Wie funktioniert ein Operationsverstärker (O- Pamp)?

Wie funktioniert ein Operationsverstärker?

Ein Operationsverstärker (Op-Amp) ist ein hochintegrierter elektronischer Baustein, der in Schaltungen zur Signalverstärkung, Filterung, Integration, Differentiation und vielen anderen Anwendungen weit verbreitet ist. Seine Hauptfunktion besteht darin, die Spannungsdifferenz zwischen seinen beiden Eingangsleitungen zu verstärken. Hier ist eine Erklärung, wie ein Operationsverstärker funktioniert, und wichtige Konzepte:

1. Grundlegende Struktur

• Ein Operationsverstärker hat in der Regel fünf Anschlüsse:

• Nichtinvertierender Eingang (V+): Positiver Eingang.

• Invertierender Eingang (V−): Negativer Eingang.

• Ausgang (Vout): Verstärktes Ausgangssignal.

• Positiver Versorgungsanschluss (Vcc): Positive Versorgungsspannung.

• Negativer Versorgungsanschluss (Vee): Negative Versorgungsspannung.

2. Funktionsprinzip

Annahmen für einen idealen Operationsverstärker

• Unendlicher Verstärkungsfaktor: Ideal beträgt der Verstärkungsfaktor A des Op-Amps unendlich.

• Unendlicher Eingangswiderstand: Der Eingangswiderstand Rin ist unendlich, was bedeutet, dass der Eingangsstrom fast null ist.

• Nuller Ausgangswiderstand: Der Ausgangswiderstand Rout ist null, was bedeutet, dass der Ausgangsstrom beliebig groß sein kann, ohne die Ausgangsspannung zu beeinflussen.

• Unendliche Bandbreite: Ideal kann der Op-Amp bei allen Frequenzen ohne Einschränkungen arbeiten.

Eigenschaften eines realen Operationsverstärkers

• Endlicher Verstärkungsfaktor: In der Praxis ist der Verstärkungsfaktor A endlich und liegt typischerweise im Bereich von zehn hoch fünf bis zehn hoch sechs.

• Endlicher Eingangswiderstand: Der tatsächliche Eingangswiderstand ist nicht unendlich, aber sehr hoch (Megohm-Bereich).

• Nicht-nuller Ausgangswiderstand: Der tatsächliche Ausgangswiderstand ist nicht null, aber sehr gering.

• Endliche Bandbreite: Die tatsächliche Bandbreite des Op-Amps ist begrenzt und liegt typischerweise im Bereich von Hunderttausenden Hertz bis Megahertz.

3. Grundlegende Arbeitsmodi

Offene Schleife

Verstärkung in offener Schleife: Bei einer offenen Schleife verstärkt der Op-Amp direkt die Differenz der Eingangsspannungen.

Sättigung: Aufgrund des hohen Verstärkungsfaktors A kann sogar eine kleine Eingangsspannungsdifferenz dazu führen, dass die Ausgangsspannung die Grenzen der Versorgungsspannungen erreicht (d.h. Vcc oder Vee).

Geschlossene Schleife

Negative Rückkopplung: Durch die Einführung negativer Rückkopplung kann der Verstärkungsfaktor des Op-Amps so gesteuert werden, dass er in einem vernünftigen Bereich arbeitet.

Schaltkreise mit negativer Rückkopplung: Gängige Schaltkreise mit negativer Rückkopplung umfassen invertierende Verstärker, nichtinvertierende Verstärker und Differenzverstärker.

Virtuelle Kürzung und virtueller Offen-Schalter: In Schaltkreisen mit negativer Rückkopplung sind die Spannungen an den beiden Eingangsleitungen des Op-Amps fast gleich (virtuelle Kürzung), und der Eingangsstrom ist fast null (virtueller Offen-Schalter).

4. Gängige Anwendungsschaltungen

Invertierender Verstärker

Schaltkreisstruktur: Das Eingangssignal wird über einen Widerstand R1 zum invertierenden Eingang V− geführt, und ein Rückkopplungswiderstand Rf verbindet den Ausgang Vout mit dem invertierenden Eingang V−.

Vout mit dem invertierenden Eingang V−.

Nichtinvertierender Verstärker

Schaltkreisstruktur: Das Eingangssignal wird über einen Widerstand R1 zum nichtinvertierenden Eingang V+ geführt, und ein Rückkopplungswiderstand Rf verbindet den Ausgang Vout mit dem invertierenden Eingang V−.

Differenzverstärker

Schaltkreisstruktur: Zwei Eingangssignale werden auf den nichtinvertierenden Eingang V+ und den invertierenden Eingang V− angewendet, und ein Rückkopplungswiderstand Rf verbindet den Ausgang Vout mit dem invertierenden Eingang V−.

5. Zusammenfassung

Ein Operationsverstärker arbeitet, indem er die Spannungsdifferenz zwischen seinen beiden Eingangsleitungen verstärkt, wobei die Kernfunktion auf hohen Verstärkungsfaktoren und negativen Rückkopplungsmechanismen basiert. Durch verschiedene Schaltkreiskonfigurationen können Op-Amps verschiedene Funktionen wie Verstärkung, Filterung, Integration und Differentiation ausführen. Das Verständnis der Funktionsprinzipien und gängigen Anwendungsschaltungen von Op-Amps ist entscheidend für das Entwerfen und die Fehlersuche in verschiedenen elektronischen Systemen.