Operationsverstärker einfach erklärt: Aufbau, Schaltungen und Anwendungen

Operationsverstärker sind elektronische Bauelemente, die entwickelt wurden, um die Spannungsdifferenz zwischen zwei Eingängen zu verstärken. Solche Komponenten finden breite Anwendung in der Audiotechnik, in Messgeräten, Sensoren und automatisierten Steuerungssystemen. Sie ermöglichen die Verstärkung schwacher Signale, die Realisierung von Filtern und die Durchführung analoger Berechnungen.

Im Folgenden erfahren Sie, wie ein Operationsverstärker aufgebaut ist, nach welchem Prinzip er arbeitet, welche gängigen Schaltungsvarianten existieren und worauf Sie bei der Auswahl eines geeigneten ICs achten sollten.

Was ist ein Operationsverstärker und wie ist er aufgebaut?

Ein Operationsverstärker (OpAmp) ist ein Gleichstromverstärker mit sehr hoher Verstärkung und zwei Signaleingängen. Seine wichtigste Eigenschaft besteht darin, dass er auf die Differenz der Eingangsspannungen reagiert, nicht auf die absoluten Werte der einzelnen Eingänge.

Die Bezeichnung stammt von der ursprünglichen Verwendung dieser Bauteile in analogen Rechenmaschinen. Dort wurden mit Hilfe von Operationsverstärkern mathematische Operationen wie Addition, Subtraktion und Integration von Signalen ausgeführt. Heute ist ihr Anwendungsbereich deutlich breiter.

Ein typischer Operationsverstärker verfügt über mehrere wesentliche Anschlüsse:

• Nichtinvertierender Eingang (+) - Eine Erhöhung der Spannung an diesem Anschluss bewirkt ein Ansteigen der Ausgangsspannung.
• Invertierender Eingang (−) - Eine Erhöhung der Spannung hier führt zu einer Verringerung der Ausgangsspannung.
• Ausgang - Gibt das verstärkte oder bearbeitete Signal aus.
• Versorgungsanschlüsse - Versorgen die internen elektronischen Komponenten mit Strom.

Im Inneren des Chips befinden sich Transistoren, die in mehreren Stufen verschaltet sind. Die Eingangsdifferenzstufe vergleicht die Spannungen, nachfolgende Stufen sorgen für die Verstärkung, die Ausgangsstufe gibt das Signal an die angeschlossene Last weiter.

In modernen Operationsverstärkern werden häufig Feldeffekttransistoren eingesetzt, besonders in den Eingangsstufen von Modellen mit hoher Eingangsimpedanz. Aufbau und Besonderheiten dieser Transistoren werden ausführlich im Beitrag Wie arbeiten Feldeffekttransistoren: Einfache Erklärung von MOSFETs, Aufbau und Anwendungen behandelt.

Die wichtigste Kenngröße eines OpAmps ist die Leerlaufverstärkung. Bei manchen ICs erreicht sie Hunderttausende oder gar Millionen. In der Praxis wird diese hohe Verstärkung meist reduziert und mit externen Bauteilen gezielt eingestellt.

Weitere bedeutende Parameter sind Eingangsimpedanz, Bandbreite und die maximale Anstiegsrate der Ausgangsspannung. Sie bestimmen, wie präzise der Verstärker Signale verschiedener Amplituden und Frequenzen verarbeiten kann.

Funktionsprinzip eines Operationsverstärkers

Das Funktionsprinzip basiert auf dem Vergleich der Spannungen an den beiden Eingängen. Ist die Spannung am nichtinvertierenden Eingang höher als am invertierenden, steigt die Ausgangsspannung. Ist es umgekehrt, sinkt sie.

Der Zusammenhang lässt sich mit folgender Formel darstellen:

U_aus = A₀ · (U₊ − U₋)

wobei A₀ die Leerlaufverstärkung ist und U₊ bzw. U₋ die Spannungen an den jeweiligen Eingängen.

Beispiel: Bei einer Verstärkung von 100.000 erzeugt eine Eingangsdifferenz von nur 0,1 mV theoretisch eine Ausgangsspannung von 10 V. In der Praxis ist diese jedoch durch die Versorgungsspannung und die Eigenschaften der Ausgangsstufe begrenzt.

Wozu dient die negative Rückkopplung?

