Verstärker werden heute in fast allen elektronischen Bauteilen eingesetzt. Es gibt sehr unterschiedliche Verstärkertypen, die sich alle durch ihre jeweiligen Charakteristiken unterscheiden. In diesem Kapitel befassen wir uns mit einfachen Signalen am Operationsverstärker, Op-Amp oder OPV. Drei Bezeichnungsweisen, die in der Welt der Elektronik für dieses Bauteil üblich sind. An mehreren Beispielen werden die Anwendungen erklärt und auf dem Oszilloskop sichtbar gemacht.
1 - Einführung in das Thema
Ein großer Vorteil integrierter Schaltkreise ist, dass man ihren Aufbau im einzelnen nicht kennen muss. Es genügt ihre grundsätzliche Funktionsweise zu kennen. Ein Operationsverstärker (OPV oder Op-Amp) ist ein solcher integrierter Schaltkreis, dessen Verhalten in den folgenden Übungen untersucht werden soll. Das allgemeine Schaltsymbol für einen OPV zeigt Abbildung 1.
Abbildung 1 - Schaltsymbol eines OPV mit zusätzlichen Bezeichnungen
In Schaltungsskizzen erscheinen nur die äußeren Anschlüsse, die für den Aufbau einer Schaltung benötigt werden. Die Symbole + und - deuten an, dass die Spannungsdifferenz
-
UD = U2 - U1
verstärkt wird. Der Eingang mit dem "-"-Zeichen (invertierender Eingang) weist darauf hin, dass die Eingangsspannung negativ ins Ausgangssignal eingeht. Den Eingang mit dem "+"-Zeichen bezeichnet man als nicht-invertierenden Eingang. Seine Eingangsspannung geht positiv ins Ausgangssignal UA ein. Neben diesen drei Anschlüssen gibt es noch die beiden Anschlüsse für die Versorgungsspannung: Vcc und - Vcc. Der Masseanschluss, auf den die Ein- und Ausgangsspannungen bezogen sind, liegt in der Mitte von Vcc und - Vcc.
2 - Welche Op-Amps werden benutzt
Für Schulversuche und eigene Übungen gut geeignet sind folgende OPVs, die auch in Übungen von mir verwendet werden:
-
LM358 uA741 und TAA861.
Der TAA861 kann von +Vcc bis -Vcc voll ausgesteuert werden (rail-to-rail) und ist kurzschlussfest.
Abbildung 2 - Anschlussbelegung des TAA861
Der uA741 ist in der Elektronik das "Arbeitstier" und für viele Aufgaben einsetzbar. Bei mir in der Bastelkiste liegen 8- und 14-polige Bausteine, deshalb für beide hier die Anschlussbelegung (Draufsicht).
Abbildung 3 - Anschlussbelegung des uA741, den es in 8- und 14-Pin Ausführung gibt
Der 14-polige Baustein enthält viel "Luft", wie man der Anschlussbelegung (Draufsicht) entnehmen kann.
Abbildung 4 - Anschlussbelegung des uA741, den es in 8- und 14-Pin Ausführung gibt
Der Vorteil des LM358 ist, dass er mit einer unipolaren Spannungsquelle versorgt werden kann. Das ist manchmal ganz hilfreich.
Abbildung 5 - Anschlussbelegung des LM358
3 - Daten eines OPV
Die Leerlaufverstärkung Vo eines Op-Amp ist die Verstärkung der Spannungsdifferenz U2 - U1 ohne dass der OPV an eine äußere Schaltung angeschlossen ist (1).
Die Leerlaufverstärkung liegt i. a. zwischen 10.000 und 100.000. Sie ist die Verstärkung eines Gegentaktsignals, das zwischen den beiden Eingängen E1 und E2 liegt.
Der Eingangsstrom IE ist das arithmetische Mittel aus den beiden einzelnen Eingangsströmen (2). Der Eingangsstrom liegt im allgemeinen zwischen 50 und 100 nA.
- Die Eingangsnullspannung (Eingangs-Offset-Spannung) UEO ist diejenige Spannung, die an die Eingänge angelegt werden muss, damit der Ausgang auf 0V geht. Idealerweise ist UEO = 0V, höchstens aber einige wenige Millivolt.
