Operationalverstärker oder Operationsverstärker

Ein Operationsverstärker oder Op-V ist ein DC-gekoppelter Spannungsverstärker mit einem sehr hohen Spannungsverstärkungsfaktor.

Ein Op-V ist im Grunde ein mehrstufiger Verstärker, bei dem mehrere Verstärkerstufen in einer sehr komplizierten Weise miteinander verbunden sind. Seine interne Schaltung besteht aus vielen Transistoren, Feldeffekttransistoren und Widerständen. All dies nimmt nur sehr wenig Platz ein. Daher wird es in einer kleinen Gehäuse verpackt und in Form eines integrierten Schaltkreises (IC) zur Verfügung gestellt. Der Begriff Op-V bezeichnet einen Verstärker, der so konfiguriert werden kann, dass er verschiedene Operationen wie Verstärkung, Subtraktion, Differenzierung, Addition, Integration usw. durchführt. Ein Beispiel hierfür ist der sehr beliebte IC 741.

Das Symbol und sein tatsächliches Aussehen in der IC-Form ist unten dargestellt. Das Symbol erscheint als Pfeilspitze, was bedeutet, dass das Signal vom Ausgang zum Eingang fließt.

Eingangs- und Ausgangsterminals eines Operationsverstärkers

Ein Op-V hat zwei Eingangsterminals und ein Ausgangsterminal. Der Op-V hat auch zwei Spannungsversorgungsterminals, wie oben zu sehen. Die beiden Eingangsterminals bilden den Differenzeingang. Wir nennen das Terminal, das mit einem negativen (-) Zeichen gekennzeichnet ist, das invertierende Terminal und das Terminal, das mit einem positiven (+) Zeichen gekennzeichnet ist, das nichtinvertierende Terminal des Operationsverstärkers. Wenn wir ein Eingangssignal am invertierenden Terminal (-) anlegen, dann ist das verstärkte Ausgangssignal um 180o gegenüber dem angelegten Eingangssignal phasenverschoben. Wenn wir ein Eingangssignal am nichtinvertierenden Terminal (+) anlegen, dann ist das ausgegebene Ausgangssignal in Phase, d.h. es hat keine Phasenverschiebung gegenüber dem Eingangssignal.

Stromversorgung für einen Operationsverstärker

Wie man am obigen Schaltzeichen sehen kann, hat es zwei Eingangsstromversorgungsterminals +VCC und –VCC. Für den Betrieb eines Op-V ist eine Stromversorgung mit dualer Polarität unerlässlich. Bei der Stromversorgung mit dualer Polarität verbinden wir +VCC mit der positiven Gleichspannung und das –VCC-Terminal mit der negativen Gleichspannung. Es gibt jedoch wenige Op-V, die auch mit einer Einpol-Stromversorgung betrieben werden können. Beachten Sie, dass es in den Op-V kein gemeinsames Masse-Terminal gibt, daher muss die Masse extern hergestellt werden.

Arbeitsprinzip des Op-V

Offener Regelkreis-Betrieb eines Operationsverstärkers

Wie oben erwähnt, hat ein Op-V einen Differenzeingang und einen Einzelendausgang. Wenn wir also zwei Signale, eines am invertierenden und eines am nichtinvertierenden Terminal, anlegen, verstärkt ein idealer Op-V die Differenz zwischen den beiden angelegten Eingangssignalen. Wir nennen diese Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen als die differentielle Eingangsspannung. Die folgende Gleichung gibt den Ausgang eines Operationsverstärkers an.Dabei ist VOUT die Spannung am Ausgangsterminal des Op-V. AOL ist der offene Regelkreis-Verstärkungsfaktor für den gegebenen Op-V und ist konstant (ideal). Für den IC 741 beträgt AOL 2 x 105.
V1 ist die Spannung am nichtinvertierenden Terminal.
V2 ist die Spannung am invertierenden Terminal.
(V1 – V2) ist die differentielle Eingangsspannung.
Aus der obigen Gleichung ist klar, dass der Ausgang nur dann ungleich Null sein wird, wenn die differentielle Eingangsspannung ungleich Null ist (V1 und V2 sind nicht gleich), und wird Null sein, wenn sowohl V1 als auch V2 gleich sind. Beachten Sie, dass dies eine ideale Bedingung ist, in der Praxis gibt es kleine Ungleichgewichte im Op-V. Der offene Regelkreis-Verstärkungsfaktor eines Op-V ist sehr hoch. Daher verstärkt ein Op-V im offenen Regelkreis eine kleine angewandte differentielle Eingangsspannung auf einen sehr hohen Wert.
Auch ist es wahr, dass, wenn wir eine kleine differentielle Eingangsspannung anlegen, der Operationsverstärker sie auf einen erheblichen Wert verstärkt, aber dieser signifikante Wert am Ausgang kann die Versorgungsspannung des Op-V nicht überschreiten. Daher wird das Energieerhaltungsgesetz nicht verletzt.

Geschlossener Regelkreis-Betrieb

Der oben erklärte Betrieb des Op-V war für den offenen Regelkreis, d.h. ohne Rückkopplung. Wir führen Rückkopplung in der geschlossenen Regelkreiskonfiguration ein. Dieser Rückkopplungsweg leitet das Ausgangssignal zum Eingang. Daher sind am Eingang gleichzeitig zwei Signale vorhanden. Eines davon ist das ursprünglich angelegte Signal, und das andere ist das Rückkopplungssignal. Die folgende Gleichung zeigt den Ausgang eines Op-V im geschlossenen Regelkreis.Dabei ist VOUT die Spannung am Ausgangsterminal des Op-V. ACL ist der geschlossene Regelkreis-Verstärkungsfaktor. Der an den Op-V angeschlossene Rückkopplungsschaltkreis bestimmt den geschlossenen Regelkreis-Verstärkungsfaktor ACL. VD = (V1 – V2) ist die differentielle Eingangsspannung. Wir nennen die Rückkopplung als positiv, wenn der Rückkopplungsweg das Signal vom Ausgangsterminal zurück zum nichtinvertierenden (+) Terminal führt. Positive Rückkopplung wird in Oszillatoren verwendet. Die Rückkopplung ist negativ, wenn der Rückkopplungsweg einen Teil des Signals vom Ausgangsterminal zurück zum invertierenden (-) Terminal führt. Wir verwenden negative Rückkopplung für Op-V, die als Verstärker verwendet werden. Jeder Typ von Rückkopplung, negativ oder positiv, hat seine Vor- und Nachteile.

Positive Rückkopplung ⇒ Oszillator
Negative Rückkopplung ⇒ Verstärker
Die obige Erklärung ist das grundlegendste Arbeitsprinzip von Operationsverstärkern.

Idealer Op-V-Charakteristik

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