Wenn man in den Katalogen der einschlägigen Elektronik-Versandhäuser blättert, so findet man im Halbleiterteil meist bis zu 100 verschiedene Operationsverstärker-Typen. Recherchen im Internet bei den bekannten Herstellern wie Analog Devices, Linear Technologies, Texas Instruments, Intersil, Maxim etc. führen schnell auf über 1000 Typen. Die nachfolgende Abbildung zeigt eine kleine Auswahl. Warum diese große Vielfalt?
1) 6-poliger TAA761 mit Open-Kollektor-Ausgang (!) und original Siemens-Halske-Stempelung (!!)
2) UA741HC - Das Metallgehäuse findet heute nur noch in Spezialapplikationen Verwendung.
3) Standard-LM324 ein im Hobby-Bereich weit verbreiteter Typ
4) LM6261 ein moderner HF-OP der weiter unten noch genauer beschrieben wird
5) L165 - ein klassischer Leistungs-OP mit Kühlkörper (+/- 18 V, 3 A, 20 W_max)
6) Legendärer Burr-Brown-OP (heute TI) mit Kühlkörper - 1,7 GHz Verstärkungs-Bandbreite - andere Typen dieser Baureihe können bis zu 300 V verarbeiten!
Ein Blick auf einen „OP-Stammbaum" zeigt eine grobe Einteilung in die verschiednen Anforderungen die an einen OP gestellt werden. Da diese z. T. einander ausschließen (z. B. verträgt sich hohe Bandbreite schlecht mit extremer Präzision oder niedriger Leistungsaufnahme) müssen die verschiedenen OPs für unterschiedliche Aufgabenbereiche optimiert werden. Die folgende Graphik soll einen ersten Überblick verschaffen.
In der Hobby-Praxis kommen neben den Standard-Typen meist noch FET-OPs mit hohen Eingangswiderständen und schnellere Typen mit hohen Bandbreiten zum Einsatz. Leistungs-OPs sind dagegen eher weniger verbreitet, da hier oft eine Ersatzlösung mit diskreten Transistoren verwendet wird. Da dies nicht immer optimal ist, sollen hier auch einmal OPs mit höheren Ausgangsleistungen angesprochen werden. Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich der wichtigsten Daten eines Standard-OP (741) mit einem breitbandigen LM6261, dem FET OP TL081 und dem Leistungs-OP L165.
Schnelle OPs
Eine der Hauptbeschränkungen die bei OPs ins Auge fallen ist ihre begrenzte Bandbreite. Universal-Typen erreichen hier meist nur ein Verstärkungs-Bandbreitenprodukt von etwa 1 MHz, bzw. eine Anstiegsgeschwindigkeit von 0,2 V/µs. Das ist für einfache Audioanwendungen gerade so ausreichend. Bei den hohen Audiofrequenzen wird es aber schon problematisch. So ist bei durchaus noch hörbaren Frequenzen im Bereich von 10 kHz bereits mit Verzerrungen zu rechnen.
Die folgenden beiden Oszillogramme zeigen ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von 10 kHz. Das obere Oszillogramm zeigt das Ausgangssignal des 741, das untere das des 6261.
