OPV - Grundlagen - Der Operationsverstärker

Auch wenn der Analogrechner in weiten Bereichen den digitalen Computern weichen musste, so hat der OP dennoch überlebt. Die Nachfrage nach OPs steigt sogar weiterhin stark an.

Die neueste Generation von OPs deckt ein Frequenzspektrum von 5 kHz bis über 1 GHz Bandbreite ab. Die Versorgungsspannungen moderner OPs reichen von 0,9 V bis über 1000 V. Die Spezifikationen für Offsetspannungen und Eingangsströme sind so extrem gut geworden, dass manche Elektronikfirmen Probleme haben, diese in ihren Eingangskontrollen nachzumessen.

Der OP ist also zu einem wirklich universellen Bauelement der Elektronik geworden, da mit ihm so gut wie alle Probleme der Analogelektronik gelöst werden können. Der Einsatz als Komparatoren, Verstärker Oszillatoren, Filter, Signalumformer etc. etc. macht den OP unverzichtbar in nahezu allen Bereichen der Elektronik.

Da die Natur nun einmal analog und nicht digital aufgebaut ist, braucht man für die Schnittstellen zur realen Welt immer auch Analogtechnik.Deshalb enthalten so gut wie alle Geräte die analoge Sensorsignale verarbeiten müssen OPs. Hiezu zählen natürlich alle elektronischen Messgeräte, angefangen vom einfachen elektronischen Thermometer, bis hin zu den komplexen Sensor- und Aktuatorsystemen wie sie heutzutage in jedem Kraftfahrzeug in großer Anzahl zu finden sind. Einige von diesen Anwendungen werden wir noch näher kennen lernen.

Einsatz im Hobby-Bereich

Im Hobby-Bereich ist der OP ein geradezu ideales Bauelement. Er ist einfach einzusetzen, es gibt eine Unzahl von Anwendungen und er ist obendrein preisgünstig. So kostet ein einfacher Universal-OP kaum mehr als ein Einzeltransistor. Berechnungen von OP-Schaltungen sind im Vergleich zu Transistorentwürfen deutlich einfacher. Auch die Entwicklung von Spezial-OPs wie beispielsweise LM386 vereinfacht das Leben des Hobby-Elektronikers beträchtlich. Praktisch ohne zusätzliche Bauelemente können so beispielsweise sehr hochwertige Audio-Verstärker mit vernünftiger Ausgangsleistung aufgebaut werden. Vergleichbare Schaltungen in Einzeltransistortechnik wären schon ein ausgereiftes Projekt für sich.

Vom einfachen LED-Blinker bis zum kompletten Radioempfänger können viele interessante und lehrreiche Projekte durchgeführt werden, ohne dass Freizeitbudget oder Geldbeutel zu stark strapaziert würden.
Im Laufe dieser kleinen Serie zum Thema OP sollen daher viele interessante Schaltungen, vom einfachen Rechteckgenerator bis hin zum kompletten OP-Radio vorgestellt werden.

Ein wenig Theorie - Grundlagen der OP-Technik

Um unsere Schaltungen verstehen zu können benötigen wir natürlich auch einige grundlegende Kenntnisse über unseren OP. Diese sollen im Folgenden in aller Kürze dargestellt werden. Ein idealer OP hat folgende Eigenschaften:

1) Spannungsdifferenzen an den Eingängen sollen verstärkt werden
2) Der Verstärkungsfaktor soll sehr groß sein („gegen unendlich gehen")
3) In die Eingänge soll kein Strom fließen, d. h. sie sollen eine möglichst hohe Impedanz aufweisen.

Da Spannungsdifferenzen verstärkt werden sollen muss ein OP zwei Eingänge besitzen:

1) Den nicht-invertierenden Eingang,
2) Den invertierender Eingang

Zusammen mit dem Ausgang und der notwendigen Spannungsversorgung ergibt sich das bekannte Schaltsymbol.

Schaltsymbole des Operationsverstärkers. Links Klassisches Symbol - rechts Symbol nach aktueller DIN-Norm.

