Operationsverstärker verstehen und anwenden

Alles über die Funktionsweise von Opv und spezifische Anwendungen

Richtig eingesetzt, können Operationsverstärker, kurz: OP OpAmp (engl. operational amplifier) Signale effizient bearbeiten oder auswerten und sogar Rechenoperationen ausführen. Auch gerade im Zuge der Digitalisierung sind Operationsverstärker gefragt, weil sie zum Beispiel Sensorsignale verstärken. Als solche Sensoranwendungen haben Sie allerdings hohe Anforderungen, die wir Ihnen in diesem Ratgeber erläutern.

Was ist ein Operationsverstärker (Opv)?

Ein Operationsverstärker ist eine aktive Komponente mit sehr hoher Verstärkung, dank derer verschiedene Eingangssignale bearbeitet werden können. Dadurch ergibt sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, von der Telekommunikations- bis zur Sensortechnik. In der Regel verfügen Operationsverstärker über fünf Anschlüsse: drei für die Spannungsversorgung sowie zwei Eingänge und ein Ausgang.

Operationsverstärker wurden in den 1930er Jahren als Operationsverstärkerschaltungen zunächst als Röhrenverstärkerschaltung mit diskreten Bauelementen entwickelt. Später kamen sie als Transistorschaltung in Analogrechnern zum Einsatz. Im Gegensatz zu den relativ langsamen Computern der 60er und 70er Jahre konnten OPs elektrische Eingangssignale in Echtzeit verarbeiten.

Heute liegt die Bedeutung hauptsächlich im Bereich der Bearbeitung oder Verknüpfung elektrischer Signale. Operationsverstärker werden deshalb als ICs (Integrierter Schaltkreis) für die Bestückung auf Leiterplatten im DIL-Gehäuse (Dual-In-Line) oder als SMD-Baustein (Surface-Mounted-Device) gefertigt.

Weitere gängige Abkürzungen für Operationsverstärker sind: OP, OpVer, OV, OA, OPA oder OpAmp (engl. operational amplifier)

Abbildung zeigt Operationsverstärker von Texas Instruments

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Wie funktioniert ein Operationsverstärker?

Generell verwendet man Operationsverstärker für Elektronik-Schaltungen, wo sie, im Zusammenspiel mit Widerständen und anderen Bauteilen, verschiedene Funktionen erfüllen können:

Zum Verstärken von Signalen
Um Signale zu integrieren oder zu schalten
Um Spannungen zu addieren
Um Spannungen zu subtrahieren: (5V - 4V = 1V)

Opv beherrschen gängige Rechenoperationen wie Invertieren, Multiplizieren, Addieren, Subtrahieren usw. Erreicht wird dies durch die Beschaltung mit einem Netzwerk aus Widerständen, Kondensatoren oder auch Dioden. Alle Schaltungsvarianten basieren auf den beiden folgenden Verstärker-Grundschaltungen zur Multiplikation mit einem Faktor, der sich aus dem Verhältnis der Widerstände (Spannungsteiler-Formel) ergibt.

Als integrierter Schaltkreis (engl. integrated circuit, kurz IC) ist der Operationsverstärker ein Bauteil mit einer fast unendlich grossen Verstärkung. Das Schaltzeichen zeigt zwei Signaleingänge (+ Eingang) und (- Eingang) sowie einen Signalausgang. Seine Verstärkung (gain) ist idealerweise unendlich (∞) gross. Die immer notwendigen Anschlüsse zur Spannungsversorgung werden oft nicht dargestellt.

Die eigentliche Rechen- oder Bearbeitungsfunktion ergibt sich aus der äusseren Beschaltung, mit Widerständen, Kondensatoren oder Dioden. Heute sind OPs als universell einsetzbare integrierte Bauelemente (z.B. μA741) am Markt.

Wie funktioniert ein Operationsverstärker als integrierter Schaltkreis?

