eisberges. Durch andere Beschaltungen oder Kombination der gezeigten Modi lassen sich OpAmps für viele andere Zwecke nutzen. Einige davon lassen sich z.B. in der Wikipedia finden.

Nobodys Perfect

Operationsverstärker sind nicht perfekt. Während ein Idealer OpAmp am Eingang eine unendliche, am Ausgang eine nicht vorhandene Impedanz zeigt und auch sonst alles ohne Einschränkungen funktioniert haben die real existierenden ICs in der Praxis natürlich einige Einschränkungen.

Eine haben wir beim Voltage Follower bereits gesehen: Am Eingang fließt eben doch Strom – nur wenige Nanoampere, aber er ist da.

Auch der Strom am Ausgang ist limitiert, der LM358 kann z.B. je nach Beschaltung ca. 10-30mA verkraften. Deutlich mehr als der Eingang, jedoch muss man für stromhungrige Abnehmer einen zusätzlichen Transistorverstärker einplanen.

Ebenfalls schon gehört haben wie die “Single Supply”-Funktion. Während klassische OpAmps zwingend eine Positive und Negative Spannungsversorgung benötigen können Geräte mit dieser Funktion auch mit GND und VCC betrieben werden.

Auch sonst muss man etwas aufpassen: Reguläre OpAmps können den Ausgang meist nicht komplett bis auf GND und VCC, bzw. VCC- und VCC+, aussteuern. Der LM358 kommt so z.B. zwar bis auf GND runter, der Ausgang kann jedoch nur VCC-1.5V erreichen. Wer bessere Werte benötigt sollte nach dem Feature “Rail-to-Rail” bei der Auswahl seines OpAmp ausschau halten.

Zuletzt sei noch die Geschwindigkeit erwähnt. OpAmps können die Ausgangsspannung nicht sofort ändern, sondern geben eine maximale Spannungsänderung pro Zeit an. Diese so genante “Slew Rate” oder Flankensteilheit  kann also dazu führen, dass der Ausgang des OpAmp deutlich langsamer Reagiert als der Eingang. Im Beispiel hier sehen wir in Blau den recht langsamen LM358, welcher – trotz schnellem Eingangssignal – etwa 4µS benötigt um von 0V auf 3V umzuschalten. Der deutlich schnellere TL081 in gelb schafft dies hingegen in 800ns, also einem Bruchteil der Zeit.

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