Ein Operationsverstärker (kurz: Op-Amp) ist ein direktgekoppelter Spannungsverstärker mit Differenzialeingang und typischerweise unsymmetrischem Ausgang und hoher Verstärkung. Er kann ein Ausgangspotential (bezogen auf Masse) erzeugen, das hunderttausendmal größer ist als die Potentialdifferenz am Eingang. Seinen Namen verdankt er seiner anfänglichen Verwendung hauptsächlich in analogen Rechenschaltungen, beispielsweise bei Additions- und Subtraktionsoperationen.

Funktionsprinzip des Operationsverstärkers

Der Differenzeingang eines Operationsverstärkers umfasst eine nichtinvertierende und eine invertierende Eingangsspannung. Ein idealer Operationsverstärker verstärkt nur die Differenz zwischen den beiden Spannungen, die als Differenzialeingangsspannung bezeichnet wird. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers ergibt sich aus der folgenden Formel:

Vout = (V+ - V-) * Ado

wobei Ado die Open-Loop-Differenzverstärkung des Operationsverstärkers ist.

Idealer Operationsverstärker

Ein idealer Operationsverstärker weist üblicherweise die folgenden Eigenschaften auf:

1. Unendliche Leerlaufverstärkung (Ado = +∞): Eine wichtige Eigenschaft eines idealen Operationsverstärkers besteht darin, dass das Differenzsignal am Eingang im Leerlaufzustand eine unendlich große Spannungsverstärkung aufweist, wodurch sich der Operationsverstärker sehr gut zum Hinzufügen einer Konfiguration mit negativer Rückkopplung in praktischen Anwendungen eignet.

2. Unendliche Eingangsimpedanz (Zin/Rin = ∞): Die Eingangsanschlüsse eines idealen Operationsverstärkers lassen keinen Strom fließen, d. h. die Stromsignale an den Anschlüssen V+ und V- sind immer Null, was bedeutet, dass die Eingangsimpedanz unendlich ist.

3. Null-Eingangs-Offsetspannung

4. Unendliche Bandbreite (BW = ∞) mit Nullphasenverschiebung und unendlicher Anstiegsgeschwindigkeit: Ein idealer Operationsverstärker verstärkt Eingangssignale beliebiger Frequenz mit der gleichen Differenzverstärkung, ohne sich aufgrund der Änderung der Signalfrequenz zu verändern.

5. Null-Ausgangsimpedanz (Zout/Rout = 0): Der Ausgangsanschluss eines idealen Operationsverstärkers ist eine perfekte Spannungsquelle. Unabhängig davon, wie sich der zur Verstärkerlast fließende Strom ändert, bleibt die Ausgangsspannung des Verstärkers konstant, d. h. die Ausgangsimpedanz ist Null.

6. Kein Lärm

7. Unendliches Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR = ∞): Ein idealer Operationsverstärker kann nur auf die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen V+ und V- reagieren, d. h. er verstärkt nur den (V+ - V-)-Anteil. Der gemeinsame Anteil der beiden Eingangssignale (also das Gleichtaktsignal) wird vollständig ignoriert.

8. Unendliches Netzteil-Unterdrückungsverhältnis

All diese Idealisierungen lassen sich nicht vollständig realisieren. Äquivalente Widerstände und Kondensatoren können im Operationsverstärkermodell verwendet werden, um die nicht-unendlichen oder von Null verschiedenen Parameter eines realen Operationsverstärkers zu simulieren. So können Entwickler diese Einflüsse in der Gesamtleistung der finalen Schaltung berücksichtigen. Der Einfluss einiger Parameter auf das endgültige Design kann vernachlässigbar sein, andere Parameter, die die endgültige Leistung tatsächlich einschränken, müssen jedoch berechnet werden.