Durch die extrem hohe interne Verstärkung würde ein Operationsverstärker ohne Rückkopplung schon bei kleinsten Eingangsdifferenzen das Ausgangssignal auf den maximalen Wert treiben.

Um die Verstärkung zu steuern, wird ein Teil des Ausgangssignals auf den invertierenden Eingang zurückgeführt - dies nennt man negative Rückkopplung.

Sie ermöglicht es,

• die gewünschte Verstärkung mittels Widerständen präzise einzustellen,
• den Einfluss von Bauteilabweichungen zu minimieren,
• nichtlineare Verzerrungen zu reduzieren und
• ein vorhersehbares Verhalten der Schaltung sicherzustellen.

Bei ausreichend hoher Verstärkung und korrekt ausgeführter negativer Rückkopplung gleichen sich die Eingangsspannungen nahezu an. Dieses Prinzip wird häufig bei der Analyse von OpAmp-Schaltungen genutzt.

Das Spannungsgleichgewicht ist jedoch eine Annäherung und gilt nur im linearen Betriebsbereich. Erreicht die Ausgangsspannung ihre Grenzwerte oder ist das Signal zu hochfrequent, verändert sich das Verhalten der Schaltung.

Typische Schaltungsvarianten für Operationsverstärker

Je nach Anordnung der Widerstände und Einspeisung des Eingangssignals kann ein OpAmp die Spannung verstärken, deren Polarität ändern oder das Eingangssignal einfach puffern. Die drei gebräuchlichsten Schaltungen sind: invertierender Verstärker, nichtinvertierender Verstärker und Spannungsfolger.

Invertierender Verstärker

Beim invertierenden Verstärker gelangt das Eingangssignal über einen Widerstand an den invertierenden Eingang. Der nichtinvertierende Eingang ist mit Masse verbunden, zwischen Ausgang und invertierendem Eingang befindet sich der Rückkopplungswiderstand.

Das Hauptmerkmal: Das Ausgangssignal hat eine entgegengesetzte Polarität zum Eingangssignal. Beispiel: Bei einem Eingang von +0,5 V und einer Verstärkung von -10 beträgt das Ausgangssignal -5 V (sofern durch die Versorgung möglich).

Die Verstärkung berechnet sich wie folgt:

K = -R₂ / R₁

wobei R₁ der Eingangs- und R₂ der Rückkopplungswiderstand ist.

Solche Schaltungen finden sich in Audioverstärkern, analogen Filtern und Signalverarbeitungseinheiten.

Nichtinvertierender Verstärker

Hier wird das Signal direkt an den nichtinvertierenden Eingang gelegt. Der invertierende Eingang ist über den Rückkopplungswiderstand mit dem Ausgang und über einen weiteren Widerstand mit Masse verbunden.

Im Gegensatz zur invertierenden Schaltung bleibt die Polarität des Signals erhalten. Beispiel: Bei einem Eingang von +0,2 V und einer Verstärkung von 5 ergibt sich eine Ausgangsspannung von etwa +1 V.

Die Formel für die Verstärkung lautet:

K = 1 + R₂ / R₁

Vorteil der nichtinvertierenden Schaltung ist der hohe Eingangswiderstand - so wird die Signalquelle kaum belastet, was besonders beim Anschluss von Sensoren wichtig ist.

Spannungsfolger (Buffer)

Der Spannungsfolger ist ein Spezialfall des nichtinvertierenden Verstärkers mit einer Verstärkung von Eins. Der Ausgang ist direkt mit dem invertierenden Eingang verbunden, das Signal wird an den nichtinvertierenden Eingang gelegt.

Das Ausgangssignal folgt nahezu exakt dem Eingang:

U_aus ≈ U_ein

Obwohl die Spannung nicht verstärkt wird, erfüllt diese Schaltung eine wichtige Funktion: die Anpassung von Schaltungen. Durch den hohen Eingangswiderstand und den niedrigen Ausgangswiderstand können auch schwache Signalquellen angeschlossen werden, ohne dass das Signal verfälscht wird - zum Beispiel zwischen Sensor und Messeingang.

Alle drei Schaltungsarten arbeiten im linearen Bereich mit negativer Rückkopplung. Die tatsächliche Ausgangsspannung ist jedoch immer durch die Eigenschaften des ICs und die Versorgung begrenzt.

