Ziel dieses Artikels ist es, die praktischen Aspekte von Operationsverstärkern zu beleuchten, einige der grundlegenden Parameter in ihren technischen Spezifikationen zu erläutern und einige mögliche Anwendungen aufzuzeigen, in denen sie eine wichtige Rolle spielen.

Der Operationsverstärker: ein bescheidenes Element

Operationsverstärker (OPs) entstanden in den 1940er-Jahren, als das Konzept eines hochverstärkenden, gleichstromgekoppelten Spannungsverstärkers mit thermionischen Vakuumröhren realisiert wurde. Die ersten OPs fanden schnell in verschiedensten Anwendungen Verwendung, von Radar bis hin zu Analogrechnern, und ihre Einsatzmöglichkeiten nehmen stetig zu. Heute bilden OPs die Grundlage nahezu aller elektronischen Geräte, von Fitnessuhren über Industrieroboter und autonome Fahrzeuge bis hin zu Kommunikationssatelliten.

Einer der beliebtesten Operationsverstärker ist der µA741, der auch heute noch hergestellt wird. Obwohl er nicht der erste monolithische integrierte Halbleiter-Operationsverstärker war (dieser Titel gebührt dem Fairchild 702), etablierte sich der Fairchild µA741 schnell als Referenz-Operationsverstärker für nahezu jede Schaltung. Er wurde 1968 auf den Markt gebracht, wird weiterhin produziert und von zahlreichen Anbietern in pinkompatiblen Gehäusen, wie beispielsweise STMicroelectronics und Texas Instruments.

Abbildung 1: Internes Schaltbild des generischen, mehrstufigen Operationsverstärkers UA741CD von STMicroelectronics (Quelle: ST).

Ein Operationsverstärker (Op-Amp) besitzt typischerweise einen unsymmetrischen Ausgang sowie invertierende und nicht-invertierende Differenzeingänge. Im offenen Regelkreis erzeugt seine hohe Verstärkung eine Ausgangsspannung, die tausendfach größer ist als die Potenzialdifferenz zwischen den Eingängen. Op-Amps werden häufig in geschlossenen Regelkreisen (Abbildung 2) mit negativer Rückkopplung eingesetzt, um die Verstärkung entsprechend den Anwendungsanforderungen zu begrenzen und zu steuern. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers ist unabhängig von den Verstärkungsspezifikationen durch die Versorgungsspannung begrenzt.

Abbildung 2: Nicht-invertierender Operationsverstärker mit geschlossenem Regelkreis und negativer Rückkopplung über R2 (Quelle: Mouser).

Die Verstärkung des nichtinvertierenden Verstärkers ist in Bild 2 zu sehen; die Ausgangsspannung (Vout) wird durch die Widerstände R1 und R2 bestimmt.

Operationsverstärker lassen sich als Differenzverstärker, Spannungsfolger, Differenzierer oder Integratoren konfigurieren. Sie eignen sich ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter aktive Filter, Pegelwandler, Puffer, Signalaufbereitung, Kleinsignalverstärkung (AC/DC) und Funktionsgeneratoren. Kurz gesagt: Sie sind die perfekte Komponente für nahezu jedes Gerät.

Um die Funktionsweise eines Operationsverstärkers zu verstehen, ist es hilfreich zu wissen, dass ein ideales Gerät folgende Eigenschaften aufweisen sollte:

• Unendliche differentielle Spannungsverstärkung: Die Ausgangsspannung hängt nur von der Eingangsspannung und der Rückkopplungsschaltung ab.
• Unendlicher Eingangswiderstand, daher fließt an keinem Eingang Strom.
• Der Ausgangswiderstand ist null, daher hat die Last keinen Einfluss auf die Leistung des Verstärkers.
• Unendliche Bandbreite, daher passt es sich an Gleichstrom und jede beliebige Frequenz an, ohne dass sich Phase oder Verstärkung ändern.
• Nullausgangssignal, wenn das Differenzeingangssignal null ist.

Eine hilfreiche Infografik zu den Grundlagen von Operationsverstärkern und einigen gängigen Schaltungskonfigurationen können Sie hier bei Mouser herunterladen: https://emea.info.mouser.com/opamp-reference?pid=Mouser&cid=TW

Operationsverstärker in der Praxis

Um die Funktionsweise eines adaptiven Optiksystems (AO) zu verstehen, ist es hilfreich, ein ideales Gerät zu verwenden. In der Realität weisen jedoch alle AOs bestimmte Eigenschaften auf, die Ingenieure gut verstehen müssen.

In diesem Abschnitt des Artikels erläutern wir einige der wichtigsten Parameter in den technischen Spezifikationen eines AO. Je nach Anwendungsfall können einige dieser Kriterien die Geräteauswahl direkt beeinflussen.