Insbesondere im Hobby-Bereich wird noch praktisch ausschließlich das alte Symbol benutzt. Im industriellen Bereich setzt sich das neue Symbol aber langsam durch.

Der ideale OP stellt gewissermaßen einen idealen Differenzverstärker mit unendlich hoher Leerlauf-Verstärkung V0 dar. Basierend auf diesen Eigenschaften ist es möglich, den OP so in verschiedensten Anwendungsschaltungen zu verwenden, dass die Schaltungseigenschaften nur durch die externe Beschaltung mit passiven Bauelementen bestimmt werden.

Auf den internen Aufbau des OP soll hier nur in aller Kürze eingegangen werden. Für das Verständnis von OP-Schaltungen ist die detaillierte Kenntnis des Innenlebens eines OPs, von einigen wenigen Spezialfällen abgesehen, nicht erforderlich. Bei entsprechendem Interesse sei auf umfangreiche Literatur sowie auf entsprechende Artikel und Datenblätter im Internet verwiesen.

Da man einen invertierenden und einen nicht-invertierenden Eingang benötigt, besteht ein OP aus einer differentiell aufgebauten Eingansstufe. Um die geforderten hohe Verstärkung zu erreichen folgen meist mehrere kaskadierte Verstärkerstufen. Abschließend sorgt ein Gegentaktverstärker für die nötige Ausgangsleistung. Erstaunlich ist die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten die mit diesem einfachen Aufbauprinzip erschlossen werden.

Prinzipieller interner Aufbau des OPs

Bipolare Spannungsversorgung

Eine Besonderheit im Vergleich zur klassischen Transistortechnik ist, dass OP-Schaltungen sehr häufig mit einer bipolaren Spannung versorgt werden. Dieses Vorgehen hat seine Wurzeln ebenfalls in der klassischen Analogrechner-Technologie. Dort sollten sowohl positive wie auch negative Zahlenwerte verarbeitet werden können.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese etwas aufwändigere Art der Spannungsversorgung in sehr vielen Anwendungsbereichen ebenfalls von Vorteil ist. So sind typische Audio-Signale beispielsweise bipolar, d. h. sie weisen positive und negative Halbwellen auf. Mit bipolar versorgten OPs können diese Signale wesentlich einfacher verstärkt und verarbeitet werden, als dies mit einer unipolaren Spannungsversorgung möglich wäre. Eine Kopplung mit großen Elektrolytkondensatoren, wie sie bei Transistorschaltungen oft erforderlich ist, kann hier entfallen.

Die „Goldenen Regeln"

Aus den drei Grundeigenschaften des idealen OPs können die beiden „Goldenen Regeln" für Schaltungsberechnungen abgeleitet werden

1) Die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen ist Null
2) Die Eingangsströme sind Null

Die zweite goldene Regel ergibt sich direkt aus der Forderung einer praktisch unendlich hohen Eingangsimpedanz. Die erste Regel ist eine Folge der hohen Spannungsverstärkung eines OPs. Daraus ergibt sich, dass bereits minimale Eingangsspannungsdifferenzen zu sehr hohen Ausgangsspannungen führen. In der Praxis ist die Ausgangsspannung natürlich durch die Betriebsspannung begrenzt. Regel 1 gilt daher auch nur solange der OP nicht in der Sättigung ist, d. h. solange die Ausgangsspannung weder die obere noch die untere Betriebsspannung erreicht. Trotz dieser Einschränkung zeigt es sich, dass die Berechnung von OP-Schaltungen sehr einfach ist. Aufgrund der klar festgelegten Eigenschaften des OPs entfallen die bei Transistorschaltungen erforderlichen Festlegungen des Arbeitspunktes etc. Darüber hinaus verhalten sich OPs eines Typs für alle praktischen Zwecke gleich. Die bei Transistorschaltungen so problematischen Eigenschaften wie Temperaturabhängigkeit und Exemplarstreuung spielen in der OP-Technik kaum eine Rolle.

