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Es ist unmöglich, über analoge Elektronik zu sprechen, ohne Operationsverstärker zu erwähnen. In diesem Blogbeitrag entdecken wir die Geheimnisse dieser äußerst nützlichen integrierten Schaltungen!
Operationsverstärker - was ist das?
Operationsverstärker, umgangssprachlich auch Opamps (engl. operational amplifiers) genannt, sind äußerst wichtige “Bausteine”, auf denen der größte Teil der modernen analogen Elektronik basiert. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit und hervorragenden Leistung haben sie Eingang in unzählige elektronische Schaltungen gefunden, die eine Vielzahl von Signalverarbeitungsoperationen durchführen: Verstärkung, Wechselstromgleichrichtung, Filterung, Impulsformung, Spannungs- und Stromstabilisierung, Hardware-Induktivitätsemulation und vieles mehr.
Der Aufbau eines Operationsverstärkers basiert auf drei Hauptelementen: Bipolar- oder Feldeffekttransistoren sowie Widerstände und (in viel geringerer Anzahl) Kondensatoren, die natürlich in derselben monolithischen Siliziumstruktur gefertigt werden. Ihr interner Schaltkreis besteht in der Regel aus mehreren Verstärkerstufen, Stromversorgungsschaltungen, Temperatur- und Frequenzkompensationsschaltungen und anderen zusätzlichen Komponenten, die z. B. ESD-Überspannungsschutzfunktionen an den Eingängen übernehmen.
Operationsverstärker haben in der Regel zwei Eingänge: einen invertierenden Eingang (mit “-” oder “IN-” gekennzeichnet) und einen nichtinvertierenden Eingang (mit “+” oder “IN+” gekennzeichnet). Das allgemeine Funktionsprinzip ist sehr einfach: Der Verstärker “liest” die Spannung zwischen dem “+”-Eingang und der “-“-Klemme, verstärkt dann diese (kleine) Potentialdifferenz stark und sendet dieses verarbeitete Signal an den Ausgang (mit “OUT” gekennzeichnet).
Parameter von Operationsverstärkern und ihr Einfluss auf den Entwurf von elektronischen Schaltungen
Das wichtigste Merkmal von Operationsverstärkern ist nach wie vor ihre sehr (sehr!) hohe Verstärkung, die genauer gesagt als Open-Loop-Verstärkung bezeichnet wird und Werte von Tausenden oder sogar Millionen Mal (V/V) erreichen kann. Das bedeutet, dass z.B. eine Eingangspotenzialdifferenz von 1 Mikrovolt (0,000001 Volt!) je nach Verstärkertyp, individuellen Eigenschaften des Geräts und dessen Betriebsbedingungen zu einem Ausgangssignal von 1 V (d.h. einer Million Mal größer) führen kann.
Natürlich wird eine derart hohe Verstärkung in der Praxis nur selten benötigt – man findet sie hauptsächlich in hochpräzisen, teuren Laborgeräten oder medizinischen Apparaten. Normalerweise braucht man eine viel schwächere Verstärkung, z.B. das 10-fache, 100-fache oder sogar 1000-fache – um solche Parameter mit einem Operationsverstärker zu erreichen, muss man ihn in eine so genannte Rückkopplungsschleife einbinden, d.h. einen Teil des Ausgangssignals sozusagen wieder auf den Eingang zurückführen. Auf diese Weise wird der Verstärker gewissermaßen “gezähmt”. – Er arbeitet (zumindest in der Regel) genau so, wie wir es aufgrund von Berechnungen erwarten würden.
Und hier haben wir eine gute Nachricht: Die überwiegende Mehrheit der resultierenden Schaltungsparameter, die auf dem Operationsverstärker basieren, hängen fast ausschließlich von den in der Rückkopplungsschleife verwendeten Elementen ab. So reichen beispielsweise zwei geeignete Widerstände (einer zwischen Ausgang und invertierendem Eingang und der andere zwischen invertierendem Eingang und Masse) aus, um die Verstärkung der gesamten Schaltung auf einen genau definierten Wert einzustellen.
Ein weiteres wichtiges Merkmal von Operationsverstärkern ist ihr hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR – eng. Common Mode Rejection Ratio). CMRR spiegelt die Fähigkeit eines Operationsverstärkers wider, Spannungen zu dämpfen, die an beiden Verstärkereingängen in gleicher Phase auftreten, die so genannten Gleichtaktsignale. Je höher der gemeinsame Dämpfungskoeffizient ist, desto besser kommt der Operationsverstärker mit der Beseitigung von Störungen oder Offsets zurecht, und desto mehr “extrahiert” er die Differenzkomponente (d. h. die Spannung zwischen den Eingängen “+” und “-“).
