Für einen Operationsverstärker hat sich in der Schaltungstechnik folgendes Schaltsymbol eingebürgert. (Abb. 2)

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1 Einführung in die Eigenschaften eines Operationsverstärkers Prof. Dr. R Schulz Für einen Operationsverstärker hat sich in der Schaltungstechnik folgendes Schaltsymbol eingebürgert. (Abb. 2) Um den Ausgang positiv als auch negativ anzusteuern, werden zwei Betriebspotentiale benötigt. (Siehe Abb. 3) Die Eingangsstufe eines Operationsverstärkers ist immer als Differenzverstärker ausgeführt. Es gilt: U D U P U N ist bei kleinen Frequenzen in Phase zu U D. C - 1

2 Für den Anwender sind folgende Größen des Operationsverstärkers wichtig: Die Differenzverstärkung o : o U D U P U N o U P U N = konstant o U N U P = konstant Sie hat bei realen Operationsverstärkern den Wert o = 10 4 bis Beim idealen Verstärker wäre dieser Wert. Dies gilt nur innerhalb eines bestimmten Bereiches von, dem sogenannten Aussteuerbereich. Er liegt bei einer Versorgungsspannung (V + = +15 V und V - = - 15 V) bei ca. ± 14 V. Die Offsetspannung Uo Um die U D, Kennlinien festzulegen, muß neben der Steigung noch ein U D zusätzlicher Kurvenpunkt bekannt sein. Im Idealfall ist dieser Punkt gegeben durch =0 für U D = 0. (Siehe Abb. 4) In der Praxis ergibt sich jedoch im allgemeinen eine zur U D Achse parallel verschobene C - 2

3 Kurve. (In Abb. 4 gestrichelt eingezeichnet.) Ihr Schnittpunkt mit der U D Achse gibt die Offsetspannung U 0 an. Sie beträgt normalerweise einige mv, bei Spezialtypen einigev (siehe Tabelle Seite 7). Diese Spannung müßte an die Eingänge gelegt werden, um den Idealfall zu erreichen. Für kompensierte Offsetspannung gilt: U D U P U N Die Offsetspannung kann bei den meisten Verstärkern extern kompensiert werden. In vielen Fällen ist dies jedoch nicht nötig, da bei Gegenkopplungsbetrieb am Ausgang des Verstärkers durch die Offsetspannung nur eine kleine Zusatzspannung entsteht. (Siehe Übungsblatt zur Vorlesung.) Gleichtaktunterdrückung 'G' Für U D = 0 gilt im Idealfall (idealer Operationsverstärker) = 0. U P und U N können dabei beliebige Werte innerhalb der Aussteuergrenzen annehmen. In der Praxis ist dies jedoch nicht exakt der Fall. Vielmehr erhält man eine Gleichtaktverstärkung A GL. A Gl U Gl U GI ist die gleichzeitige Änderung der beiden Eingangsspannungen bei (U P = U N ) (Siehe Abb. 5). Eine gebräuchliche Größe, die das Verhältnis zwischen Differenzverstärkung und Gleichtaktverstärkung A Gl angibt, ist die Gleichtaktunterdrückung 'G'. C - 3

4 G A Gl Sie liegt bei technischen Ausführungen von Operationsverstärkern bei G = 10 4 bis Für den idealen Operationsverstärker gilt G. Frequenzgang eines Operationsverstärkers Aus Stabilitätsgründen ist es zweckmäßig, daß der Frequenzgang eines Operationsverstärkers wie bei einem Tiefpaß erster Ordnung (siehe Versuchsbeschreibung Tiefpaß) verläuft und zwar mindestens bis zu der Frequenz, bei der der Betrag der komplexen Verstärkung I I = 1 wird. Derartige Operationsverstärker werden als frequenzkompensierte Operationsverstärker be zeichnet. Für spezielle Anwendungen gibt es daneben Operationsverstärker deren Frequenzgang nicht intern kompensiert ist (z.b.: TL 080). Abbildung 6 zeigt den typischen Frequenzgang eines frequenzgangkompensierten Operationsverstärkers. In komplexer Schreibweise lautet die Differenzverstärkung als Funktion der Frequenz: 0 f 1 j f ga Bei der Frequenz f = f T (Transitfrequenz) ist = 1. Für f > f ga kann die 1 im Nenner der obigen Gleichung vernachlässigt werden und es gilt näherungsweise: 0 f j f ga C f f ga

5 daraus folgt die Beziehung: 0 f ga f f T für f > f ga Das sogenannte Verstärkungsbandbreiteprodukt ist eine Konstante und gleich f T. Eingangswiderstand Beim idealen Operationsverstärker sind sämtliche Widerstände r Gl, r D. Reale Operationsverstärker haben einen endlichen Eingangswiderstand. Man unterscheidet zwischen Differenz (r D ) und Gleichtakteingangswiderstand (r Gl ) (siehe Abb. 7). Den Strömen durch die Eingangswiderstände sind jedoch Konstantströme I B+, I B- überlagert, die wesentlich größer sind. Sie betragen bei bipolaren Eingangsstufen 20 bis 200nA und bei FET Eingangsstufen nur wenige pa. Eine Übersicht über die Eingangswiderstände realer Operationsverstärker gibt die Tabelle Abb. 7.1 an. In der praktischen Anwendung ist der Eingangswiderstand jedoch häufig durch die Art der Verstärkerbeschaltung gegeben. Er kann dabei sehr kleine Werte annehmen (siehe invertierender und nichtinvertierender Verstärker). In der folgenden Tabelle sind nochmals die wichtigsten Daten von einigen gebräuchlichen Operationsverstärkern zusammengestellt. C - 5

6 Die Pin-Belegung (Anschlußschema) ist für die meisten gängigen Operationsverstärker gleich (siehe Abb.8). Nur die Kompensation der Offsetspannung ist von Typ zu Typ verschieden und bei manchen Typen nicht vorgesehen. C - 6

7 Ausgangswiderstand Der Ausgangswiderstand eines Operationsverstärkers ist gegeben durch: r a U a J a U D = konstant Beim realen Operationsverstärker beträgt er ca. 50 bis 2 k (siehe Tabelle Seite 7). In der praktischen Anwendung ist der Ausgangswiderstand jedoch meist durch die Art der Beschaltung gegeben. Er nimmt dann Werte an die häufig im Bereich von 0,1 bis zu einigen 100 liegen. (Siehe dazu invertierender und nichtinvertierender Verstärker.) Das Prinzip der Rückkopplung Um einen Operationsverstärker als praktisch einsetzbaren Verstärker zu betreiben, muß er wegen seiner hohen Leerlaufverstärkung rückgekoppelt werden. Ein Teil der Ausgangsspannung wird dabei über ein Rückkopplungsnetzwerk (Rückkoppler 'k') auf den Eingang gegeben. (siehe Abb. 9). Wird die rückgeführte Spannung dagegen subtrahiert, so spricht man von Gegenkopplung. Im weiteren soll die Gegenkopplung betrachtet werden, denn nur sie liefert einen stabilen Arbeitspunkt. Wie aus Abbildung 9 ersichtlich, ergibt sich der stabile Zustand für: oder umgeformt: U a U D U e ku a A U a U e 1 k C - 7

8 k ist dabei der Rückkopplungsfaktor, der das Verhältnis von Ausgangsspannung zur Eingangsspannung des Rückkopplers angibt. Für den idealen Operationsverstärker erhält man wegen. A 1 k Die Verstärkung A hängt in diesem Fall nur noch vom äußeren Rückkopplungsnetzwerk ab und nicht vom Verstärker selbst. C - 8

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