10 kHz Rechtecksignal mit LM741
10 kHz Rechtecksignal mit 6261
Sofort fällt die deutlich geringere Flankensteilheit des 741 ins Auge: das Rechtecksignal ist hier bereits zu einem deutlichen Trapez verschliffen. Beim 6261-Signal dagegen sind die Flanken so steil, dass sie vom Elektronenstrahl nicht mehr dargestellt werden. Jedoch tritt hier ein anderes Phänomen auf, der OP schwingt während der Ausgang in der oberen Sättigungsspannug liegt. Das ist daran erkennbar, dass die oberen Linien einen „Heiligenschein" haben. Dies ist ein typisches Problem beim Einsatz schneller Elektronikkomponenten. Aufgrund von in der Praxis immer vorhandenen parasitären Kapazitäten und Induktivitäten entstehen Schwingkreise hoher Resonanzfrequenz. Hier sind insbesondere lange Zuführungen in der Spannungsversorgung und die Kapazitäten des verwendeten Breadboards ungünstig. Durch schnelle aktive Komponenten werden hochfrequente Oszillationen angeregt. Beim eher „gemütlichen" 741 gibt es hier eben durch die geringe Bandbreite keine Probleme. Die Lösung ist in diesem Falle aber einfach. Jeweils ein 100 nF Kondensator zwischen positiver und negativer Spannungsversorgung und Masse und die Oszillation ist verschwunden:
Der einzige Unterschied zu einem absolut „sauberen" 10-kHz-Refcheck sind die Überschwinger nach den Flanken. Auch diese sind typische Erscheinungen bei breitbandigen Komponenten. Ihre Kompensation ist jedoch etwas aufwändiger und muss speziell an die jeweilige Anwendung angepasst werden.
Im folgenden Bild ist der Frequenzgang eines 741-OPs im Vergleich mit dem schnellen LM6261-Typen schematisch dargestellt. Man erkennt, dass der 741 bei 1 MHz bereits keine Verstärkung mehr liefert, wohingegen der 6261 bei der selben Frequenz noch bis zu 50-fach verstärken kann. Seine Verstärkung geht erst bei ca. 50 MHz auf 1 zurück, d. h. das Verstärkungs-Bandbreitenprodukt beträgt hier stolze 50 MHz!
Praxistip: SMD-Komponenten auf Breadboards
Der 6261 wurde hier übrigens in der SMD-Version eingesetzt. Um ihn in einem Breadboard verwenden zu können, wurde er auf eine Trägerplatine gelötet. Die folgenden Bilder zeigen wie man SMDs mit bis zu 8 Pins auf normale 1/10-Zoll-Lochrasterpaltinen setzen kann.
1) Ausschneiden eines 4 x 4 Lochrasterstücks
2) Vier Lötaugen müssen nun abgeschliffen werden, so dass nur ca. die Hälfte der Pads übrig bleibt (s. Abb.)
3) Nun werden die vier äußeren Pins des ICs etwas nach außen gebogen, so dass sie die 4 Eck-Lötpads der Lochrasterplatine erreichen.
4) Nun das IC mit einer Lötnadel oder einer feinen Lötspitze platzieren. Durch die abgeschliffenen Lötpads für die Pins 2, 3 und 6, 7 werden Kurzschlüsse mit anderen Pins vermieden.
5) Abschließend werden die Pins (idealerweise mit versilbertem Kupferdraht) nach unten verlängert.
6) Nun steht dem Einsatz des SMD-Bauteils in einem Breadbord nichts mehr im Wege.
ACHTUNG: Diese Lötübung ist nichts für absolute Anfänger. Man sollte schon einige Erfahrung im Umgang mit dem „Heißen Eisen" mitbringen, wenn am Ende der Erfolg und nicht der Frust stehen soll.
Natürlich muss man bedenken, dass der Aufbau auf einem Breadboard die guten Eigenschaften eines 6261 bei hohen Frequenzen z. T. wieder zunichte macht. Mit durchdachter Leitungsführung und einem sauberen „Layout" kann man auf einem Breadboard aber durchaus Frequenzen bis zu 200 MHz verarbeiten.
Interessante Hobby-Anwendungen für breitbandige OPs liegen z. B. in den Bereichen
1) Ultraschallsender und -empfänger.
2) High End-Audio-Anwendungen
3) Messtechnik
4) Frequenz-Filter
5) Innovative Radioempfänger
So sollte sich z. B. mit einem 6261 ein Lokaloszillator für einen ausschließlich auf OPs basierenden Mittelwellensuperhet realisieren lassen.
Literatur: Lernpaket Elektronik mit ICs
