Operationsverstärker

Abgekürzt OpAmp oder noch kürzer OP. Ein integrierter Schaltkreis* mit zwei Eingängen und einem Ausgang. Das folgende Bild zeigt das Symbol eines OPs. Zu seiner Funktion benötigt er eine Betriebsspannung, deren Anschlüsse hier mit +Ub und -Ub bezeichnet wurden. Ein einzelner OP hat also mindestens 5 beschaltete Anschlüsse. 

Der nicht invertierende Eingang ist mit einem Pluszeichen kenntlich gemacht, der invertierende mit einem Minuszeichen. Wenn die Spannung am “Plus-Eingang” positiver wird, wird sie auch am Ausgang positiver. Wird jedoch der invertierende Eingang positiver, wird der Ausgang negativer (und umgekehrt).

Operationsverstärker haben prinzipiell die Eigenschaft eines Differenzverstärkers*.

Nachfolgend das Innenleben eines OPs vom Typ LT1490, wie er u.a. beim “vk1” verwendet wird. Die beiden Eingänge, der Ausgang und die Anschlüsse für die Betriebsspannung sind als Kästchen dargestellt. Der OP enthält zusätzliche Bauteile, die die Eingänge vor Überspannung schützen, einen konstanten Strom durch die Differenzverstärker gewährleisten und für einen niederohmigen Ausgang sorgen. 

Im Gehäuse des LT1490 sind zwei dieser OPs untergebracht. Da die Anschlüsse für die Betriebsspannung nur einmal gebraucht werden, kommt man mit 8 Anschlussbeinen aus.

Differenzverstärker heißen so, weil nur eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen verstärkt wird. Wenn beide Eingänge dasselbe Potential haben, ist der Ausgang theoretisch Null. Theoretisch deshalb, weil es sich dabei um einen Idealzustand handelt, der bei der Produktion kaum erreichbar ist. Kleine Abweichungen nennt man “Offset”. Die Ausgangsspannung des OPs bezieht sich auf ein Masseptotential, das vom Entwickler frei festgelegt werden kann und im Regelfall der halben Betriebsspannung entspricht, weil so die Ausgangsspannung nach beiden Seiten gleich weit schwanken kann. Bei einem Unterschied zwischen den beiden Eingängen von wenigen Millivolt, (bei sehr hoher Verstärkung sogar nur Mikrovolt), reagiert der Ausgang gelegentlich schon bis zu seinem Maximum.   

Nachfolgend ein kleines Beispiel (ohne Berücksichtigung des Offsets). Die Widerstände R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler und sorgen am invertierenden Eingang für ein Potential von 0 Volt. Über R3 wird der nicht invertierende Eingang ebenfalls auf 0 Volt eingestellt, so dass auch der Ausgang 0 Volt aufweist. Wird an C1 eine Wechselspannung angelegt, so wird sie der über R3 bereitgestellten Gleichspannung überlagert und durch den OP symmetrisch verstärkt. (Da R3 sehr hochohmig ist, ist die Wirkung der Wechselspannung auf den invertierenden Eingang vernachlässigbar.) 

Die Amplitude der Ausgangsspannung kann bei einem geeigneten OP bis an die positive und negative Betriebsspannung heranreichen. Man spricht dann von einem “Rail-to-Rail-OP”.

Wenn man bei dieser Schaltung die beiden Eingänge des OPs vertauscht, wird das Ausgangssignal an der gedachten horizontalen Nulllinie gespiegelt (invertiert). 

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