Eingangs-Offsetspannung: Bei einem idealen Operationsverstärker sollte der Ausgang null sein, wenn auch der Differenzeingang null ist. Aufgrund geringfügiger Fertigungstoleranzen sind jedoch nicht alle Transistor-Gates identisch. Die Eingangs-Offsetspannung (Vio) ist die Spannung, die an die Differenzeingänge angelegt werden muss, um einen Ausgang von null Volt zu erzeugen. Typische Vio-Werte können stark variieren, von wenigen Mikrovolt bis zu mehreren hundert Millivolt. Vio ist ein wichtiger Faktor bei der Messung sehr niedriger Eingangsspannungen, da ein zu hoher Wert zu einer ungenauen Ausgangsspannungsmessung führt.

Eingangsvorstrom: Dies ist der unerwünschte Strom, der die Differenzeingänge erreicht. Er wird üblicherweise durch Leckströme verursacht und sein Wert kann je nach Verarbeitungstechnologie variieren. Er kann jedoch auch entstehen, wenn sich Vorspannungskomponenten in der Nähe der Eingänge befinden. Selbst wenn ein Eingangsvorstrom (I_ib) sehr klein ist (typischerweise pA oder nA), kann er einen signifikanten Spannungsabfall in Eingangsschaltungen mit hohen Impedanzen verursachen und somit den Ausgang beeinflussen.

Verstärkungs-Bandbreite-Produkt (GBP): Dieser Faktor beschreibt die Leistungsfähigkeit eines Operationsverstärkers über einen Frequenzbereich. Typischerweise nimmt die Verstärkung mit steigender Frequenz ab. Das GBP gibt die Frequenz an, bei der die Verstärkung um 20 dB abfällt.

Rail-to-Rail-Eingänge: Ein Operationsverstärker mit Rail-to-Rail-Eingängen kann Eingangsspannungen zwischen +Vcc und -Vcc verarbeiten.

Rail-to-Rail-Ausgänge: Wie beim vorherigen Element kann die Ausgangsspannung eines Operationsverstärkers von +Vcc bis -Vcc reichen.

Schaltgeschwindigkeit: Die Schaltgeschwindigkeit bestimmt, wie schnell sich das Ausgangssignal des Operationsverstärkers in Reaktion auf das Eingangssignal ändert. Bei Hochfrequenzanwendungen ist dieser Faktor entscheidend, da das Signal verzerrt wird, wenn das Ausgangssignal nicht mit der Änderungsrate des Eingangssignals mithalten kann. Sie wird in mV/s gemessen, und die Ausgangsspannung kann zwischen 10 % und 90 % des Spitzenwerts liegen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Messung der Änderungsrate eines Operationsverstärkers unter Berücksichtigung von Änderungen des Eingangssignals (Quelle: TI).

Eingangskapazität: Die Eingangskapazität eines Operationsverstärkers kann dessen Leistungsfähigkeit mit steigender Frequenz des Eingangssignals beeinflussen. Die Bedeutung dieses Faktors hängt von der Anwendung ab. Bei der Messung von Batteriespannungen ist sie wenig relevant, bei aktiven Filtern oder Ultraschallsignalen muss sie jedoch berücksichtigt werden.

Rauschpegel: Wie viele andere Bauteile weisen auch Operationsverstärker verschiedene Rauschquellen auf, die bei fehlendem Eingangssignal Rauschen in das Ausgangssignal einbringen können, beispielsweise thermisches Rauschen oder 1/f-Rauschen. Für Anwendungen mit hoher Verstärkung und großer Bandbreite empfiehlt sich die Wahl eines Operationsverstärkers mit niedrigem Rauschpegel.

Nullabweichung: Der Einfluss von Faktoren wie der oben beschriebenen Eingangs-Offsetspannung ist temperatur- und zeitabhängig. Bei einem Operationsverstärker mit Nullabweichung werden diese Einflüsse durch eine Eingangsschalt- oder Abschalttechnik eliminiert.

Aktueller Energieverbrauch: Der Energieverbrauch gewinnt in vielen Anwendungen zunehmend an Bedeutung, nicht nur zur Optimierung der Energieeffizienz, sondern auch zur Verlängerung der Batterielebensdauer, insbesondere bei IoT/IIdC-Sensoren. Operationsverstärker (Op-Amps) weisen deutlich geringere Leistungsaufnahmekapazitäten auf als andere integrierte Schaltungen (ICs) wie beispielsweise Mikrocontroller. Es gibt jedoch Op-Amps mit besonders niedriger Leistungsaufnahme und Betriebsströmen von nur 900 nA pro Eingang, die sich ideal für batteriebetriebene Anwendungen eignen.

