Konzept der Operationsverstärker

Unter einem Operationsverstärker versteht man einen universell anwendbaren Gleichspannungsverstärker, der ohne äußere Beschaltung bestimmte, standardisierte Eigenschaften zeigt. Erst die Beschaltung mit externen Bauelementen ergibt die gewünschten Eigenschaften der Schaltung.

	Schaltbild des Operationsverstärkers

Der ideale Operationsverstärker hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers wird durch

U_out = A_v * (U_in1 - U_in2)

beschrieben, es wird also die Differenz der Eingangsspannungen verstärkt. Der Eingang 1 wird als 'nicht invertierender Eingang' bezeichnet und durch das Zeichen '+' gekennzeichnet, der Eingang 2 wird als 'invertierender Eingang' bezeichnet und mit dem Zeichen '-' gekennzeichnet. Auf den restlichen Seiten des Buches wird der invertierende Eingang immer mit '(-)Eingang' und der nicht invertierende Eingang immer mit '(+)Eingang' bezeichnet. Im Folgenden sollen die wichtigsten Größen eines idealen Verstärkers beschrieben werden. Außerdem werden jeweils die typischen Werte von real existierenden Operationsverstärkern angegeben.

• Verstärkung
  Die Verstärkung eines idealen Operationsverstärkers wird mit A_v=ì definiert. Reale Verstärker weisen Verstärkungen zwischen 10⁴ und 10⁸ auf.

• Eingangswiderstand
  Die Eingangswiderstand eines idealen Verstärkers ist als z_in=ì definiert. Dies bedeutet, dass kein Strom in den Eingang des Verstärkers fließt und somit die angeschlossene Signalquelle nicht belastet wird. Reale Verstärker besitzen einen Eingangswiderstand zwischen 100 kΩ und 1000 GΩ.

• Ausgangswiderstand
  Der Ausgangswiderstand eines idealen Operationsverstärkers ist definitionsgemäß gleich null. Das bedeutet, dass der Ausgang beliebig viel Strom liefern kann und somit beliebig belastet werden kann. Reale Verstärker besitzen typische Ausgangswiderstände von 1 bis 10 Ω.

• Offsetspannung
  Die Offsetspannung eines idealen Operationsverstärkers ist gleich null, das heißt, wenn man null Volt Spannungsdifferenz an die Eingänge legt, erzeugt er eine Ausgangsspannung von null Volt. Die Offsetspannung von realen Verstärkern liegt im Bereich von -10 mV bis +10 mV. Präzisionsverstärker können jedoch Offsetspannungen von nur einigen μV aufweisen.

• Bandbreite
  Die Bandbreite eines idealen Verstärkers ist unendlich, das heißt, er verstärkt alle Signale unabhängig von der Signalfrequenz mit der gleichen Verstärkung. Bei realen Operationsverstärkern hängt jedoch die Verstärkung von der Signalfrequenz ab, was sich in einem konstanten Produkt aus Verstärkung und Frequenz ausdrückt. Ein typischer Verstärker besitzt ein Bandbreite-Verstärkungs-Produkt von 10⁶.

• Anstiegsgeschwindigkeit
  Ein Parameter der eng mit der Bandbreite verknüpft ist, ist die maximale Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangssignals (slew rate). Das Ausgangssignal eines idealen Operationsverstärkers besitzt eine unendlich hohe Anstiegsgeschwindigkeit; reale Verstärker bieten Anstiegsgeschwindigkeiten zwischen 0.5 und 1000 V/μs, oder anders formuliert, ein langsamer Operationsverstärker (z.B. μA741) benötigt für das Einstellen des Ausgangs von -15 V auf +15 V ca. 60 μs.

Die sehr hohe Verstärkung eines Operationsverstärkers bedingt, dass die Eigenschaften einer Schaltung weitgehend nicht von den Eigenschaften des jeweiligen Operationsverstärkers, sondern zum größten Teil von der Beschaltung abhängen. In fast allen Operationsverstärkerschaltungen wird ein Teil des Ausgangssignals auf den Eingang rückgekoppelt. Die Rückkopplung ist in den meisten Schaltungen eines der zentralen Elemente und soll daher an dieser Stelle ausführlich besprochen werden. Je nachdem, ob das Ausgangssignal auf den (-)Eingang oder den (+)Eingang zurückgeführt wird, unterscheidet man zwischen Gegenkopplung und Mitkopplung. Als Faustregel kann man sagen, dass Gegenkopplungen generell zu mehr Stabilität und besseren Parametern einer Schaltung führen, Mitkopplungen jedoch zu Instabilitäten, die nur bei sehr gezieltem Einsatz nutzbringend verwendet werden können.