{"id":70760,"date":"2023-09-15T06:00:25","date_gmt":"2023-09-15T04:00:25","guid":{"rendered":"https:\/\/botland.com.pl\/blog\/wzmacniacz-operacyjny-co-to-jest-zastosowanie-i-rodzaje\/"},"modified":"2026-04-08T11:06:20","modified_gmt":"2026-04-08T09:06:20","slug":"operationsverstaerker-was-ist-das-anwendungen-und-typen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/botland.de\/blog\/operationsverstaerker-was-ist-das-anwendungen-und-typen\/","title":{"rendered":"Operationsverst\u00e4rker – Was ist das? Anwendungen und Typen"},"content":{"rendered":"Lesezeit<\/span> 4<\/span> min.<\/span><\/span>\t\t
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Es ist unm\u00f6glich, \u00fcber analoge Elektronik zu sprechen, ohne Operationsverst\u00e4rker zu erw\u00e4hnen. In diesem Blogbeitrag entdecken wir die Geheimnisse dieser \u00e4u\u00dferst n\u00fctzlichen integrierten Schaltungen!<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Operationsverst\u00e4rker - was ist das?<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Operationsverst\u00e4rker<\/strong><\/a>, umgangssprachlich auch Opamps<\/strong> (engl. operational amplifiers) genannt, sind \u00e4u\u00dferst wichtige “Bausteine”, auf denen der gr\u00f6\u00dfte Teil der modernen analogen Elektronik basiert. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit und hervorragenden Leistung haben sie Eingang in unz\u00e4hlige elektronische Schaltungen gefunden, die eine Vielzahl von Signalverarbeitungsoperationen durchf\u00fchren: Verst\u00e4rkung, Wechselstromgleichrichtung, Filterung, Impulsformung, Spannungs- und Stromstabilisierung, Hardware-Induktivit\u00e4tsemulation<\/strong> und vieles mehr.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Der Aufbau<\/strong> eines Operationsverst\u00e4rkers basiert auf drei Hauptelementen: Bipolar- oder Feldeffekttransistoren<\/strong> sowie Widerst\u00e4nde<\/strong> und (in viel geringerer Anzahl) Kondensatoren<\/strong>, die nat\u00fcrlich in derselben monolithischen Siliziumstruktur gefertigt werden. Ihr interner Schaltkreis besteht in der Regel aus mehreren Verst\u00e4rkerstufen<\/strong>, Stromversorgungsschaltungen<\/strong>, Temperatur- und Frequenzkompensationsschaltungen<\/strong> und anderen zus\u00e4tzlichen Komponenten<\/strong>, die z. B. ESD-\u00dcberspannungsschutzfunktionen an den Eing\u00e4ngen \u00fcbernehmen.<\/p>\n

Operationsverst\u00e4rker haben in der Regel zwei Eing\u00e4nge: einen invertierenden Eingang<\/strong> (mit “-” oder “IN-” gekennzeichnet) und einen nichtinvertierenden Eingang<\/strong> (mit “+” oder “IN+” gekennzeichnet). Das allgemeine Funktionsprinzip ist sehr einfach: Der Verst\u00e4rker “liest” die Spannung zwischen dem “+”-Eingang und der “-“-Klemme, verst\u00e4rkt dann diese (kleine) Potentialdifferenz stark und sendet dieses verarbeitete Signal an den Ausgang (mit “OUT” gekennzeichnet).<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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LM741C Operationsverst\u00e4rker (UA741C) - 5St.<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Parameter von Operationsverst\u00e4rkern und ihr Einfluss auf den Entwurf von elektronischen Schaltungen<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Das wichtigste Merkmal von Operationsverst\u00e4rkern ist nach wie vor ihre sehr (sehr!) hohe Verst\u00e4rkung, die<\/strong> genauer gesagt als Open-Loop-Verst\u00e4rkung 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 Verst\u00e4rkertyp, individuellen Eigenschaften des Ger\u00e4ts und dessen Betriebsbedingungen zu einem Ausgangssignal von 1 V (d.h. einer Million Mal gr\u00f6\u00dfer) f\u00fchren kann.<\/p>\n

