Informations- und Kommunikationstechnik

Operationsverstärker

Ein Operationsverstärker ist eine vielseitig einsetzbare integrierte Schaltung mit sehr hoher Leerlaufverstärkung. Mit wenigen Bauteilen in der externen Schaltung entstehen in einfacher Weise viele unterschiedliche elektronische Anwendungen. Der Rechenaufwand zur Dimensionierung der Schaltung verglichen mit separat aufgebauten Transistorschaltungen ist leichter und übersichtlicher. Nach den allgemeinen Eigenschaften werden die wichtigsten Kennwerte der OPVs eingehender beschrieben.

Ein Operationsverstärker oder OPV als integrierte Baugruppe IC hat allgemein zwei Anschlüsse für eine symmetrische Versorgung mit Betriebsspannung, zwei Signaleingänge, einen Signalausgang und einen Massepin. Die Eingänge sind Teil einer schon beschriebenen Differenzverstärkerstufe. Es handelt sich um den nicht invertierenden E+ oder P-Eingang sowie den invertierenden E− oder N-Eingang. Die invertierende Eigenschaft bezieht sich auf die Phasenlage des Ausgangssignals relativ zum Eingangssignal. Um das Ausgangssignal, anders als beim Differenzverstärker auf Masse- oder Null-Potenzial zu beziehen, hat der OPV weitere Verstärkerstufen integriert.

Die interne Schaltung weist eine direkte DC-Kopplung zwischen den Schaltungsblöcken auf. Mit einem OPV lassen sich Gleich- und Wechselsignale verstärken. Oftmals ist die Ausgangsschaltung als Serien-Gegentaktstufe ausgeführt. Sie gewährleistet eine sehr niederohmige Ausgangsimpedanz. Die Betriebsspannung eines OPVs ist meistens eine symmetrische gleichgroße positive und negative Gleichspannung. Zur besseren Übersichtlichkeit werden im Symbolschaltbild und in Schaltungen die Anschlüsse der DC-Betriebsspannungen nicht dargestellt.

Wie aus der Tabelle zu ersehen ist, entspricht ein realer Operationsverstärker recht gut den Eigenschaften eines idealen OPVs. Die Bandbreite eines realen OPVs ist von der Betriebsverstärkung Vu abhängig.

Eigenschaft idealer OPV realer OPV
Leerlaufverstärkung V0 = ∞ V0 = 104 ... 106
Eingangsimpedanz re = ∞ Ω re = 106 ... 1014 Ω
Ausgangsimpedanz ra = 0 Ω ra = 30 ... 100 Ω
Bandbreite B = ∞ B <= 100 MHz

Fast alle OPV-Schaltungen werden wegen ihrer sehr hohen Leerlaufverstärkung mit Gegenkopplungsnetzwerken betrieben. Mit den zwei Eingängen lassen sich zwei verschiedene Grundschaltungen aufbauen, die als 'Invertierender OPV' und 'Nicht-invertierender OPV' bezeichnet werden. Die dritte Betriebsart ist der Differenzbetrieb, bei der an beiden Eingängen ein Signal anliegt, wobei das resultierende Differenzsignal verstärkt wird.

OPV-Betriebsarten
Übertragungskennlinie eines OPV

Aufgrund der hohen Leerlaufverstärkung des OPVs führen schon sehr kleine Eingangsspannungen Ue am invertierenden oder nicht invertierenden Eingang zu sehr großen Ausgangsspannungen. Die Übertragerkennlinien verlaufen besonders steilflankig. Die maximalen Ausgangsspannungen werden von den Betriebsspannungen bestimmt. Die Steilflankigkeit wird bei übersteuerten Verstärkern, den Komparatoren genutzt. Das nebenstehende Bild zeigt die prinzipiellen Übertragungskennlinien des invertierenden und nicht invertierenden OPV.


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Kennwerte der Operationsverstärker

Leerlauf-Differenzverstärkung

Die Leerlaufverstärkung V0, englisch als open loop gain bezeichnet, wird beim nicht beschalteten OPV ohne Gegenkopplung und ohne Last gemessen. Es ist das Verhältnis von Ausgangsspannung zur Eingangsspannung.

Formel zur OpenLoopGain

Gleichtaktverstärkung

Formel zur Gleichtaktverstärkung

Zur Ermittlung der Gleichtaktverstärkung VCM, englisch als common mode gain bezeichnet, wird an beide Eingänge das gleiche Signal gelegt. Theoretisch sollte kein Ausgangssignal messbar sein. Der reale OPV wird aufgrund von Bauteiltoleranzen ein kleines Signal liefern.