- Der Eingangsnullstrom (Eingangs-Offset-Strom) errechnet sich aus der Differenz der Eingangsströme IE1 und IE2 bei UA = 0V.
- Die Gleichtaktverstärkung Vug gibt die sehr kleine Verstärkung eines Gleichtaktsignals an, das mit gleichem Vorzeichen an beide Eingänge gegeben wird.
- Die Gleichtaktunterdrückung G ist der Quotient aus Vo und Vug. G liegt bei typisch 30.000.
4 - Symmetrische Spannungsversorgung
Ein Op-Amp verfügt über zwei Anschlüsse für die Spannungsversorgung. Da er normalerweise positive und negative Ausgangsspannungen zur Verfügung stellt, muss er mit einer symmetrischen Spannungsquelle verbunden sein.
Am besten eignen sich dazu zwei Batteriehalter für jeweils 8 AA-Batterien. Man erhält damit eine Spannungsversorgung von +/- 12V, was für alle Übungen ausreichend ist.
Batteriehalter für acht Batterien des Typs AA
Sehr praktisch ist es, wenn man die Kabel aus den beiden Batteriehaltern zu einem Steckbrett führt, dass auf einem der beiden Batteriehalter mit Klebeband aufgeklebt ist. Die folgende Abbildung zeigt die Verdrahtung.
Verkabelung der Anschlüsse aus dem Batteriehalter auf einem Steckbrett
Statt mit +/- 12V zu arbeiten, kann man auch zwei 9V Batterieblöcke oder Batteriehalter 2x4 nehmen und sich so ebenfalls eine symmetrische Spannungsversorgung von +/- 9V bzw. +/- 6V aufbauen.
5 - Der unbeschaltete OPV
Ohne Gegenkopplung ist ein Verstärker thermisch sehr instabil, ganz abgesehen von anderen Problemen wie der Kompensation der Eingangsnullspannung und anderes mehr. Das folgende Experiment dient dazu, die hohe Verstärkung eines Op-Amps darzustellen, zu zeigen, dass er positive und negative Gleichspannung verarbeitet, Signale invertiert und ein Gefühl für den Umgang mit diesem Baustein zu vermitteln. Zur Veranschaulichung wird ein USB-Oszilloskop eingesetzt.
| Der unbeschaltete OPV | |
| Material |
1x USB-Oszilloskop 1x Steckbrett 1x Energiequelle +/- 12 Volt mit Erdung 1x uA741 1x Potenziometer 100kOhm 8x Steckdraht |
| Aufgaben |
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| Versuchsdurchführung |
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Schaltskizze
Abbildung 6 - Unbeschalteter OPV
Oszillogramme
Abbildung 7 - Eingangsspannung (rot) am invertierenden Eingang, Ausgangsspannung (blau)
Deutung der Versuchsergebnisse
Unbeschaltete Op-Amps haben einen sehr hohen Verstärkungsgrad, der bei 100.000 oder noch höher liegen kann. Dem invertierenden Eingang wird über die Anzapfung des Schleifers vom Potenziometer eine Spannung zwischen -12V und +12V zugeführt.
Liegen am invertierenden Eingang (rote Kurve) zum Beispiel -300mV und ist der Verstärkungsfaktor 100.000, dann sollten am Ausgang (blaue Linie) 0,01V x 100.000 = +1000V (invertierender Eingang) liegen. Die Spannungsquelle stellt aber nur +12V zur Verfügung, dieser Wert kann nicht überschritten werden, deshalb clippt der Op-Amp das Signal bei ca. +12V.
Abbildung 8 - Eingangsspannung (rot) am invertierenden Eingang, Ausgangsspannung (blau)
Das Ergebnis der Messungen zeigt:
6 - Nicht-invertierender gegengekoppelter Verstärker
Die Prinzipschaltung zeigt Abbildung 9. Der Widerstand R2 verbindet den Ausgang des Op-Amps mit dem Eingang und bewirkt dadurch eine negative Rück- oder Gegenkopplung. Wir gehen davon aus, dass die Eingangsströme des OPV klein sind verglichen mit den Strömen durch die Widerstände R1 und R2 und dass die Gleichtaktunterdrückung so hoch ist, dass man die Wirkung eines Gleichtaktsignals am Ausgang vernachlässigen kann.
