Ein Mikrofon liefert einige Millivolt, der ADC des Mikrocontrollers will 0 bis 3,3 V. Ein Temperatursensor ändert seinen Widerstand um wenige Ohm, ein Messgerät soll das auf ein Hundertstel Grad genau anzeigen. Ein Audiosignal soll gefiltert, ein Strom gemessen, eine Spannung gepuffert werden. Für all diese Aufgaben nimmst du denselben Baustein: den Operationsverstärker, kurz OPV (englisch op amp). Er ist eine Art Universal-Verstärker, dessen Verhalten fast ausschließlich die Bauteile um ihn herum bestimmen. Der Name stammt aus den Analogrechnern der 1940er-Jahre, in denen solche Verstärker Rechenoperationen wie Addieren und Integrieren ausführten.
Aufbau und Funktionsweise
Ein OPV hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Er verstärkt die Differenz der Eingangsspannungen – und zwar enorm:
A0 ist die Leerlaufverstärkung (open loop gain), typisch 100 000 bis über 1 000 000, also 100–120 dB (siehe Dezibel). Liegt der nichtinvertierende Eingang (+) höher als der invertierende (−), läuft der Ausgang nach oben, im umgekehrten Fall nach unten.
Innen folgen drei Stufen aufeinander:
- Ein Differenzverstärker aus zwei gleichen Transistoren am Eingang – Bipolartransistoren, JFETs oder MOSFETs. Er reagiert nur auf die Differenz der Eingänge, nicht auf eine gemeinsame Verschiebung.
- Eine Spannungsverstärkerstufe, die den Großteil der Verstärkung bringt. Ein kleiner interner Kondensator sorgt dafür, dass die Verstärkung mit steigender Frequenz abnimmt – die Frequenzgangkompensation, ohne die der OPV mit Gegenkopplung schwingen würde.
- Eine Gegentakt-Endstufe, die Strom liefern und aufnehmen kann, meist mit Kurzschlussbegrenzung.
Ein Masseanschluss fehlt. Der OPV kennt nur seine beiden Versorgungsanschlüsse V+ und V−; alle Spannungen sind relativ dazu. Ob du ihn symmetrisch an ±15 V oder einseitig an 0 V und 5 V betreibst, ist für ihn dasselbe.
Warum erst die Gegenkopplung ihn brauchbar macht
Mit 100 000-facher Verstärkung reicht schon eine Differenz von 0,1 mV, um den Ausgang an seine Grenze zu treiben. Als Verstärker für ein Signal ist der OPV allein also unbrauchbar – er schaltet nur zwischen den Anschlägen hin und her. Das ist genau das, was ein Komparator tun soll.
Für einen Verstärker führst du einen Teil der Ausgangsspannung auf den invertierenden Eingang zurück: die Gegenkopplung. Steigt der Ausgang zu weit, steigt auch U_−, die Differenz schrumpft, und der Ausgang wird zurückgenommen. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem die Differenz winzig ist. Daraus folgen zwei Faustregeln für den idealen OPV, mit denen du fast jede Schaltung verstehst:
- Regel 1: Mit Gegenkopplung stellt der Ausgang sich so ein, dass die Spannung zwischen + und − null ist.
- Regel 2: In die Eingänge fließt kein Strom.
Die Verstärkung der Schaltung hängt dann nur noch vom Rückkopplungsnetzwerk ab, meist einem Spannungsteiler aus zwei Widerständen – nicht mehr von A0, die von Exemplar zu Exemplar und mit der Temperatur stark schwankt.
Die wichtigsten Schaltungen – invertierender und nichtinvertierender Verstärker, Spannungsfolger, Addierer, Integrierer – beschreibt OPV-Grundschaltungen. Die Verstärkung kannst du direkt ausrechnen:
Verstärkung eines Operationsverstärkers
- Verstärkung V
- 11
- In Dezibel
- 20,8 dB
- Eingangswiderstand
- sehr hoch (OPV-Eingang)
V = 1 + R2 / R1, mindestens 1 (Spannungsfolger ohne R1). Gilt für einen idealen OPV mit sehr hoher Leerlaufverstärkung. Die Bandbreite sinkt etwa auf GBW / (1 + R2/R1); der Ausgang kommt nur so weit an die Versorgung heran, wie das Datenblatt erlaubt (Rail-to-Rail oder nicht).
Schaltzeichen
Weit verbreitet ist das Dreieck, das in Signalrichtung zeigt: links die beiden Eingänge, mit + und − markiert, rechts an der Spitze der Ausgang. Die Versorgungsanschlüsse werden oft weggelassen oder oben und unten am Dreieck angedeutet. Die Norm IEC 60617 (in Deutschland DIN EN 60617) sieht ein Rechteck vor, in dem ein kleines Dreieck und das Zeichen ∞ für die sehr hohe Verstärkung stehen. Ältere deutsche Pläne nach DIN 40900 zeigen ebenfalls diese Form. Achte beim Lesen fremder Pläne darauf, ob oben das + oder das − steht – beide Anordnungen sind üblich. Mehr Symbole stehen unter Schaltzeichen.