Einsatzgebiete von Operationsverstärkern

Operationsverstärker kommen überall dort zum Einsatz, wo analoge Signale verstärkt, gemessen oder umgewandelt werden müssen. Dank ihrer Vielseitigkeit kann ein einziger IC je nach Schaltung verschiedenste Aufgaben erfüllen.

Typische Anwendungsbereiche:

• Audiotechnik: Verstärkung schwacher Mikrofonsignale, Vorverarbeitung von Audiosignalen, Klangregelung.
• Messgeräte: Verstärkung kleiner Spannungen von Temperatur-, Druck- und anderen Sensoren.
• Aktive Filter: Unterdrückung von Störungen und Selektion bestimmter Frequenzen ohne sperrige Induktivitäten.
• Steuerungssysteme: Verarbeitung von Rückkopplungssignalen, Vergleich gemessener Größen und Bildung von Steuerspannungen.
• Analoge Rechenoperationen: Addition, Subtraktion und Integration elektrischer Signale.

Ein spezieller Einsatzfall ist der Betrieb als Komparator. Hier vergleicht der OpAmp zwei Spannungen und schaltet den Ausgang je nach Ergebnis um. Beispielsweise kann so erkannt werden, wenn die Akkuspannung unter einen bestimmten Wert fällt. Für schnelle Umschaltungen sind jedoch spezialisierte Komparatoren meist besser geeignet als Standard-Operationsverstärker.

Auswahl und Anschluss eines Operationsverstärkers

Bei der Auswahl eines Operationsverstärkers sollten nicht nur die Verstärkung, sondern auch die Betriebsbedingungen beachtet werden. Eine ungeeignete Wahl kann zu Signalverzerrungen, eingeschränkter Ausgangsspannung oder sogar zu Nichtfunktion führen.

Wichtige Auswahlkriterien sind:

• Versorgungsspannung: Gibt die zulässigen Betriebsbedingungen des ICs vor. Es gibt OpAmps für ein- oder zweipolige Versorgung.
• Eingangsspannungsbereich: Bestimmt, welche Signale der Verstärker korrekt verarbeiten kann.
• Bandbreite: Gibt die maximalen Frequenzen an, bei denen die gewünschte Verstärkung aufrechterhalten wird.
• Anstiegsrate (Slew Rate): Beeinflusst, wie schnell der Ausgang auf schnelle Signaländerungen reagieren kann, ohne Verzerrungen zu verursachen.
• Offsetspannung am Eingang: Beschreibt die Genauigkeit, besonders bei der Verstärkung sehr kleiner Signale.

Bei einpoliger Versorgung, etwa 0 und +5 V, kann der Ausgang keine negative Spannung liefern. Für die Verarbeitung von Wechselspannungen wird oft ein Arbeitspunktversatz genutzt.

Mit einer zweipoligen Versorgung, beispielsweise -12 und +12 V, sind beide Signalpolaritäten möglich. Das Ausgangssignal erreicht aber meist nicht ganz die Versorgungsschienen.

Ein verbreitetes Beispiel ist der LM358 - ein IC mit zwei Operationsverstärkern in einem Gehäuse. Er eignet sich für einfache Sensorsignalschaltungen mit einpoliger Versorgung, erreicht aber nicht die volle positive Versorgungsspannung am Eingang und Ausgang und hat Einschränkungen bei Signalhub und Last.

Beim Anschluss eines OpAmps sollten Sie stets das Pinout im Datenblatt beachten, die zulässige Versorgungsspannung einhalten und einen Abblockkondensator nahe am IC platzieren. Prüfen Sie zudem, dass alle Eingangs- und Ausgangsspannungen innerhalb der zulässigen Bereiche liegen.

Fazit

Der Operationsverstärker ist ein vielseitiges Bauelement der analogen Elektronik zur Verstärkung schwacher Signale, zur Realisierung von Filtern und zur Verarbeitung von Spannungen mit definierten Eigenschaften. Sein Funktionsprinzip basiert auf der Verstärkung der Spannung zwischen zwei Eingängen, die negative Rückkopplung ermöglicht eine gezielte Kontrolle der Verstärkung.

Für die Verstärkung ohne Polaritätsumkehr eignet sich die nichtinvertierende Schaltung, für die Umkehr der Polarität die invertierende Variante, und zur Anpassung von Schaltungen der Spannungsfolger. Bei der Auswahl des passenden ICs sind Versorgungsspannung, Eingangsspannungsbereich und Frequenzverhalten entscheidend.