Beispiele für Operationsverstärker

Halbleiterhersteller optimieren ihr Angebot an Operationsverstärkern typischerweise, indem sie diese anhand ihrer Spezifikationen in verschiedene Kategorien einteilen. So ST sie beispielsweise in Produkte mit niedrigem Stromverbrauch, niedriger Eingangs-Offset-Spannung, hoher Spannung, Präzision, Rail-to-Rail und hoher Geschwindigkeit. Analog Devices verwendet ein ähnliches Verfahren und kennzeichnet Produkte für spezifische Anwendungen.

Die ST TSZ121-Serie ist ein Beispiel für einen Präzisions-Operationsverstärker mit geringem Eingangs-Offset und Nullpunktdrift. Er ist in verschiedenen Gehäuseformen (einfach, doppelt oder vierfach) erhältlich und ein Rail-to-Rail-Ein-/Ausgangsbaustein. Er kann mit einer Eingangsspannung von 1,8 bis 5,5 V DC betrieben werden, hat einen maximalen Stromverbrauch von 40 µA (bei 5 V) und eine typische Offsetspannung von 5 µV (bei 25 °C). Diese Serie eignet sich ideal für tragbare und batteriebetriebene Anwendungen, Signalaufbereitungsschaltungen und medizinische Instrumente.

Abbildung 4 zeigt die Verwendung des TSZ121 im Strommesskreis eines batteriebetriebenen Geräts.

Abbildung 4: Beispiel für die Verwendung des Präzisions-Operationsverstärkers ST TSZ121 zur Strommessung in einem tragbaren Gerät: Es ist wichtig, einen Operationsverstärker mit niedrigem Eingangs-Offsetspannungspegel auszuwählen (Quelle: ST).

Ein 8 mΩ Präzisions-Shuntwiderstand ist in Reihe mit der Batterielast geschaltet. Durch diesen Widerstand fließt ein Strom von 100 mA, wodurch eine Spannung von 800 µV erzeugt wird. Diese wird über zwei 10 Ω Widerstände an die Differenzeingänge angelegt. Die Operationsverstärkerkonfiguration hat eine Verstärkung von 1000, sodass am Ausgang eine Spannung von 0,8 V anliegen sollte. In der Praxis beträgt die gemessene Ausgangsspannung jedoch bei einer Eingangs-Offsetspannung von 5 µV nur 0,805 V. Dieses Beispiel verdeutlicht die Bedeutung der Eingangs-Offsetspannung für eine Messung. Hätte man beispielsweise einen Operationsverstärker mit einer Eingangs-Offsetspannung von 200 µV gewählt, wäre der Messfehler deutlich größer gewesen.

eine Low-Side-Prototyping-Platine, das STEVAL-ISQ014V1, , die einen 30-mΩ-Shunt-Widerstand enthält. Um Ingenieuren die Entwicklung und Emulation von Operationsverstärkerschaltungen zu erleichtern, bietet die eDesignSuite von ST eine praktische und schnelle Methode zur Auswahl eines Designs und zur Erstellung von Prototypen (siehe Abbildung 5).

Abbildung 5: Eine Strommessplanung in STs eDesignSuite mit einem AO TSZ121 (Quelle: ST).

Operationsverstärker werden auch häufig in aktiven Filterschaltungen eingesetzt. Abbildung 6 zeigt den Entwurf eines Audiofrequenz-Bandpassfilters mithilfe des Analog Design Filter Wizard.

Abbildung 6: Entwurf eines Bandpassfilters mit dem Analog Design Filter Wizard (Quelle: Analog Devices).

Die Filterparameter sind eine Mittenfrequenz von 800 Hz und ein Durchlassbereich von 300 Hz bei 3 dB. Die Filterparameter lassen sich schnell anpassen, um den gewünschten Durchlassbereich zu erreichen. Im nächsten Schritt werden die Komponenten ausgewählt (siehe Abbildung 7). Dabei können die Vorschläge des Assistenten übernommen oder die gewünschten Komponenten manuell aus dem Analog Devices AO-Katalog ausgewählt werden.

Abbildung 7: Schaltplan des Bandpassfilters mit einem energiesparenden Operationsverstärker ADA4062 für die erste Stufe (Quelle: Analog Devices).

Der Analog Devices ADA4062 zeichnet sich durch eine typische Schaltgeschwindigkeit von 3,3 V/µs, einen niedrigen Eingangsvorstrom (50 pA) und eine Eingangs-Offsetspannung von 500 µV aus. Er kann an Versorgungsspannungen von ±5 V bis ±15 V betrieben werden und hat eine typische Leistungsaufnahme von 165 µA.

Warum fügen Sie Ihrem nächsten Design nicht eine AO ​​hinzu?

Operationsverstärker spielen eine wichtige Rolle in batteriebetriebenen Anwendungen. Dank ihrer extrem niedrigen Stromstärke können sie Signale kontinuierlich messen oder aufbereiten, ohne die Batterielebensdauer wesentlich zu beeinträchtigen. Sie sind flexible Bausteine, die sich in jedes Design integrieren lassen.

Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics