Operationsverstärker in einer Schaltung: Grundlagen, Funktionsweise und Anwendungen. Erfahren Sie, wie sie Signale verstärken und stabilisieren.
Wie funktionieren Operationsverstärker in einer Schaltung?
Operationsverstärker (kurz OPV) sind integrale Bestandteile vieler elektronischer Schaltungen. Sie werden häufig in Signalverarbeitung, Regelungstechnik und Messsystemen verwendet. Aber wie funktionieren sie genau und welche Rolle spielen sie in einer Schaltung? In diesem Artikel werden wir diese Fragen beantworten und die Grundlagen von Operationsverstärkern erklären.
Grundlagen eines Operationsverstärkers
Ein Operationsverstärker ist ein hochverstärkender elektronischer Verstärker mit einem differenziellen Eingang und meistens einem einzigen Ausgang. Das bedeutet, dass der Verstärker die Differenz der beiden Eingangsspannungen verstärkt und das Ergebnis als Ausgangsspannung ausgibt.
- Eingangsspannungen: Vin+ (nicht invertierender Eingang) und Vin- (invertierender Eingang)
- Ausgangsspannung: Vout
Ideale Eigenschaften eines Operationsverstärkers
Ein idealer Operationsverstärker hat eine Reihe von theoretischen Eigenschaften:
- Unendlich hohe Verstärkung in der offenen Schleife (Ao)
- Unendlich hohe Eingangsimpedanz (keine Stromaufnahme an den Eingängen)
- Null Ausgangsimpedanz
- Unendlich hohe Bandbreite (Verstärkung bei jeder Frequenz)
- Keine Offset-Spannung (kein Unterschied zwischen den Eingängen bei Null-Ausgang)
In der Realität kommen echte OPVs diesen idealen Bedingungen recht nahe, aber es gibt immer praktische Einschränkungen.
Grundlegende Schaltungen mit Operationsverstärkern
Operationsverstärker können in einer Vielzahl von Schaltungen verwendet werden. Hier sind einige grundlegende Konfigurationen:
1. Invertierender Verstärker
In dieser Konfiguration wird das Eingangssignal an den invertierenden Eingang (Vin-) angelegt, während der nicht invertierende Eingang (Vin+) auf Masse liegt. Die Verstärkung A des Signals ist gegeben durch:
A = – \frac{Rf}{Rin}
wobei Rf der Feedback-Widerstand und Rin der Eingangswiderstand ist. Das negative Vorzeichen deutet darauf hin, dass das Signal invertiert wird.
2. Nicht-invertierender Verstärker
Hier wird das Eingangssignal an den nicht invertierenden Eingang (Vin+) angelegt. Die Verstärkung wird folgendermaßen berechnet:
A = 1 + \frac{Rf}{Rin}
3. Summierer
Ein Operationsverstärker kann auch als Summierer verwendet werden, wobei er mehrere Eingangsspannungen addiert.
Vout = -( \frac{Rf}{R1} V1 + \frac{Rf}{R2} V2 + … + \frac{Rf}{Rn} Vn )
Anwendungen von Operationsverstärkern
Operationsverstärker sind in einer Vielzahl von Anwendungen zu finden, darunter:
- Signalverstärkung
- Filterung (Aktive Filter)
- Mathematische Operationen (Integration, Differentiation)
- Pulsweitenmodulation
Fazit
Operationsverstärker sind vielseitige und wesentliche Bauelemente in der Elektronik, die eine Vielzahl von Funktionen in verschiedenen Schaltungen übernehmen. Sie bieten hohe Verstärkung, Flexibilität und sind in der Lage, komplexe mathematische Operationen zu realisieren. Ihr Verständnis ist für jeden Elektroniker grundlegend und bietet die Grundlage für viele weiterführende Technologien.