Operationsverstärker (Bsp. LM358)
Ein Operationsverstärker (en. Operational Amplifier oder OpAmp) ist ein extrem hoher Verstärker, der sowohl DC als auch AC Signale verstärkt. Verstärkt wird dabei die Differenz an den beiden Eingängen zwischen IN+ und IN-.
Beispiel:
UDiff = IN+ - IN- = 6V - 4V = +2V. → OUT = Verstärkung × +2V (max. VCC)
UDiff = IN+ - IN- = 4V - 6V = -2V. → OUT = Verstärkung × -2V (max. VEE)
Die Eingänge sind vom Ausgang beinahe entkoppelt. Durch eine äußere Rückkopplung vom Ausgang zu einem Eingang entstehen viele unterschiedliche Schaltungen.
Eigenschaften eines OpAmp
- Die Eingänge (IN+ und IN-) sind sehr hochohmig (≈ ∞Ω, in Realität im Megaohm-Bereich). In die beiden Eingänge fließt also kein Strom!
- Der Ausgang OUT ist sehr niederohmig (≈ 0Ω). Tatsächlich im Bereich von 100 Ohm.
- Die Verstärkung (en. Gain) des OpAmp ohne Rückkopplung ist extrem hoch (≈∞). In Realität ca. 100000.
- Mit einer Rückkopplung versucht der OpAmp die Differenz der Eingänge auf 0V einzustellen (IN+ = IN-)
Schaltungen
OpAmps sind extrem vielseitig und werden in sehr vielen Schaltungen eingesetzt. Nachfolgend werden nur die Basisschaltungen vorgestellt.
Comparator
Die Comparator-Schaltung ist eine OpAmp Schaltung ohne Rückkopplung. Sobald die Differenzspannung zwischen den Eingängen auch nur leicht positiv ist, wird am Ausgang durch die extreme Verstärkung sofort die maximal mögliche positive Versorgungsspannung ausgegeben. Ist die Differenz nur leicht negativ wird am Ausgang entsprechend auf die negative Versorgungsspannung verstärkt. Der Ausgang wird daher quasi digital geschaltet. Die Funktion des Komparators ist auch nochmal in einem eigenen Kapitel beschrieben.
Voltage Follower / Buffer
Beim Voltage Follower wird der Ausgang (OUT) mit dem Eingang IN- verbunden. Sobald am Eingang IN+ eine Spannung anliegt die zu einer Differenz zwischen IN+ und IN- führt wird augenblicklich die Ausgangsspannung entsprechend verstärkt, bis am IN- Eingang die gleiche Spannung anliegt wie an IN+. Dies passiert so schnell, dass OUT der Spannung von IN+ eins zu eins folgt.
Der Sinn dieser Schaltung ist die Entkopplung der Eingangsspannung von der Ausgangsspannung (Buffer).
Inverting Amplifier
Beim Inverting Amplifier wird der Ausgang OUT über einen Widerstand (R2) rückgekoppelt. Die Verstärkung des OpAmps lässt sich dadurch (zusammen mit R1) kontrollieren. Im Beispiel ist die Spannung an OUT immer doppelt so hoch wie am Eingang (und invertiert!)
Berechnung der Verstärkung (Gain):
IN- = IN+ = 0V (siehe Einenschaften des OpAmps oben)
U1 = R1 × I1 = USIN (da IN- = 0V fällt die Eingangsspannung komplett an R1 ab)
U2 = R2 × I2 = UOUT (da IN- = 0V fällt die Ausgangsspannung komplett an R2 ab)
I1 = I2 (da in IN- kein Strom fließt, siehe OpAmp Eigenschaften oben)
I1 = I2 = USIN ÷ R1 = UOUT ÷ R2
UOUT = USIN × (R2 ÷ R1)
Non-Inverting Amplifier
Der Inverting Amplifier aus dem vorherigen Beispiel hat den Nachteil, dass die Ausgangsspannung zwar verstärkt wird, die Spannungsrichtung sich dadurch aber ändert. Der NON-Inverting Amplifier hat diesen Nachteil nicht.
Berechnung der Verstärkung (Gain):
IN- = IN+ = USIN (siehe Einenschaften des OpAmps oben)
U1 = R1 × I1 = USIN (USIN fällt komplett an R1 ab)
U2 = R2 × I2 = UOUT - USIN
I1 = I2 (da in IN- kein Strom fließt, siehe OpAmp Eigenschaften oben)
UOUT = USIN × ((R1 + R2) ÷ R1)