Als integrierter Schaltkreis (engl. integrated circuit, kurz IC) ist der Operationsverstärker ein Bauteil mit einer fast unendlich grossen Verstärkung. Das Schaltzeichen zeigt zwei Signaleingänge (+ Eingang) und (- Eingang) sowie einen Signalausgang. Seine Verstärkung (gain) ist idealerweise unendlich (∞) gross. Die immer notwendigen Anschlüsse zur Spannungsversorgung werden oft nicht dargestellt.

Die eigentliche Rechen- oder Bearbeitungsfunktion ergibt sich aus der äusseren Beschaltung, mit Widerständen, Kondensatoren oder Dioden.

Heute sind OPs als universell einsetzbare integrierte Bauelemente (z.B. μA741) am Markt.

Unterschiedliche Schreibweisen und englische Begriffe

Noch heute werden sowohl deutsche als auch viele englische Begriffe benutzt, um den Operationsverstärker und Schaltungen zu bezeichnen. Opv, Op, Ov sind beispielsweise Abkürzungen des deutschen Begriffs Operationsverstärker; Op amp die englische für operational amplifier. Weitere englische Begrifflichkeiten haben wir in der untenstehenden Tabelle zusammengefasst:

**Liste englischer Begriffe für Operationsverstärker und Opv-Schaltungen**
amplifier	Verstärker
bandwidth	Bandweite
circuit	Schaltung
component	Bauteil
difference	Differenz
equation	Gleichung
gain	Verstärkung
infinite	unendlich
method of operation	Wirkungsweise
open-ciruit	Leerlauf
operational	betriebsbereit
voltage	Spannung

Gut zu wissen!

Schaltplansymbole für Operationsverstärker

In der Elektrotechnik sind zwei Schaltzeichen für Opv im Umlauf: das altbewährte, das ein Dreieck zeigt und das aktuelle in Form eines Rechtecks. Beide Schaltzeichen zeigen die beiden Ein- und Ausgänge und veranschaulichen den Schaltprozess. Variationen in der Darstellung sind prinzipiell möglich und noch heute ist das alte Schaltplansymbol geläufig.

Wo werden Opv überall angewendet?

Kaum ein Technikbereich ist von Operationsverstärkern und Operationsverstärkerschaltungen nicht betroffen. Man findet die Schaltungen dort überall, wo Signale verstärkt bzw. verarbeitet werden sollen.

Beispiele sind:

Steuerungstechnik (Leistungsverstärker als Stellglied für Motoren)
analoge Regelungstechnik (analoge Regelschaltung, PID-Regler)
Audiotechnik (rauscharme Mikrofonverstärker, mehrstufige Vorverstärker und Endstufen)
Messtechnik (Konstantstromquelle zur Temperaturkompensation)
Sensortechnik (Strom-Spannungswandler für verlustfreie Signalübertragung)

Opv erweisen sich vor allem als äusserst kostengünstige Komponente zur Signalverstärkung sowohl in der Industrie als auch in Audioanwendungen im High-End-Bereich. Sie können daher in hohen Stückzahlen bezogen werden.

Was ist ein "idealer Operationsverstärker"?

In Berechnungen werden Opvs mit unendlicher Verstärkung angegeben. In realen Anwendungen stossen diese Komponenten jedoch an physikalische Grenzen. Der ideale Operationsverstärker existiert somit nur auf dem Papier.

In der Praxis können dennoch hohe Verstärkungswerte erzielt werden. Die Einschränkungen der Verstärkung mit offenem Regelkreis werden von der Menge an Leistung vorgegeben, die das Gerät letztlich erhält. In den meisten Fällen liegt dies in etwa 1 V unterhalb der Leistung, die dem Gerät zur Verfügung gestellt wird.