Andere Parameter von Operationsverstärkern
Jeder Operationsverstärker wird durch eine Reihe von wichtigen Katalogparametern beschrieben, die seine Fähigkeiten und seine Eignung für den Einsatz in bestimmten Arten von elektronischen Schaltungen definieren. Ein Beispiel: Der Frequenzgang definiert den Frequenzbereich, in dem ein Operationsverstärker in der Lage ist, Signale mit minimaler Verzerrung zu verarbeiten. Dieser Parameter hängt stark vom jeweiligen Verstärkermodell ab und kann (in der Regel) von einigen Kilohertz bis zu mehreren hundert MHz oder sogar mehreren Gigahertz reichen. Der Genauigkeit halber sei angemerkt, dass die Bandbreite in der Regel als so genannte “Bandbreite” angegeben wird. Das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite (GBW – eng. GainBandWidth), denn je höher die Frequenz der Signale ist, desto schwächer werden sie durch den Operationsverstärker verstärkt.
Der Versorgungsspannungsbereich, in dem ein Operationsverstärker korrekt arbeitet, kann z. B. +/-5 V bis +/-15 V betragen, obwohl es auch Verstärker gibt, die bei viel niedrigeren (z. B. 1,8 V) oder höheren Spannungen (z. B. bis zu 40 V) arbeiten können. Bei tragbaren Geräten und anderen batteriebetriebenen oder wiederaufladbaren Systemen ist auch der Stromverbrauch von erheblicher Bedeutung – er kann von einem Bruchteil eines mA bis zu einigen mA reichen, aber energieeffiziente Versionen können mit einer Stromaufnahme von einigen zehn Mikroampere oder sogar weniger aus der Stromquelle arbeiten.
Die Eingangsimpedanz hingegen misst den Widerstand, den die Schaltung an ihren Eingängen den an sie angelegten Signalen entgegensetzt. Operationsverstärker haben in der Regel eine sehr hohe Eingangsimpedanz, was bedeutet, dass sie der Signalquelle nur einen geringen Strom entziehen, was die Belastung dieser Quelle minimiert und somit den Grad der Verzerrung und Dämpfung verringert. In ähnlicher Weise bestimmt die Ausgangsimpedanz den Widerstand, der vom Ausgang des Verstärkers aus gesehen wird – je niedriger, desto besser, da der Verstärker in der Lage ist, den Strom zu liefern, der erforderlich ist, um eine größere Last zu treiben, ohne die Signalamplitude zu verlieren.
Ein weiterer sehr wichtiger Parameter von Operationsverstärkern, der vor allem für Präzisionsmesssysteme von entscheidender Bedeutung ist, ist die Nicht-Gleichgewichtsspannung am Eingang. Er bezieht sich auf die kleine Potentialdifferenz zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers im Gleichgewicht. Mit anderen Worten, Ungenauigkeiten auf der Ebene der Siliziumstruktur (unvermeidlich in der Massenproduktion) führen dazu, dass der Verstärker einen bestimmten Spannungspegel zwischen den Eingängen als Kurzschluss (eine Potenzialdifferenz von Null) behandelt und folglich auf einen echten Kurzschluss der Eingänge (eine Spannung am “+”- und “-“-Eingang mit identischem Wert) so reagiert, als läge eine kleine Differenzspannung zwischen ihnen vor.
Für Audiosysteme, Messgeräte oder medizinische Instrumente ist auch das Grundrauschen von großer Bedeutung, das die Fähigkeit eines Operationsverstärkers widerspiegelt, den Rauschpegel, den er in das Ausgangssignal einbringt, niedrig zu halten. Rauschen ist ein inhärentes Phänomen elektronischer Schaltungen und kann von verschiedenen Quellen herrühren, z. B. von thermischen Schwankungen des Widerstands oder von Rauschen, das aus Phänomenen auf Quantenebene resultiert.
Auswahl eines Operationsverstärkers - Grundprinzipien
Beim Entwurf Ihrer eigenen analogen Schaltung sollten Sie alle oben beschriebenen Katalogparameter berücksichtigen, obwohl dies zweifellos viel Erfahrung und Wissen über den Entwurf und die Funktionsweise von Verstärkern, Filtern, Stromquellen, Impulsformern und vielen anderen Bereichen von Operationsverstärkeranwendungen erfordert.
Während beispielsweise bei einem System zur Verstärkung eines Signals von einem Fotowiderstand oder Fototransistor in einem einfachen mobilen Roboter (z. B. einem Licht- oder Linienverfolger) der Rauschpegel wahrscheinlich nicht sehr wichtig ist (es sei denn, wir planen den Bau eines hochempfindlichen Fahrzeugs, das unsichtbare Lichtmengen erkennen kann), ist es viel wichtiger, dass Versorgungsspannungsbereich und Schiene-zu-Schiene-Fähigkeit. Dieser Begriff bezieht sich auf die Begrenzungen, denen die Signale an den Ein- und Ausgängen eines Operationsverstärkers unterworfen sind – R-R-Verstärker sind besonders nützlich in batteriebetriebenen Schaltungen, bei denen dem Entwickler nur eine einzige (unipolare) Versorgungsspannung, z. B. 5 V, zur Verfügung steht (und nicht – wie bei vielen analogen Geräten – eine bipolare Versorgung, z. B. +/- 15 V). Eine hohe Eingangsimpedanz wird dagegen beispielsweise bei Systemen wichtig sein, die direkt mit Fotodioden arbeiten – optoelektronischen Elementen, die als Reaktion auf eine Lichtanregung einen schwachen Strom erzeugen.