Wichtige Kennwerte
Ein realer OPV weicht vom idealen ab. Die Abweichungen erklärt Operationsverstärker in der Praxis ausführlich; hier die Übersicht:
| Kennwert | idealer OPV | realer OPV (Größenordnung) |
|---|---|---|
| Leerlaufverstärkung A0 | unendlich | 100–140 dB |
| Eingangsstrom (Bias) | 0 | pA (CMOS, JFET) bis 100 nA (bipolar) |
| Offsetspannung | 0 | 10 µV bis einige mV |
| Verstärkungs-Bandbreite-Produkt | unendlich | 10 kHz bis über 1 GHz |
| Anstiegsrate (Slew-Rate) | unendlich | 0,01 bis über 1000 V/µs |
| Ausgangswiderstand | 0 | einige 10–100 Ω ohne Gegenkopplung |
| Gleichtaktunterdrückung | unendlich | 70–130 dB |
Dazu kommen zwei Grenzen, die Einsteiger am häufigsten stolpern lassen: der Eingangsspannungsbereich und der Ausgangsspannungsbereich. Viele ältere OPVs dürfen an den Eingängen nicht bis an die Versorgungsschienen heran und erreichen am Ausgang 1–2 V weniger als die Versorgung. Rail-to-Rail-Typen schaffen beides fast bis zur Schiene.
Bauformen und gängige Typen
OPVs gibt es einzeln (single), zu zweit (dual) und zu viert (quad) in einem Gehäuse. Die Pinbelegung der Doppel-OPVs im DIP-8 und SOIC-8 ist fast immer gleich: Pin 1 Ausgang A, 2 Eingang −A, 3 Eingang +A, 4 V−, 5 Eingang +B, 6 Eingang −B, 7 Ausgang B, 8 V+. Vierfach-OPVs im DIP-14 haben V+ an Pin 4 und V− an Pin 11. Einzel-OPVs folgen meist der alten 741-Belegung mit − an Pin 2, + an Pin 3, Ausgang an Pin 6, V− an 4 und V+ an 7. Pin 1 findest du wie unter IC-Gehäuse beschrieben.
| Typ | Technik | Versorgung | Bandbreite | Besonderheit |
|---|---|---|---|---|
| LM358 | bipolar | 3–32 V | etwa 1 MHz | Eingang bis Masse, billig, langsam |
| TL072 | JFET-Eingang | ±5 bis ±18 V | etwa 3 MHz | kleine Eingangsströme, Audio |
| NE5532 | bipolar | ±5 bis ±20 V | etwa 10 MHz | sehr rauscharm, Audio |
| MCP6002 | CMOS | 1,8–6 V | etwa 1 MHz | Rail-to-Rail, 3,3-V-Systeme |
Typische Anwendungen
- Messverstärker: Sensorsignale anheben und auf den ADC-Bereich bringen.
- Impedanzwandler: Ein Spannungsfolger puffert einen hochohmigen Spannungsteiler oder Sensor.
- Aktive Filter: Tief-, Hoch- und Bandpässe ohne Spulen.
- Strommessung: Die kleine Spannung an einem Shunt-Widerstand verstärken.
- Regler und Stromquellen: Der OPV steuert einen Transistor, der den Strom liefert.
- Differenzmessung: Für kleine Signale auf großer Gleichtaktspannung gibt es den Instrumentenverstärker.
Auswahl und Praxistipps
Zuerst klärst du die Versorgung: symmetrisch (±12 V, ±15 V) oder einseitig (5 V, 3,3 V)? Bei einseitiger Versorgung brauchst du einen Typ, dessen Eingangsbereich bis Masse reicht, und meist einen Rail-to-Rail-Ausgang. Dann folgen Bandbreite und Anstiegsrate für dein Signal, Offset und Eingangsstrom für die Genauigkeit, Rauschen für kleine Signale.
Häufige Fehler:
- Eingangsbereich überschritten: Ein TL072 an einseitigen 5 V mit Eingangssignal nahe 0 V arbeitet nicht; manche alten JFET-OPVs kehren dann sogar die Ausgangspolarität um.
- Ausgang soll bis an die Schiene: Ein LM358 an 5 V erreicht am Ausgang höchstens etwa 3,5 V.
- Unbenutzte OPVs offen gelassen: In einem Doppel-OPV kann ein offener zweiter Verstärker schwingen und den ersten stören. Schalte ihn als Spannungsfolger mit dem +-Eingang auf einer festen Spannung innerhalb des Eingangsbereichs.
- Kein Abblockkondensator: Je 100 nF direkt an V+ und V−.
- Kapazitive Last direkt am Ausgang: Ein langes Kabel oder ein großer Kondensator kann den OPV zum Schwingen bringen; ein kleiner Serienwiderstand am Ausgang hilft.
- Komparator mit OPV gebaut: Funktioniert oft, aber langsam; für saubere Schaltschwellen ist ein echter Komparator oder ein Schmitt-Trigger besser.
Selbsttest
Was verstärkt ein Operationsverstärker?
Die Differenz der Spannungen an seinem nichtinvertierenden und invertierenden Eingang.
Warum arbeitet ein OPV ohne Gegenkopplung als Schalter statt als Verstärker?
Seine Leerlaufverstärkung ist so groß, dass schon Mikrovolt Differenz den Ausgang an die Grenze treiben.
Welche zwei Regeln gelten für den idealen OPV mit Gegenkopplung?
Die Spannung zwischen den Eingängen ist null, und in die Eingänge fließt kein Strom.
Wie viel Eingangsdifferenz braucht ein OPV mit A0 = 200 000 für 10 V am Ausgang?
10 V / 200 000 = 50 µV.
An welchem Pin liegt bei einem Doppel-OPV im DIP-8 die positive Versorgung?
An Pin 8; V− liegt an Pin 4.