Abbildung 9 - Prinzipschaltung eines nicht-invertierenden gegengekoppelten Verstärkers
7 - Grundgleichung eines nicht-invertierenden OPV
Nach Abbildung 9 gilt
In guter Näherung gilt
8 - Linearität der Verstärkerkennlinie
Die in den folgenden Übungen benutzte Versuchsschaltung zeigt die folgende Abbildung. Als OPV wird ein uA741 verwendet.
Als Versorgungsspannung werden +/- 12V mit dem Batteriepack und für die Widerstandswerte R1 = 1kOhm und R2 = 100kOhm gewählt. Die Verstärkerkennlinie sollte punktweise aufgenommen werden. Dazu wurde als Energiequelle ein 9V-Batterieblock mit einem Spannungsteiler aus 820kOhm und einem Potenziometer von 100kOhm gewählt.
| Aufnahme der Verstärkerkennlinie eines nicht-invertierenden Verstärkers | |
| Aufgaben |
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| Versuchsdurchführung |
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Das Ergebnis einer Messung an einem 741 - ohne Kompensationseinstellung - zeigt die folgende Abbildung. Der negative Spannungsteil wurde nicht mehr aufgenommen, ist aber leicht auszuführen.
Abbildung 10 - Verstärkerkennlinie eines uA741
9 - Impedanzwandler
Wächst in Gleichung (7) R1 über alle Grenzen, dann geht der Bruch
gegen 1, die Größe von R2 spielt dann keine Rolle mehr. Man kann deshalb den Ausgang direkt mit dem Eingang E1 verbinden. Wir erhalten damit einen Verstärker, dessen Ausgangssignal mit dem Eingangssignal völlig identisch ist. Verstärker dieser Art nennt man Impedanzwandler.
Abbildung 11 - Impedanzwandler
| Vergleich von Aus- und Eingangsspannung am Impedanzwandler | |
| Material |
1x uA741 1x Spannungsversorgung 2x12V o.ä. 1x Steckbrett 6x Steckdraht 1x USB-Oszilloskop 1x Funktionsgenerator |
| Aufgaben |
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Oszillogramme
Abbildung 12 - Eingangs- und Ausgangssignal einer Sinusschwingung, 500Hz, Vss = 4V an einem uA741
Abbildung 13 - Eingangs- und Ausgangssignal einer Rechteckschwingung, 500Hz, Vss = 3V an einem uA741
Ausgangs- und Eingangssignal liegen bei beiden Messungen direkt übereinander. Eine Eigenschaft des Impedanzwandlers, dass Ausgangs- und Eingangssignal identisch sind, konnte damit bestätigt werden.
Um zu zeigen, dass der Eingangswiderstand sehr hoch ist, wird eine andere Schaltung benutzt.
10 - Eingangswiderstand
In einer weiteren Übung werden wir überprüfen, ob der Eingangswiderstand eines Op-Amp tatsächlich sehr hoch ist.
Die Idee zum Messnachweis
Die Idee ist, wenn man einen Kondensator auflädt und anschließend die Spannung über ihm messen möchte, gelingt das mit einem Drehspulinstrument nicht. Der Grund dafür liegt in dem niederohmigen Messinstrument. Die dort angezeigte Spannung sinkt relativ rasch (ca. in 10s) durch den Entladestrom aus dem Kondensator über das Messinstrument und seinen kleinen Eingangswiderstand ab.
Bei der zweiten Messung messen wir mit dem gleichen Messinstrument am Ausgang des Op-Amps. Da sein Eingangswiderstand sehr hoch ist, entlädt sich der Kondensator nur sehr langsam. So langsam, dass man den Eindruck gewinnt, die am Kondensator gemessene Spannung sei konstant.
Die Schaltung für die Messung zeigt Abb. 14.
Abbildung 14 - Eingangswiderstand an einem uA741
| Nachweis des hohen Eingangswiderstandes bei einem Op-Amp | |
| Material |
1x uA741 1x Spannungsversorgung 2x9V o.ä. 1x Widerstand, 1kOhm 1x Taster 1x Elektrolytkondensator, 10µF 1x Steckbrett 6x Steckdraht 1x Drehspulinstrument |
| Aufgaben |
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