Gleichtaktunterdrückung

Die Gleichtaktunterdrückung G, englisch als common mode rejection ratio VCMR bezeichnet, wird in dB angegeben und ist die Differenz zwischen Leerlaufverstärkung und Gleichtaktverstärkung. Die Werte entsprechen denen der Leerlaufverstärkung.

Formel zur Gleichtaktunterdrückung

Eingangs-Offsetspannung

Dieser Kennwert wird in Datenblättern auch als Eingangs-Nullspannung bezeichnet. Es ist die Differenzspannung UEOS, die an den Eingang gelegt werden muss, damit die Ausgangsspannung 0 V beträgt. Typische Werte liegen zwischen 0,5 ... 7,5 mV.

Eingangs-Offsetstrom

Diese Kenngröße wird auch als Eingangs-Nullstrom IEOS bezeichnet. Es ist die Differenz der Eingangsströme, mit der die Ausgangsspannung 0 V erreicht wird. Typische Werte liegen zwischen 50 pA ... 0,5 µA.

Eingangsstrom

Der Eingangsstrom IE ist der arithmetische Mittelwert der Eingangsströme für den Arbeitspunkt, bei dem die Ausgangsspannung 0 V beträgt. Typische Werte liegen zwischen 100 pA ... 2 µA.

Anstiegszeit

Bei einer sprunghaften Änderung der Eingangsspannung wird das verstärkte Ausgangssignal erst nach einer kurzen Zeitspanne stabil messbar sein. Der Anstieg der Ausgangsspannung erfolgt nach einer e-Funktion. Mit der Anstiegszeit tr, englisch rise time, wird der Spannungsanstieg zwischen 10% ... 90% vom Endwert erfasst.

Berechnung und Diagramm zur Anstiegszeit

Anstiegsrate - Flankensteilheit

Die Geschwindigkeit, mit der bei einer sprunghaften Eingangsspannung die Signalamplitude der Ausgangsspannung zu- oder abnimmt, zeigt sich in der Flankensteilheit oder Anstiegsrate, englisch slew rate. Sie wird für die Großsignalverstärkung, also bei Vollaussteuerung bestimmt. In den OPV-Datenblättern ist sie in V / µs angegeben. Das Simulationsergebnis zeigt die Bestimmung der slew rate eines nicht invertierenden OPVs bei der Verstärkung 1 und einem 100 kHz Rechtecksignal. Das Ausgangssignal des OPVs zeigt ansteigende und abfallende Flanken. Für den Breitbandverstärker TLC 081 CD ergab sich für die Flankensteigung zwischen 10% und 90% der Ausgangsamplitude die Anstiegsrate zu SR = 14,7 V/µs.

Slew rate, Simulationsergebnis

Transitfrequenz

Jeder Verstärker hat eine endliche Bandbreite. Bei einem Gleichspannungsverstärker liegt die untere Grenzfrequenz bei 0 Hz. In den OPVs bedingen die p-n-Halbleiterschichten und die integrierte Bauweise Schaltungskapazitäten und damit eine obere Grenzfrequenz. Die Transitfrequenz fT wird für die Kleinsignalverstärkung und der Spannungsverstärkung VU = 1 angegeben, wobei die bei der Grenzfrequenz üblichen −3 dB meistens nicht beachtet werden.

Berechnung der Transitfrequenz

Die Transitfrequenz kann den Datenblättern entnommen und auch aus der Anstiegszeit für kleine Amplituden des Eingangssignals errechnet werden.

Mit dem Messwert tr = 654 ns aus der Simulation errechnet sich für den Breitbandverstärker OPV TLC 081 eine Transitfrequenz von gut 5 MHz bei Großsignalansteuerung. Die Simulationsschaltung am Eingang mit einem Zehntel der Amplitude des Rechtecksignals ergab eine Anstiegszeit von tr = 54 ns. Für den Impedanzwandler errechnet sich auch bei Kleinsignalverstärkung eine vergleichbare Transitfrequenz um 5 MHz.

Bandbreite-Verstärkungs-Produkt

Das Bandbreite-Verstärkungs-Produkt ist keine spezielle Eigenschaft der Operationsverstärker. Diese Beziehung gilt gleichermaßen für alle gegengekoppelten Verstärker. Zwischen der Verstärkung und der Bandbreite besteht mit B · V = konst. eine feste Beziehung. Ist die Transitfrequenz bekannt, kann für jede größere Verstärkung die obere Grenzfrequenz berechnet werden. Die Bandbreite verhält sich umgekehrt proportional zur Verstärkung.