Reale Operationsverstärker

Selbstverständlich können die idealen Eigenschaften eines OP in der Praxis nie ganz erreicht werden. Moderne Typen kommen den idealen Eigenschaften aber schon erstaunlich nahe. Zunächst ist natürlich die Spannungsverstärkung eines OPs immer endlich. Typische Werte liegen aber im Bereich von V0 > 100.000 und darüber. Die bedeutet, dass bereits eine Eingangsspannungsdifferenz von 100 µV eine Ausgangspannung von 10 V entspricht. Hieraus sieht man schon, dass die goldene Regel Nr. 1 auch in praktischen Anwendungen gut erfüllt ist. Zu beachten ist jedoch, dass OPs in der Praxis eine gewisse „Offsetspannung" aufweisen. Das ist diejenige Eingangsspannungsdifferenz die erforderlich ist um am Ausgang tatsächlich 0,000 V zu erhalten. Hier gibt es erhebliche Unterschiede zwischen den einzelnen OP-Typen. Standardtypen wie der LM741 weisen hier Werte von bis zu 10 mV auf. Spezielle Typen, die besonders auf niedrige Offsets hin entwickelt wurden, erreichen Werte von wenigen µV. Bei einigen OPs gibt es spezielle Anschlüsse für einen Offsetabgleich. Diese werden in der Praxis jedoch kaum genutzt, da sie einen deutlichen Zusatzaufwand verursachen. So ist der erforderliche Trimmer oft teurer als der OP selbst. Außerdem ist eine solcher Abgleich immer relativ zeitaufwendig und jeder OP muss individuell abgeglichen werden. Man verwendet deshalb lieber etwas teurere Typen bei welchen ein entsprechend geringerer Offset garantiert wird.

Die zweite Goldene Regel, keine Eingangsströme, wird bei OPs mit FET Eingängen ebenfalls sehr gut erfüllt. Eingangsimpedanzen von bis zu 1000 GOhm führen zu Eingansströmen im Picoamperebereich, die in den allermeisten Anwendungen vernachlässigbar sind. OPs mit Transistoreingängen weisen deutlich höhere Eingangströme von bis zu einigen µA auf, die sich bei Präzisionsanwendungen durchaus negativ bemerkbar machen können.

Dynamische Eigenschaften

Weitere praktische Einschränkungen ergeben sich im dynamischen Bereich. So wird die hohe Spannungsverstärkung des OPs nur bei Gleichspannungen erreicht und nimmt mit zunehmenden Frequenzen rasch ab. Die Frequenz bei welcher der OP nicht mehr verstärkt liegt bei Universal-OPs bei ca. 1 MHz. Im Vergleich zu Audio-Frequenzen (10 Hz - 20 kHz) scheint dies ein ausreichend hoher Wert zu sein. Man muss jedoch bedenken, dass es sich hierbei um ein Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt handelt. Damit ergibt sich bereits für 10 kHz eine maximale Verstärkung von 100 - bereits weit weniger als die 100.000-fache Gleichspannungsverstärkung. Die nächste wichtige Limitierung ist die maximale Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung, in den Datenblättern als „Slew-Rate" bezeichnet. Diese liegt bei Universal-OPs bei etwa 0,2 V/µs. Damit benötigt der Ausgang 100 µs um von -10 V auf + 10 V zu kommen. Dies entspricht der Periodendauer eines 10 kHz-Signals. Bei hohen Amplituden ist hier also auch bereits im Niederfrequenz-Bereich mit deutlichen Verzerrungen zu rechnen. Später werden wir hierzu einige Beispiele kennen lernen. Die wichtigsten Eigenschaften eines der bekanntesten Standard-OPs, dem sogenannten „741" sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Darüber hinaus gibt es noch eine Reihe weiterer charakteristischer Eigenschaften die in den Datenblättern festgelegt sind. Die Datenblätter können zu jedem gängigen OP kostenlos aus dem Internet geladen werden.

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