Die 10 grundlegenden Schaltungen mit Operationsverstärkern

Operationsverstärker (Op-Amps) sind lineare Bauelemente, die alle für eine nahezu ideale Gleichstromverstärkung erforderlichen Eigenschaften besitzen. Sie werden daher in großem Umfang zur Signalaufbereitung oder -filterung oder zur Durchführung mathematischer Operationen wie Addition, Subtraktion, Integrieren und Differenzieren eingesetzt. Dieser Artikel soll Einsteigern in die Welt der Elektronik 10 grundlegende Schaltungen vorstellen und in eingerosteten Köpfen von Ingenieuren für frischen Wind sorgen.

1. Spannungsfolger

Die einfachste Schaltung ist der Spannungspuffer, da für ihn keine externen Komponenten benötigt werden. Da der Spannungsausgang gleich dem Spannungseingang ist, wird oft die Frage aufgeworfen, ob diese Art von Schaltung überhaupt eine praktische Anwendung hat.

Diese Schaltung ermöglicht die Erzeugung einer sehr hohen Eingangsimpedanz und einer sehr niedrigen Ausgangsimpedanz. Dies ist nützlich, um Logikpegel zwischen zwei Komponenten zu verbinden oder wenn ein Netzteil auf einem Spannungsteiler basiert. Die folgende Abbildung basiert auf einem Spannungsteiler, und die Schaltung kann nicht funktionieren. Tatsächlich kann die Lastimpedanz große Schwankungen aufweisen, sodass sich die Spannung V_out drastisch ändern kann, vor allem wenn die Lastimpedanz einen Wert von der gleichen Größe wie R2 hat.

Um dieses Problem zu lösen, wird zwischen der Last und dem Spannungsteiler ein Verstärker eingesetzt (siehe Abbildung unten). V_out ist also abhängig von R1 und R2 und nicht vom Lastwert.

Das primäre Ziel eines Operationsverstärkers ist es, wie sein Name schon sagt, ein Signal zu verstärken. So muss beispielsweise der Ausgang eines Sensors verstärkt werden, damit der A/D-W dieses Signal messen kann.

2. Invertierender Operationsverstärker

In dieser Konfiguration wird der Ausgang über einen Widerstand (R2) zum negativen oder invertierenden Eingang zurückgeführt. Das Eingangssignal wird über einen Widerstand (R1) an diesen invertierenden Pol angelegt.

Der Pluspol ist geerdet.

Dies zeigt sich in dem speziellen Fall, in dem R1 und R2 gleich sind. Diese Konfiguration ermöglicht die Erzeugung eines zum Eingang komplementären Signals, da der Ausgang genau das Gegenteil des Eingangssignals ist.

Aufgrund des negativen Vorzeichens sind die Ausgangs- und Eingangssignale phasenverschoben. Müssen beide Signale in Phase sein, wird ein nicht-invertierender Verstärker verwendet.

3. Nicht-invertierender Operationsverstärker

Diese Konfiguration ist dem invertierenden Operationsverstärker sehr ähnlich. Bei der nicht-invertierenden Variante wird die Eingangsspannung direkt an den nicht-invertierenden Pol angelegt und das Ende der Feedbackschleife wird geerdet.

Diese Konfigurationen ermöglichen die Verstärkung eines Signals. Durch den Einsatz von Summierverstärkern ist es möglich, mehrere Signale zu verstärken.

4. Nicht-invertierender Summierverstärker

Um 2 Spannungen zu addieren, können nur 2 Widerstände am Pluspol der nicht-invertierenden Operationsverstärkerschaltung angeschlossen werden.

Allerdings ist das Hinzufügen mehrerer Spannungen keine sehr flexible Lösung. Wird eine dritte Spannung mit genau den gleichen Widerständen addiert, ergibt sich die Formel V_s = 2/3 (V₁ + V₂ + V₃).

Die Widerstände müssten geändert werden, um V_s = V₁ + V₂ + V₃, zu erhalten. Alternativ kann ein invertierender Summierverstärker verwendet werden.

5. Invertierender Summierverstärker

Durch Parallelschaltung von Widerständen am invertierenden Eingangspol der invertierenden Operationsverstärkerschaltung werden alle Spannungen summiert.

Im Gegensatz zum nicht-invertierenden Summierverstärker können beliebig viele Spannungen addiert werden, ohne die Widerstandswerte zu verändern.

