Operationsverstärker in der Praxis

Auf dem Papier ist die Schaltung fertig: ein Shunt mit 10 mΩ, ein nichtinvertierender Verstärker mit Faktor 101, dahinter der ADC eines Mikrocontrollers. Im Aufbau zeigt die Strommessung dann 300 mA an, obwohl gar nichts angeschlossen ist. Schuld ist der Operationsverstärker: Die Formeln der OPV-Grundschaltungen gehen von einem idealen Bauteil aus, mit unendlicher Verstärkung, ohne Eingangsstrom und beliebig schnell. Ein echter Operationsverstärker kommt dem nahe – aber nur so nahe, wie sein Datenblatt es erlaubt.

Warum ein echter OPV nicht ideal ist

Innen besteht fast jeder OPV aus drei Stufen. Am Eingang sitzt ein Differenzverstärker aus zwei möglichst gleichen Transistoren – bipolar, JFET oder CMOS. Dahinter folgt eine Spannungsverstärkerstufe mit einem kleinen eingebauten Kondensator, und am Ende eine Gegentakt-Ausgangsstufe, die den Strom liefert. Aus diesem Aufbau ergeben sich alle Abweichungen vom Ideal:

• Die beiden Eingangstransistoren sind nie exakt gleich. Der Unterschied wirkt wie eine kleine Spannungsquelle in Reihe zum Eingang: die Offsetspannung U_OS.
• Bipolare Eingänge brauchen Basisstrom. Er fließt als Eingangsruhestrom I_B (Biasstrom) und erzeugt an der Beschaltung zusätzliche Spannungen.
• Der Kondensator in der Mittelstufe macht den Verstärker stabil, begrenzt aber Bandbreite und Anstiegsgeschwindigkeit.
• Die Ausgangstransistoren brauchen etwas Spannung, deshalb reicht der Ausgang oft nicht bis an die Versorgung.

Das Schaltzeichen bleibt das bekannte Dreieck mit den Eingängen − und +. In Plänen lassen viele Zeichner die Versorgungsanschlüsse weg; bei einem Doppel-OPV wie dem LM358 tauchen sie dann als eigene Einheit mit V+ und V− auf. Die Pinbelegung der gängigen Gehäuse DIP-8 und SOIC-8 findest du unter IC-Gehäuse.

Die wichtigsten Kennwerte

Vier verbreitete Typen zeigen, wie weit die Werte auseinanderliegen:

Der Unterschied zwischen 7 mV und 10 µV ist ein Faktor 700. Was das bedeutet, zeigt die Shunt-Messung vom Anfang.

Offset und Biasstrom: Fehler am Ausgang

Beim nichtinvertierenden Verstärker mit R₁ nach Masse und R₂ in der Rückkopplung landet die Offsetspannung mit der vollen Verstärkung am Ausgang. Der Biasstrom des invertierenden Eingangs fließt durch R₂ und kommt noch dazu:

Auch die Drift zählt, weil die Platine warm wird. Erwärmt sie sich um 40 K, wandert der Offset des LM358 typisch um 7 µV/K · 40 K = 280 µV, am Ausgang also um rund 28 mV. Warum Halbleiter so temperaturempfindlich sind, erklärt Temperaturverhalten von Halbleitern.

Gegen den Biasstrom hilft bei bipolaren OPVs ein Ausgleichswiderstand im Plus-Eingang, so groß wie R₁ parallel R₂ (hier etwa 990 Ω); dann bleibt nur die Differenz der Biasströme übrig. Einen Offset-Abgleich per Trimmer gibt es auch, er gilt aber nur bei einer Temperatur. Besser ist meist gleich ein Präzisions- oder Zero-Drift-Typ.

Bandbreite: das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt

Ohne Gegenkopplung verstärkt ein OPV um 100 dB oder mehr – aber nur bei sehr tiefen Frequenzen. Ab wenigen Hertz fällt diese Leerlaufverstärkung mit 20 dB pro Dekade, bis sie beim GBW (Gain-Bandwidth-Product) den Wert 1 erreicht. Mit Gegenkopplung bleibt die eingestellte Verstärkung so lange flach, bis sie auf die Kurve der Leerlaufverstärkung trifft. Daraus folgt eine einfache Faustformel für die Grenzfrequenz:

Dabei ist V die Verstärkung des nichtinvertierenden Verstärkers, also 1 + R₂/R₁. Wie man solche Kurven liest, steht unter Bode-Diagramm; die Umrechnung zwischen Faktor und Dezibel unter Verstärkung und Dämpfung.