Ein weiteres Merkmal eines idealen Operationsverstärkers ist die unendlich hohe Eingangsimpedanz, also dem Widerstand für den Strom an den beiden Eingangsklemmen. Theoretisch bedeutet dies, dass letztendlich kein Strom durch das Gerät hindurch fliessen kann. Doch auch dies wäre in der Praxis nicht möglich, da bei jedem Operationsverstärker ein gewisses Mass an Leckstrom durch die Eingänge tritt, auch wenn dieser nur gering ist. Dasselbe gilt im Übrigen auch für die Ausgangsspannung, an der ebenfalls immer ein Mindestmass an Widerstand vorherrscht.

In Schaltungen mit Wechselstrom ist oftmals von einer sogenannten Bandbreite die Rede: Bei einem Operationsverstärker gibt diese Grösse an, mit welchen Frequenzen das Gerät letztlich arbeiten kann. Bei einem idealen Operationsverstärker wäre die Bandbreite unendlich, während ein tatsächlicher Opv immer noch innerhalb einer gewissen Frequenz arbeitet.

Der sogenannte Spannungsversatz beschreibt den Output des Geräts, wenn an beiden Eingängen eine gleich hohe Spannung anliegt. Bei einer idealen Komponente wäre dies gleich Null. Tatsächlich gibt ein Operationsverstärker jedoch immer ein gewisses Mass an Spannung weiter. Dies ist sogar dann der Fall, wenn beide Anschlussklemmen geerdet sind.

Ein weiterer Punkt ist die Anstiegsgeschwindigkeit. Auch hier erreicht der Opv irgendwann einen physikalischen Grenzwert, ab dem sich die Änderungsrate des Ausgangssignals nicht mehr ändert. Eine Änderung des Eingangssignals würde in diesem Falle zu keinerlei Änderung des Ausgangssignals mehr führen. Diese Grösse wird in Spannung pro Zeit angegeben und reicht von weniger als 1 V pro Mikrosekunde bis hin zu 13.000 V pro Mikrosekunde.

Operationsverstärker in der Audiotechnik

Operationsverstärker existieren in zahlreichen Ausführungen, die jeweils für spezielle Aufgaben taugen, etwa für den Audiobereich. Dort sind Opv wichtige Bauteile, die bei geringem Platzbedarf und auf preiseffiziente Weise eine hohe Klangqualität ermöglichen. Vor allem zeichnen sie sich durch eine rauscharme Verstärkung aus. Audio-Operationsverstärker besitzen zudem eine geringe Ausgleichsspannung und weisen eine hohe Frequenz-Bandbreite auf.

Audio-Operationsverstärker kaufen

Was gibt es beim Kauf zu beachten?

Da es den idealen Operationsverstärker so nicht gibt, gilt es bei der Auswahl des Opv einige Punkte zu beachten. So können beispielsweise die Leistungsdaten eines Operationsverstärkers mit Temperaturschwankungen variieren. Daher geben Hersteller immer auch die minimale und maximale Betriebstemperatur an. Auf diese Weise können Sie sichergehen, dass der Verstärker für die vorgesehene Umgebung ohne Leistungseinbussen eingesetzt werden kann.

Obwohl Opv-Signale generell rauscharm sind, erzeugen sie aufgrund der elektrischen Spannung zumindest noch gewisse Störgeräusche. Dieses entsteht durch die oben erwähnte Versatzspannung und macht sich vor allem dann bemerkbar, wenn kein Signal eingeführt wird. Je nach Nutzung, beispielsweise wenn ein Signal in besonders hohem Masse verstärkt werden soll oder wenn dieses Signal eine ausgesprochen hohe Bandbreite aufweist, können sich solche Störgeräusche massgebliche auf den Betrieb auswirken. Daher sollten Sie diesen Faktor unbedingt mitberücksichtigen.

Erhältlich sind diese Komponenten in Ausführungen zur Durchsteckmontage sowie mit unterschiedlichen Pin-Anzahlen von fünf bis hin zu mehr als 40. Operationsverstärker können zudem mit 1 bis 4 verschiedenen Kanälen und unterschiedlichen Ausgängen bezogen werden, darunter CMOS, Strom, Differenzial, NPN, Rail-to-Rail und viele mehr.