6. Differenzverstärker

Der invertierende Operationsverstärker (siehe Schaltung Nr. 2) hat eine Spannung verstärkt, die an den invertierenden Pol geschaltet wurde, und die Ausgangsspannung war phasenverschoben. Der nicht-invertierende Pol ist bei dieser Konfiguration geerdet.

Wird die obige Schaltung modifiziert, indem über einen Spannungsteiler eine Spannung an den nicht-invertierenden Pol angelegt wird, erhält man einen wie nachstehend dargestellten Differenzverstärker.

Ein Verstärker ist nicht nur nützlich, weil man damit Spannungen addieren, subtrahieren oder vergleichen kann. Viele Schaltungen erlauben es, Signale zu verändern. Sehen wir uns die einfachsten an.

7. Integrierschaltkreis

Eine Rechteckwelle lässt sich sehr einfach erzeugen, indem man z. B. einen GPIO eines Mikrocontrollers umschaltet. Wird für eine Schaltung eine Dreieckswellenform benötigt, lässt sich diese gut durch die Integration eines Rechtecksignals erreichen. Mit einem Operationsverstärker, einem Kondensator auf dem invertierenden Rückkopplungspfad und einem Widerstand auf dem invertierenden Eingangspol, wie unten gezeigt, kann das Eingangssignal integriert werden.

Häufig wird ein Widerstand parallel zum Kondensator geschaltet, um Sättigungsprobleme zu vermeiden. Ist das Eingangssignal eine sehr niederfrequente Sinuswelle, wirkt der Kondensator tatsächlich wie ein offener Stromkreis und blockiert die Rückkopplungsspannung. Der Verstärker ist dann wie ein normaler Open-Loop-Verstärker mit sehr hoher Open-Loop-Verstärkung, und der Verstärker ist gesättigt. Dank eines parallel zum Kondensator geschalteten Widerstands verhält sich die Schaltung wie ein invertierender Verstärker mit niedriger Frequenz, und eine Sättigung wird vermieden.

8. Differentiatorverstärker

Der Differentiator arbeitet ähnlich wie der Integrator, indem er den Kondensator und den Widerstand vertauscht.

Alle bisher vorgestellten Konfigurationen.

9. Strom-Spannungs-Wandler

Ein Photodetektor wandelt Licht in Strom um. Soll der Strom in eine Spannung umgewandelt werden, kann mit einer einfachen Schaltung bestehend aus einem Operationsverstärker, einer Rückkopplungsschleife über einen Widerstand auf der nicht invertierenden Seite und einer Diode zwischen den beiden Eingangspolen eine Ausgangsspannung erzeugt werden, die proportional zum von der Fotodiode erzeugten Strom ist. Dies wird an den Lichteigenschaften erkennbar.

Die obige Schaltung wendet das Ohm'sche Gesetz mit der folgenden Grundformel an: Spannung ist gleich dem Widerstand multipliziert mit Strom. Der Widerstand wird in Ohm angegeben und ist immer positiv. Dank der Operationsverstärker kann jedoch auch ein negativer Widerstand konstruiert werden!

10. Negativer Widerstand

Eine Rückführung zum invertierenden Pol zwingt die Ausgangsspannung auf das Doppelte der Eingangsspannung. Da die Ausgangsspannung immer höher ist als die Eingangsspannung, simuliert die positive Rückkopplung über den R1-Widerstand am nicht-invertierenden Pol einen negativen Widerstand.

Schließlich verändert eine Schaltung mit Operationsverstärker nicht unbedingt das Eingangssignal, sondern zeichnet es wie der Peak-Detektor-Verstärker auf.

Auch: Peak-Detektor-Operationsverstärker

Der Kondensator dient als Speicher. Wenn die Eingangsspannung am nicht-invertierenden Eingang höher ist als die Spannung am invertierenden Eingang, die auch die Spannung am Kondensator ist, geht der Verstärker in Sättigung und die Diode wird leitend und lädt den Kondensator auf. Unter der Annahme, dass der Kondensator keine schnelle Selbstentladung hat, wird die Diode blockiert, wenn die Eingangsspannung VE niedriger ist als die Spannung am Kondensator. Somit wird die Spitzenspannung dank des Kondensators aufgezeichnet.

Es gibt noch viele weitere Schaltungen mit Operationsverstärkern. Wenn Sie jedoch diese 10 grundlegenden Schaltungen verstehen, können Sie problemlos komplexere Schaltungen analysieren.