1.4 Operationsverstärker OPV sind Analogschaltkreise. Analogschaltkreise verarbeiten analoge elektrische Signale. Es können drei Schaltkreisarten unterschieden werden. Universalschaltkreise für Mess-, Steuer- und Regelungstechnik, analoge Datenverarbeitung und Konsumgütertechnik, deren wichtigster Vertreter der Operationsverstärker (OPV) ist. 2. IC zur Stabilisierung von Versorgungsspannungen (Gerätetechnik) 3. Spezialschaltkreise z.B. zur Kamerasteuerung, Unterhaltungselektronik, Automatisierungstechnik usw. Im folgenden beschränken wir uns wegen seiner Bedeutung auf den Operationsverstärker (OPV). OPV sind mehrstufige hoch verstärkende Gleichspannungsverstärker hoher Bandbreite mit einem Differenzeingang und einem Ausgang. Mit ihnen lassen sich Schaltungen aufbauen, deren Eigenschaften praktisch nur von der äußeren Beschaltung abhängen und nicht vom OPV selbst. Realisierbare Funktionen: Vorzeichenumkehr Addition, Subtraktion Multiplikation, Division Logarithmieren Potenzieren, Radizieren Differenzieren, Integrieren Verstärken (invertierend und nichtinvertierend) Konstantspannungs- und Konstantstromquelle Komparator Filter und Oszillator WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker

V Symbol: - + E1 E2 A E1 : invertierender Eingang E2 : nicht invertierender Eingang A : Ausgang OPV werden mit symmetrischer Betriebsspannung betrieben. Der Mittelpunkt der Spannungsversorgung bildet die Masse. - + Dadurch kann die Ausgangsspannung Ua des OPV positiv oder negativ sein. Wenn T1 und T2 nicht angesteuert werden, dann beträgt die Spannung am Ausgang 0V. Wenn T1 angesteuert wird, verringert er seinen Widerstand, der Spannungsabfall UCE1 wird geringer. Die Ausgangsspannung Ua wird positiv. V Ua T1 T2 Wenn T2 angesteuert wird, verringert er seinen Widerstand, der Spannungsabfall UCE2 wird geringer. Die Ausgangsspannung Ua wird negativ. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker

OPV haben nahezu ideale Eigenschaften: 1. Spannungsverstärkung im Leerlaufverstärkung vu →  2. Eingangswiderstand RE →  (Widerstand zwischen den beiden Eingängen) 3. aus RE →  folgt IE → 0 4. Ausgangswiderstand RA → 0 Das Verhalten von OPV wird durch ihre Übertragungs- oder Transferkennlinie deutlich. Übertragungskennlinien stellen den Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgrößen von Systemen her. +Ua Transverkennlinie des idealen OPV +UB -UB Betriebsspannung Transverkennlinie des realen OPV -Ue +Ue -Ua WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker

4.2.2 OPV in Verstärkerbetrieb Anwendung des OPV als invertierender Verstärker Die Stromversorgung wird bei Schaltungen mit ICs nicht mitgezeichnet. R2 - + Spannungsverstärkung vu R1 UD Ue Ua Das Minuszeichen kennzeichnet die invertierende Wirkung des OPV. Wirkungsweise: Bei jeder Änderung der Eingangsspannung Ue stellt sich durch die Rückkopplung mit R2 die Ausgangsspannung Ua so ein, dass die Differenzspannung UD zwischen beiden Eingängen 0 wird. Wenn Ue steigt, erhöht sich auch UD. Da der nicht invertierende Eingang angesteuert wird, muss sich die Ausgangsspannung Ua verringern. R1 UE- UD OPV Über R2 wird die Verringerung der Ausgangsspannung auf den invertierenden Eingang des OPV zurückgekoppelt. Ue UD → 0 Ua Dadurch verringert sich die UD. R2 UE- Der Vorgang stoppt, wenn UD = 0V ist. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker

Anwendung des OPV als nicht invertierender Verstärker - + R1 R2 Ue Ua UD Spannungsverstärkung vu Wirkungsweise: Bei jeder Änderung der Eingangsspannung Ue stellt sich durch die Rückkopplung mit R2 die Ausgangsspannung Ua so ein, dass die Differenzspannung UD zwischen beiden Eingängen 0 wird. Wenn Ue steigt, erhöht sich auch UE+. Da der nicht invertierende Eingang angesteuert wird, muss sich die Ausgangsspannung Ua vergrößern. Über R2 wird die Vergrößerung der Ausgangsspannung auf den invertierenden Eingang des OPV zurückgekoppelt. R1 UE+ OPV UD → 0 Ue Ua Folglich vergrößert sich auch die Spannung am invertierenden Eingang. R2 UE- Dadurch verringert sich die UD. Der Vorgang stoppt, wenn UD = 0V ist. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker

4.2.3.1 Aktiver Hoch- und Tiefpass 4.2.3 RC- Glieder mit OPV 4.2.3.1 Aktiver Hoch- und Tiefpass Hoch- und Tiefpässe sind Filterschaltungen mit RC- Gliedern. Verknüpft man die RC – Glieder mit OPVs, dann erhält man aktive, d.h. verstärkende Filter. Tiefpass Hochpass R2 R1 C - + Ue Ua - + Ue Ua Mit steigender Frequenz verringert sich der Blindwiderstand XC des Kondensators. Dadurch wird gesamte Rückkopplungs- widerstand aus R2IIXC geringer. Dadurch wird gesamte Einganngs- widerstand aus R1IIXC geringer. Wegen Wegen Die Verstärkung wird mit wachsender Frequenz geringer! Die Verstärkung wird mit wachsender Frequenz größer! WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker

Dadurch wird gesamte Rückkopplungs- Tiefpass Hochpass R2 R1 C - + Ue Ua - + Ue Ua Mit steigender Frequenz verringert sich der Blindwiderstand XC des Kondensators. Mit steigender Frequenz verringert sich der Blindwiderstand XC des Kondensators. Dadurch wird gesamte Rückkopplungs- widerstand Z aus R2 paralell XC geringer. Dadurch wird gesamte Eingangswiderstand Z aus R1 in Reihe XC geringer. Wegen wird die Verstärkung geringer. Wegen wird die Verstärkung größer. f XC vU Ua f XC vU Ua WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker