Informations- und Kommunikationstechnik

Nicht invertierender Operationsverstärker

Jeder Operationsverstärker OPV hat einen invertierenden E− und einen nicht invertierenden E+ Eingang. Liegt am gegengekoppelten OPV das Eingangssignal am E+ Eingang so entsteht am Ausgang ein gleichphasiges verstärktes Signal. Mit der Phasenlage 0° wird diese Schaltungsvariante als nicht invertierend bezeichnet. Mit der Ansteuerung am E+ Eingang wird wie beim invertierenden OPV ein Teil der Ausgangsspannung über einen Spannungsteiler an den E− Eingang zurückgekoppelt. Die Schaltung verfügt über die folgenden Eigenschaften:

Nichtinvertierender OPV mit Verstärkungsformel

Die Eingangsströme in den OPV sind vernachlässigbar klein.
Die an E− zurückgekoppelte Spannung wird mit Leerlaufverstärkung verstärkt.
Die Eingangsdifferenzspannung ist im nicht übersteuerten Arbeitsbereich vernachlässigbar klein.

Mit positiver Eingangsspannung an E+ wird die Ausgangsspannung ebenfalls positiv. Über den Widerstandsteiler gelangt ein Teil als UE− an den invertierenden Eingang. Diese Spannung wird verstärkt, invertiert und verringert die Ausgangsspannung. Der Vorgang wird so lange durchlaufen, bis im eingeschwungenen Zustand die Differenzspannung am OPV ≈ 0 V beträgt.


Betriebsverstärkung

Die erreichbare Verstärkung ist wie beim Invertierer in weiten Grenzen unabhängig von der Leerlaufverstärkung und wird vom Widerstandsverhältnis der äußeren Schaltung bestimmt. Ist das Widerstandsverhältnis R2 / R1 > 10 so kann in guter Näherung mit VU ≈ R2 / R1 gerechnet werden. Der kleinste Wert der Spannungsverstärkung ist VU = 1 kann nicht unterschritten werden.

Eingangswiderstand

Mit den vernachlässigbar kleinen Eingangsströmen lässt sich der im OPV-Datenblatt ausgewiesene sehr hohe Eingangswiderstand erklären. Für einen OPV mit Eingangstransistoren liegen die Werte zwischen 0,5 ... 3 MΩ. Mit Feldeffekttransistoren FET im Eingang sind Werte von 10 MΩ bis 1 TΩ möglich. Solange R1 + R2 » RA0 eingehalten ist, folgt für den Eingangswiderstand Rein ≈ RE0 · VU0 / VU. Darin sind RE0 der Eingangswiderstand des nicht beschalteten OPVs und VU0 seine Leerlaufverstärkung. Bei der Betriebsverstärkung 1 hat die Schaltung ihren größten Eingangswiderstand.

Ausgangswiderstand

Für den nicht invertierenden OPV gelten die gleichen Überlegungen wie für den invertierenden OPV. Der Ausgangswiderstand des Umkehrverstärkers ist bei Belastung kleiner als im Leerlauf. Raus = RA0 · VU / VU0 darin sind RA0 der Ausgangswiderstand des nicht beschalteten OPVs und VU0 seine Leerlaufverstärkung.

Impedanzwandler

Impedanzwandler

Die eingangs gezeigte Schaltung lässt einen Sonderfall zu. Der Spannungsteiler in der Rückkopplung entfällt und wird durch eine direkte Verbindung vom Ausgang auf den N-Eingang ersetzt. Die Verstärkung beträgt dann VU = 1. Der Eingangswiderstand ist extrem groß und der Ausgangswiderstand vernachlässigbar klein. Dieser Schaltungstyp wird Impedanzwandler, Elektrometerverstärker oder Spannungsfolger genannt. Die Ausgangsspannung ist gleich der Eingangsspannung. Beide Signale sind zueinander phasengleich.

An einem Rechenbeispiel zeigen sich die extremen Eigenschaften des Impedanzwandlers. Ein OPV hat nach dem Datenblatt die Leerlaufverstärkung VU0 = 100 dB oder 100000-fach, einen Eingangswiderstand RE = 2 MΩ sowie einen Ausgangswiderstand RA0 = 75 Ω. Für die Betriebsverstärkung VU = 1 errechnen sich Eingangs- und Ausgangswiderstand dann zu:

Ein-/Ausgangswiderstand eines Impedanzwandlers

Anwendungsbeispiele

Die Leerlaufspannung einer Signalquelle mit sehr hohem Innenwiderstand, beispielsweise die eines Kondensatormikrofons, kann mit einem OPV in Impedanzwandlerschaltung verlustfrei genutzt werden. In einer anderen Anwendung stellt ein Impedanzwandler mit einer Z-Diode am E+ Eingang eine sehr niederohmige und damit belastungsunabhängige Referenzspannungsquelle dar.

Mit dem Impedanzwandler oder Spannungsfolger sind Ladungsmessungen am Kondensator möglich. Die Ladung errechnet sich aus der verlustlosen Messung der Kondensatorspannung bei Kenntnis der Kapazität Q = C · UC = C · Ua. Die Ausgangsspannung des Impedanzwandlers kann problemlos mit einem Voltmeter gemessen werden. Der für diese Messung zu geringe Innenwiderstand des Messgeräts würde sonst zur kontinuierlichen Entladung des Kondensators und falsche Ergebnisse führen.

Impedanzwandlerschaltungen findet ihre Anwendung in Elektrometerverstärkern. Mit ihnen werden im biomedizinischen Bereich EKG (Elektrokardiogramm), EMG (Elektromyogramm) und EEG (Elektroenzephalogramm) Herz-, Muskel- und Gehirnstromaktivitäten ausgewertet.