Spannungsfollower-OP-Verstärker: Was ist das?
Was ist ein Spannungsfolger?
Ein Spannungsfolger (auch bekannt als Pufferverstärker, Verstärker mit Einheitsverstärkung oder Isolierverstärker) ist ein Operationsverstärker-Schaltkreis, dessen Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung ist (er „folgt“ der Eingangsspannung). Daher verstärkt ein Spannungsfolger den Eingangssignal nicht und hat eine Spannungsverstärkung von 1.
Der Spannungsfolger bietet keine Dämpfung oder Verstärkung – nur Pufferung.
Ein Spannungsfolgerschaltkreis hat einen sehr hohen Eingangswiderstand. Diese Eigenschaft macht ihn in vielen verschiedenen Schaltungen beliebt, die Isolation zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal erfordern.
Die Schaltung des Spannungsfolgers ist unten dargestellt.
Ein wichtiges Gesetz, das einen Spannungsfolger untermauert, ist das Ohmsche Gesetz.
Das besagt, dass der Strom eines Schaltkreises gleich seiner Spannung geteilt durch seinen Widerstand ist.
Wie bereits erwähnt, haben Spannungsfolger einen sehr hohen Eingangswiderstand (und daher auch hohen Widerstand).
Aber bevor wir Schaltungen mit hoher Impedanz diskutieren, wird es hilfreich sein, zunächst zu verstehen, was in einer Schaltung mit niedriger Impedanz passiert.
Eine geringe Eingangsimpedanz – und damit auch Widerstand in diesem Fall – führt dazu, dass das „R“ in der Formel für das Ohmsche Gesetz klein ist.
Bei einer festen Spannung (V) bedeutet dies, dass eine hohe Menge an Strom von einem Lastwiderstand mit niedriger Impedanz (Widerstand) gezogen wird.
Daher entnimmt der Schaltkreis eine große Menge an Leistung aus der Stromquelle, was zu hohen Störungen der Quelle führt.
Nun betrachten wir, dass wir die gleiche Leistung an einen Spannungsfolgerschaltkreis geben.
Die Schaltung des Spannungsfolgers ist unten dargestellt.
Beachten Sie, wie der Ausgang an den invertierenden Eingang angeschlossen ist.
Diese Verbindung zwingt den Operationsverstärker, seine Ausgangsspannung so anzupassen, dass sie der Eingangsspannung entspricht.
Die Ausgangsspannung „folgt“ also der Eingangsspannung.
Wie bereits erwähnt, ist ein Spannungsfolger eine Art Operationsverstärker mit sehr hoher Impedanz.
Genauer gesagt hat die Eingangseite des Operationsverstärkers eine sehr hohe Impedanz (1 MΩ bis 10 TΩ), während die Ausgangsseite dies nicht tut.
Das Ohmsche Gesetz muss jedoch weiterhin gültig bleiben.
Wenn wir also die Spannung auf der Eingangs- und Ausgangsseite gleich halten und den Widerstand signifikant senken… was wird mit dem Strom passieren?
Das ist richtig: Der Strom steigt sprunghaft an.
Ein Spannungsfolger hält die Spannung gleich – wir haben nicht gesagt, dass er auch den Strom gleich hält!
Obwohl ein Spannungsfolger eine Einheits-Spannungsverstärkung (d.h. sie beträgt eins) hat, hat er eine sehr hohe Stromverstärkung.
Auf der Eingangseite: sehr hohe Impedanz und sehr geringer Strom.
Und auf der Ausgangsseite: sehr geringe Impedanz und sehr hoher Strom.
Die Spannung bleibt gleich, aber der Strom steigt (weil die Impedanz zwischen Eingangs- und Ausgangsseite abgenommen hat).
Wie bereits erwähnt, ist die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers sehr hoch (1 MΩ bis 10 TΩ).
Mit einer so hohen Eingangsimpedanz belastet der Operationsverstärker die Quelle nicht und zieht nur minimalen Strom daraus.
Da die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers sehr gering ist, treibt er die Last, als wäre er eine ideale Spannungsquelle.
Sowohl die Verbindungen zu und von dem Puffer sind daher Brückenverbindungen.
Dies führt zu einer reduzierten Energieverbrauch der Quelle und weniger Verzerrungen durch Überlastung und andere Ursachen von elektromagnetischer Störungen.
Verstärkung des Spannungsfolgers
Ein Spannungsfolger hat eine Spannungsverstärkung von 1 (Einheit), weil die Ausgangsspannung der Eingangsspannung folgt. Obwohl die Spannungsverstärkung eines Spannungs-Pufferverstärkers etwa 1 beträgt, bietet er eine beträchtliche Strom- und Leistungsverstärkung. Trotzdem ist es üblich, von einer Verstärkung von 1 zu sprechen – bezogen auf die Spannungsverstärkung (entsprechend 0 dB).
Spannungsfolger in Spannungsteiler-Schaltungen
In jeder Schaltung wird die Spannung an den Widerstand oder die