Für die Shunt-Messung mit V = 101 heißt das: Der LM358 schafft 0,7 MHz / 101 ≈ 6,9 kHz, der OPA333 nur 0,35 MHz / 101 ≈ 3,5 kHz – für eine Strommessung reicht beides. Ein Audioverstärker mit Faktor 100 und 20 kHz Bandbreite braucht dagegen mindestens 2 MHz GBW, besser das Doppelte.

Die Verstärkung für deine Widerstände rechnest du hier aus:

Slew-Rate: wie schnell der Ausgang folgen kann

Die Slew-Rate SR gibt an, wie schnell sich die Ausgangsspannung höchstens ändern kann, in Volt pro Mikrosekunde. Ein Sinus ändert sich im Nulldurchgang am schnellsten, mit 2π · f · Û. Daraus ergibt sich die höchste Frequenz für eine unverzerrte Amplitude:

GBW und Slew-Rate sind zwei verschiedene Grenzen: Das GBW gilt für kleine Signale, die Slew-Rate für große. Prüfe immer beide.

Versorgung und Aussteuerbereich

Viele Fehler entstehen nicht im Signalweg, sondern an den Grenzen der Versorgung. Zwei Fragen musst du für jeden Typ klären:

• Welchen Spannungsbereich verträgt der Eingang? Der Gleichtaktbereich (Common Mode Range) sagt, wie nah an V− und V+ die Eingangsspannung liegen darf. Der LM358 darf bis 0 V hinunter, aber nur bis etwa 1,5 V unter V+. Der klassische TL072 dagegen braucht rund 3 V Abstand zur negativen Schiene. Wird er unterschritten, kann sich der Ausgang schlagartig umkehren (Phasenumkehr) – eine böse Falle bei Einzelversorgung.
• Wie weit kommt der Ausgang? Ein Rail-to-Rail-Ausgang wie beim MCP6002 erreicht beide Schienen bis auf etwa 25 mV – bei kleinem Laststrom. Der LM358 kommt am Ausgang bis fast 0 V, bleibt aber bei 5 V Versorgung rund 1,5 V unter V+.

Bei einer einzigen Versorgung, etwa 3,3 V oder 5 V, legst du Wechselsignale auf eine künstliche Mitte, meist mit einem Spannungsteiler und einem Kondensator nach Masse. Wie Bezugspotential und Masse zusammenhängen, erklärt Masse, Erde und Ground.

Stabilität und kapazitive Last

Ein OPV, der als Spannungsfolger eine lange Leitung oder einen großen Kondensator treibt, kann schwingen: Die Lastkapazität bildet mit seinem Ausgangswiderstand ein zusätzliches Tiefpassglied in der Gegenkopplung, die Phasenreserve schrumpft. Abhilfe schafft ein Widerstand von etwa 47–100 Ω direkt am Ausgang, außerhalb der Rückkopplung.

Einige schnelle OPVs sind erst ab einer Mindestverstärkung stabil, etwa ab 5 („decompensated“); als Spannungsfolger schwingen sie. Und jeder OPV braucht einen Abblockkondensator von 100 nF direkt an seinen Versorgungspins, bei zwei Versorgungen an jedem.

Auswahl und Praxistipps

So gehst du bei der Auswahl vor:

1. Versorgung: 3,3 V oder 5 V verlangen einen Rail-to-Rail-Typ (MCP6002, TLV9002), ±15 V etwa TL072, NE5532 oder OPA2172.
2. Genauigkeit: Kleine Signale mit hoher Verstärkung – Shunts, Dehnungsmessstreifen, Thermoelemente – brauchen Präzisions- oder Zero-Drift-Typen; bei Brücken oft einen Instrumentenverstärker.
3. Quellwiderstand: Hochohmige Quellen wie Fotodioden verlangen JFET- oder CMOS-Eingänge.
4. Geschwindigkeit: GBW und Slew-Rate wie oben abschätzen, mit Reserve.
5. Stromaufnahme: Im Batteriebetrieb zählen Mikroampere. Ein OPA333 braucht 17 µA, ein LM358 etwa 350 µA pro Kanal.

Häufige Fehler:

• OPV als Komparator missbraucht: Das geht notdürftig, ist aber langsam; dafür gibt es den Komparator.
• Unbenutzter Kanal offen gelassen: Ein freier OPV in einem Doppel- oder Vierfachgehäuse kann schwingen und den Nachbarkanal stören. Schalte ihn als Spannungsfolger und lege den Plus-Eingang auf eine Spannung innerhalb des Gleichtaktbereichs, etwa die halbe Versorgung.
• Datenblattwerte bei falscher Versorgung gelesen: Viele Kennwerte gelten bei ±15 V. Bei 5 V sind Aussteuerbereich und GBW oft kleiner.
• Typischer statt maximaler Offset gerechnet: Für eine Serie zählt der Maximalwert, nicht der typische.

Selbsttest