Operationsverstärker

Der Operationsverstärker wird abgekürzt als OP, OV oder OPV. Die Bezeichnung OpAmp ist die Abkürzung für die englische Bezeichnung Operational Amplifier.
Der Operationsverstärker ist viel zu komplex, um ihn mit einfachen Worten beschreiben zu können. Doch auch mit viel Wort und Bild kann man ihm nicht ganz gerecht werden. Er ist eine der größten Erfindung der Elektronik und geht historisch weit in die Röhrentechnik zurück.
Der Begriff Operationsverstärker stammt aus der Zeit, als man mathematische Operationen noch mit Analogtechnik aufbaute. Heute machen das digitale Bausteine, bis hin zum Mikroprozessor, der von Software gesteuert wird.
Der Operationsverstärker ist ein mehrstufiger, hochverstärkender, galvanisch gekoppelter Differenzverstärker. Er kann sowohl Gleichspannungen als auch Wechselspannungen verstärken. Der innere Aufbau ist so beschaffen, dass seine Wirkungsweise durch die äußere Gegenkopplungsbeschaltung beeinflusst wird. Dieses hochkomplexe Halbleiterbauteil gibt es in sehr vielen Variationen, die alle sehr unterschiedliche Eigenschaften haben. Sie sind für die unterschiedlichsten Anwendungen optimiert. Genauere Details dazu lernt ihr ihm zweiten Lehrjahr in der Schule. Der Fokus bei diesem eLeraning liegt darin, dass ihr die beiden wichtigsten Schaltungen vom OPV grob versteht und das Einsatzgebiet kennt.

Invertierter OPV

Theorieblock

Der invertierende Verstärker ist eine Grundschaltung des Operationsverstärkers. Der Operationsverstärker wird dabei mit Parallel-Spannungs-Gegenkopplung betrieben. Dazu wird ein Teil der Ausgangsspannung über den Widerstand R2 auf den negativen Eingang (-) des Operationsverstärkers zurückgeführt. Die Eingangsspannung Ue liegt über den Widerstand R1 am negativen Eingang des Operationsverstärkers an. Der nichtinvertierende Eingang (+) wird direkt oder über einen Widerstand an Masse gelegt.
Durch den invertierenden Betrieb geht die Ausgangsspannung, beispielsweise bei einer positiver Eingangsspannung, so weit ins Negative, so dass der Punkt S immer nahe dem Nullpotential (0 V) liegt.
Der Punkt S wird als virtueller Nullpunkt bezeichnet. Er liegt bezogen auf das Massepotential auf etwa Null.

Das Verstärkerverhältnis kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

Verstärkungsfaktor
Die Spannungsverstärkung VU ist nur von der äußeren Beschaltung des Operationsverstärkers abhängig!
Die invertierende Verstärkerschaltung kehrt das Vorzeichen der Eingangsspannung um. Aus +Ue wird -Ua bzw. aus -Ue wird +Ua, multipliziert mit den beiden Gegenkopplungswiderständen.

Aufgabe

Baue die untenstehende OPV Schaltung auf und versuche zu verstehen, was genau passiert. Berechne verschiedene Widerstandsverhältnise und probiere diese aus.

Speise den OPV mit +/- 15 V

 

 

Nichtinvertierter Operationsverstärker

Theorieblock

Der nichtinvertierende Verstärker ist eine Grundschaltung eines Operationsverstärker. Der Operationsverstärker wird dabei mit Reihen-Spannungs-Gegenkopplung betrieben. Im Gegensatz zum invertierenden Verstärker ist beim nichtinvertierenden Verstärker das Eingangssignal zum Ausgangssignal phasengleich.
Beim nichtinvertierenden Verstärker wird der nichtinvertierende Eingang (+) mit dem Eingangssignal beschaltet und der Ausgang auf den invertierenden Eingang (-) rückgekoppelt (Gegenkopplung). Bei der Gegenkopplung wirkt die Ausgangsspannungsänderung der Eingangsspannungsänderung entgegen. Die Spannung UPN ist deshalb sehr klein.

Verstärkungsfaktor vu

Ohne zusätzliche Maßnahmen ist die Spannungsverstärkung VU größer oder gleich 1!
Formel zur Berechnung des Verstärkungsfaktor
Formel zur Berechnung des Verstärkungsfaktor

Aufgabe

Baue die untenstehende OPV Schaltung auf und versuche zu verstehen, was genau passiert. Berechne verschiedene Widerstandsverhältnise und probiere diese aus.

Speise den OPV mit +/- 15 V

Überprüfung

Welche OPV Schaltung belastet die Signalquelle?

  • Inventierte
  • Nichtinvetierte

Bei welcher OPV-Schaltung ist der Ausgangswiderstand sehr klein?

  • Inventierte
  • Nichtinventierte

Gibte es noch weiter OPV-Schaltungen

  • Ja
  • Nein