Nat\u00fcrlich wird eine derart hohe Verst\u00e4rkung in der Praxis nur selten ben\u00f6tigt – man findet sie haupts\u00e4chlich in hochpr\u00e4zisen, teuren Laborger\u00e4ten<\/span> oder medizinischen Apparaten<\/span>. Normalerweise braucht man eine viel schw\u00e4chere Verst\u00e4rkung, z.B. das 10-fache, 100-fache oder sogar 1000-fache<\/span> – um solche Parameter mit einem Operationsverst\u00e4rker zu erreichen, muss man ihn in eine so genannte R\u00fcckkopplungsschleife<\/span> einbinden, d.h. einen Teil des Ausgangssignals sozusagen wieder auf den Eingang zur\u00fcckf\u00fchren. Auf diese Weise wird der Verst\u00e4rker gewisserma\u00dfen “gez\u00e4hmt”. – Er arbeitet (zumindest in der Regel) genau so, wie wir es aufgrund von Berechnungen erwarten w\u00fcrden. <\/p>\n

Und hier haben wir eine gute Nachricht: Die \u00fcberwiegende Mehrheit der resultierenden Schaltungsparameter, die auf dem Operationsverst\u00e4rker basieren, h\u00e4ngen fast ausschlie\u00dflich von den in der R\u00fcckkopplungsschleife verwendeten Elementen ab. So reichen beispielsweise zwei geeignete Widerst\u00e4nde (einer zwischen Ausgang und invertierendem Eingang und der andere zwischen invertierendem Eingang und Masse) aus, um die Verst\u00e4rkung der gesamten Schaltung auf einen genau definierten Wert einzustellen.<\/p>\n

Ein weiteres wichtiges Merkmal von Operationsverst\u00e4rkern ist ihr hohes Gleichtaktunterdr\u00fcckungsverh\u00e4ltnis<\/span> (CMRR – eng. Common Mode Rejection Ratio). CMRR spiegelt die F\u00e4higkeit eines Operationsverst\u00e4rkers wider, Spannungen zu d\u00e4mpfen, die an beiden Verst\u00e4rkereing\u00e4ngen in gleicher Phase auftreten, die so genannten Gleichtaktsignale. Je h\u00f6her der gemeinsame D\u00e4mpfungskoeffizient ist, desto besser kommt der Operationsverst\u00e4rker mit der Beseitigung von St\u00f6rungen oder Offsets zurecht, und desto mehr “extrahiert” er die Differenzkomponente (d. h. die Spannung zwischen den Eing\u00e4ngen “+” und “-“).<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Andere Parameter von Operationsverst\u00e4rkern<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Jeder Operationsverst\u00e4rker wird durch eine Reihe von wichtigen Katalogparametern beschrieben, die seine F\u00e4higkeiten und seine Eignung f\u00fcr den Einsatz in bestimmten Arten von elektronischen Schaltungen definieren. Ein Beispiel: Der Frequenzgang<\/strong> definiert den Frequenzbereich, in dem ein Operationsverst\u00e4rker in der Lage ist, Signale mit minimaler Verzerrung zu verarbeiten. Dieser Parameter h\u00e4ngt stark vom jeweiligen Verst\u00e4rkermodell 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 Verst\u00e4rkung und Bandbreite (GBW – eng. GainBandWidth), denn je h\u00f6her die Frequenz der Signale ist, desto schw\u00e4cher werden sie durch den Operationsverst\u00e4rker verst\u00e4rkt.<\/p>\n