Gängige Anwendungsdesigns

(1) Invertierender Verstärker mit geschlossenem Regelkreis

Die obige Abbildung zeigt die Schaltung eines invertierenden Regelverstärkers. Angenommen, dieser Regelverstärker verwendet einen idealen Operationsverstärker, so sind aufgrund seiner unendlichen Leerlaufverstärkung die beiden Eingänge des Operationsverstärkers virtuell geerdet. Da die Eingangsimpedanz unendlich ist, ist der Strom von Vin nach V- gleich dem Strom von V- nach Vout. Daher:

(2) Nichtinvertierender Verstärker mit geschlossenem Regelkreis

Die obige Abbildung zeigt die Schaltung eines nichtinvertierenden Regelverstärkers. Die Gegenkopplung bestimmt die Regelkreisverstärkung Acl=Vout/Vin über die Spannungsteilerwiderstände Rf und Rg. Der Ausgleich ist hergestellt, wenn Vout gerade ausreicht, um die Spannung am invertierenden Anschluss gleich Vin zu machen. Daher beträgt die Spannungsverstärkung der gesamten Schaltung 1 + Rf/Rg. Die Formel für die Ausgangsspannung lautet:

(3) Addierer

Die obige Abbildung zeigt eine Addierschaltung. Unter der Voraussetzung eines idealen Operationsverstärkers ist der Strom durch R1 aufgrund der unendlichen Eingangsimpedanz gleich dem Strom durch R2, und ebenso ist der Strom durch R3 gleich dem Strom durch R4. Also:

(V1-V+)/R1=(V+-V2)/R2

(Vout-V-)/R3=V_/R4

Auch wegen des virtuellen Kurzschlusses gibt es: V+=V_

Daraus lässt sich folgern: Vout = V1 + V2

(4) Integratorschaltung

Die obige Abbildung zeigt eine Integratorschaltung. Unter der Voraussetzung eines idealen Operationsverstärkers ist die Leerlaufverstärkung unendlich, die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss ist gleich der am nichtinvertierenden Anschluss, und da die Eingangsimpedanz unendlich ist, ist der Strom durch R1 gleich dem Strom durch C1.

Der durch R1 fließende Strom ist = V?/R?

Der durch C1 fließende Strom ist i=C·dU./dt

Also Vout =((-1/(R?·C?)·fV?dt

Die Ausgangsspannung ist proportional zum Integral der Eingangsspannung über die Zeit, daher auch die Bezeichnung Integratorschaltung.

(5) Differenzierschaltung

Die obige Abbildung zeigt eine Differenzierschaltung. Unter der Voraussetzung eines idealen Operationsverstärkers ist die Leerlaufverstärkung unendlich, die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss ist gleich der am nichtinvertierenden Anschluss, und da die Eingangsimpedanz unendlich ist, ist der Strom durch R1 gleich dem Strom durch C1.

Wenn V1 eine plötzlich angelegte Gleichspannung ist, entspricht der Ausgang Vout einem Impuls in die entgegengesetzte Richtung zu V1.

Slkor SL8634XS14 Allgemeiner Operationsverstärker SOP-14

Über uns SLKOR:

SLKORmit Hauptsitz in Shenzhen, China, ist ein schnell wachsendes nationales Hightech-Unternehmen im Bereich Leistungshalbleiter. Das Unternehmen verfügt über Forschungs- und Entwicklungszentren in Peking und Suzhou, wobei das technische Kernteam an der Tsinghua-Universität arbeitet. Als Innovator in der Siliziumkarbid-(SiC)-Leistungsbauelementtechnologie SLKORDie Produkte von werden häufig in Fahrzeugen mit alternativer Energie, in der Photovoltaik-Stromerzeugung, im industriellen IoT und in der Unterhaltungselektronik eingesetzt und bieten über 10,000 Kunden weltweit wichtige Halbleiterlösungen.

Das Unternehmen liefert jährlich mehr als 2 Milliarden Einheiten aus und setzt mit seinen SiC-MOSFETs und ultraschnellen SBD-Dioden der 5. Generation Branchenmaßstäbe hinsichtlich Wirkungsgrad und thermischer Stabilität. SLKOR Das Unternehmen hält über 100 Erfindungspatente und bietet über 2,000 Produktmodelle an. Das Unternehmen erweitert sein IP-Portfolio kontinuierlich um Leistungsbauelemente, Sensoren und Power-Management-ICs. Zertifizierungen wie ISO 9001, EU RoHS/REACH und CP65-Konformität belegen das unermüdliche Engagement des Unternehmens für technologische Innovation, schlanke Fertigung und nachhaltige Entwicklung.