Der Versorgungsspannungsbereich<\/strong>, in dem ein Operationsverst\u00e4rker korrekt arbeitet, kann z. B. +\/-5 V bis +\/-15 V betragen, obwohl es auch Verst\u00e4rker gibt, die bei viel niedrigeren (z. B. 1,8 V) oder h\u00f6heren Spannungen (z. B. bis zu 40 V) arbeiten k\u00f6nnen. Bei tragbaren Ger\u00e4ten 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 k\u00f6nnen mit einer Stromaufnahme von einigen zehn Mikroampere oder sogar weniger aus der Stromquelle arbeiten.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Die Eingangsimpedanz<\/strong> hingegen misst den Widerstand<\/strong>, den die Schaltung an ihren Eing\u00e4ngen den an sie angelegten Signalen entgegensetzt. Operationsverst\u00e4rker 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 D\u00e4mpfung verringert. In \u00e4hnlicher Weise bestimmt die Ausgangsimpedanz den Widerstand, der vom Ausgang des Verst\u00e4rkers aus gesehen wird – je niedriger, desto besser, da der Verst\u00e4rker in der Lage ist, den Strom zu liefern, der erforderlich ist, um eine gr\u00f6\u00dfere Last zu treiben, ohne die Signalamplitude zu verlieren.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Ein weiterer sehr wichtiger Parameter von Operationsverst\u00e4rkern, der vor allem f\u00fcr Pr\u00e4zisionsmesssysteme von entscheidender Bedeutung ist, ist die Nicht-Gleichgewichtsspannung am Eingang<\/strong>. Er bezieht sich auf die kleine Potentialdifferenz zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverst\u00e4rkers im Gleichgewicht. Mit anderen Worten, Ungenauigkeiten auf der Ebene der Siliziumstruktur (unvermeidlich in der Massenproduktion) f\u00fchren dazu, dass der Verst\u00e4rker einen bestimmten Spannungspegel zwischen den Eing\u00e4ngen als Kurzschluss (eine Potenzialdifferenz von Null) behandelt und folglich auf einen echten Kurzschluss der Eing\u00e4nge (eine Spannung am “+”- und “-“-Eingang mit identischem Wert) so reagiert, als l\u00e4ge eine kleine Differenzspannung zwischen ihnen vor.<\/p>\n

F\u00fcr Audiosysteme, Messger\u00e4te oder medizinische Instrumente ist auch das Grundrauschen<\/strong> von gro\u00dfer Bedeutung, das die F\u00e4higkeit eines Operationsverst\u00e4rkers widerspiegelt, den Rauschpegel, den er in das Ausgangssignal einbringt, niedrig zu halten. Rauschen ist ein inh\u00e4rentes Ph\u00e4nomen elektronischer Schaltungen und kann von verschiedenen Quellen herr\u00fchren, z. B. von thermischen Schwankungen des Widerstands oder von Rauschen, das aus Ph\u00e4nomenen auf Quantenebene resultiert.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Auswahl eines Operationsverst\u00e4rkers - Grundprinzipien<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Beim Entwurf Ihrer eigenen analogen Schaltung sollten Sie alle oben beschriebenen Katalogparameter ber\u00fccksichtigen, obwohl dies zweifellos viel Erfahrung und Wissen \u00fcber den Entwurf und die Funktionsweise von Verst\u00e4rkern, Filtern, Stromquellen, Impulsformern und vielen anderen Bereichen von Operationsverst\u00e4rkeranwendungen erfordert.<\/p>\n

W\u00e4hrend beispielsweise bei einem System zur Verst\u00e4rkung 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<\/strong> und Schiene-zu-Schiene-F\u00e4higkeit<\/strong>. Dieser Begriff bezieht sich auf die Begrenzungen, denen die Signale an den Ein- und Ausg\u00e4ngen eines Operationsverst\u00e4rkers unterworfen sind – R-R-Verst\u00e4rker sind besonders n\u00fctzlich in batteriebetriebenen Schaltungen, bei denen dem Entwickler nur eine einzige (unipolare) Versorgungsspannung, z. B. 5 V, zur Verf\u00fcgung steht (und nicht – wie bei vielen analogen Ger\u00e4ten – 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.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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