Nichtinvertierender Verstärker

Viele Sensoren liefern Spannungen, die für einen ADC viel zu klein sind: ein Temperatursensor 10 mV pro Grad, eine Brücke ein paar Millivolt, ein Shunt ein paar Dutzend. Der nichtinvertierende Verstärker hebt solche Signale an, ohne ihr Vorzeichen umzudrehen, und belastet die Quelle dabei praktisch nicht. Das Signal geht direkt an den Plus-Eingang eines Operationsverstärkers; ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen bestimmt die Verstärkung.

Er ist die Standardstufe vor dem ADC eines Mikrocontrollers, als Vorverstärker für Messsignale und als Puffer mit Verstärkung. Hier baust du ihn für einen konkreten Fall: Ein LM35 misst 0 bis 100 °C und liefert dabei 0 bis 1 V. Der ADC eines 3,3-V-Mikrocontrollers soll seinen ganzen Bereich nutzen.

Schaltplan

• IC2, LM35: analoger Temperatursensor, 10 mV/°C, ab 0 °C bei 0 V. Er braucht mindestens 4 V Versorgung und hängt deshalb an 5 V.
• IC1A, MCP6002: Doppel-OPV mit Rail-to-Rail-Ein- und Ausgang an 3,3 V. So kann sein Ausgang den ADC nie überfahren.
• R2, 22 kΩ: führt vom Ausgang zum Minus-Eingang zurück.
• R1, 10 kΩ: vom Minus-Eingang nach Masse. Zusammen mit R2 bildet er den Rückkopplungsteiler.

So funktioniert die Schaltung

Der OPV regelt seinen Ausgang so lange nach, bis beide Eingänge dieselbe Spannung haben. Am Minus-Eingang liegt die Mitte des Teilers R2/R1, also der Bruchteil R₁ / (R₁ + R₂) der Ausgangsspannung. Damit dieser Bruchteil gleich der Eingangsspannung wird, muss der Ausgang entsprechend höher liegen:

Die Verstärkung ist immer mindestens 1 und das Vorzeichen bleibt erhalten. Weil das Signal am Plus-Eingang endet und dort nur der winzige Eingangsstrom fließt (beim MCP6002 etwa 1 pA), ist der Eingangswiderstand riesig. Der LM35 merkt nichts von der Stufe; anders als beim invertierenden Verstärker, bei dem die Quelle den Strom durch R1 liefern muss.

Ein Unterschied zum invertierenden Verstärker ist wichtig für die Auswahl des OPVs: Beide Eingänge folgen hier dem Signal. Der OPV muss also über den ganzen Signalbereich im zulässigen Gleichtaktbereich bleiben. Für 0 bis 1 V an 3,3 V ist das bei fast jedem Typ erfüllt, bei Signalen nahe der oberen Schiene aber nicht.

Dimensionierung

1. Verstärkung festlegen. Bei 100 °C liefert der LM35 1,0 V. Der Ausgang soll knapp unter 3,3 V bleiben, also etwa 3,2 V erreichen:

2. Widerstände. Gesucht ist R₂ / R₁ = V − 1 = 2,2. Mit R1 = 10 kΩ wird R2 = 22 kΩ, beide aus der E12-Reihe. Die Verstärkung ist damit genau 1 + 22 / 10 = 3,2. Werte zwischen 1 kΩ und 100 kΩ sind richtig: kleiner belastet den Ausgang, größer macht den Minus-Knoten empfindlich für Störungen.

3. Ausgangsbereich prüfen. Der MCP6002 kommt bis auf 25 mV an die Schienen. Unten heißt das: Unter 25 mV / 3,2 / 10 mV/°C ≈ 0,8 °C zeigt die Stufe 0,8 °C an. Oben erreicht der Ausgang bei 100 °C 3,2 V, der Anschlag liegt erst bei 102 °C. Der nutzbare Bereich ist also 1 bis 100 °C.

4. Auflösung. Ein 12-Bit-ADC an 3,3 V unterscheidet Stufen von 0,81 mV. Am Sensor sind das 0,81 mV / 3,2 ≈ 0,25 mV, also 0,025 °C. Ohne Verstärker wären es 0,08 °C, und der ADC nutzte nur ein Drittel seines Bereichs.

5. Fehler abschätzen. Die Offsetspannung wird wie das Signal verstärkt. Beim MCP6002 sind das höchstens 4,5 mV, bezogen auf den Eingang also 0,45 °C. Der LM35 selbst ist bei 25 °C je nach Ausführung auf ±0,5 °C (LM35A) bis ±1,5 °C (LM35D) genau, der Offset fällt damit nicht aus dem Rahmen. Wer genauer messen will, nimmt einen Zero-Drift-Typ wie den OPA333 mit 10 µV Offset; das entspricht 0,001 °C.

Im Programm rechnest du die ADC-Werte zurück. Für 12 Bit und 3,3 V Referenz:

const int PIN_TEMP = 34;               // ADC-Pin am Ausgang des OPVs
const float V = 3.2;                   // 1 + 22 kΩ / 10 kΩ

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  analogReadResolution(12);
}

void loop() {
  float ua = analogRead(PIN_TEMP) * 3.3 / 4095.0;   // Volt am ADC
  float grad = ua / V / 0.010;                      // 10 mV pro °C
  Serial.println(grad, 1);
  delay(1000);
}

Bauteilliste

Varianten

Spannungsfolger. Lässt du R1 weg und ersetzt R2 durch eine Drahtbrücke, wird die Verstärkung 1. Diese Sonderform ist der Spannungsfolger, der hochohmige Quellen puffert.

Höhere Verstärkung. Für einen Shunt oder eine Brücke braucht man oft das Hundertfache. Ab etwa 100 teilst du die Verstärkung besser auf zwei Stufen auf, sonst wird die Bandbreite knapp und der Offset dominiert. Für Messbrücken ist der Brückenverstärker die bessere Wahl.

Wechselsignale an einer Versorgung. Ein Mikrofon- oder Audiosignal koppelst du über einen Kondensator ein und legst den Plus-Eingang über einen hochohmigen Widerstand auf die halbe Versorgung. In Reihe zu R1 kommt ein Kondensator, damit die Stufe für Gleichspannung nur um 1 verstärkt und der Ausgang in der Mitte bleibt. So arbeitet der Elektret-Mikrofonverstärker.

Mit Offset. Muss der Messbereich nicht bei 0 V beginnen, verschiebst du ihn mit einem Teiler am Fußpunkt von R1 oder mit dem Subtrahierer.

Typische Fehler

• Ausgang bleibt bei 1,8 V oder 3,5 V stehen: Kein Rail-to-Rail-OPV. Der LM358 kommt am Ausgang nur bis etwa 1,5 V unter seine Versorgung. An 5 V betrieben schafft er 3,5 V – und kann damit einen 3,3-V-ADC überfahren. Die Grenzen erklärt Operationsverstärker in der Praxis.
• R1 und R2 vertauscht: Die Verstärkung wird 1 + 10/22 ≈ 1,45 statt 3,2. Miss die Spannung am Minus-Eingang; sie muss gleich der Sensorspannung sein.
• Anzeige springt um ein paar Grad: Der Sensor sitzt am Ende eines langen Kabels und fängt Störungen ein, oder der LM35 schwingt an der Kabelkapazität. Ein Widerstand von 1 kΩ zwischen Sensor und Leitung, der Kondensator parallel zu R2 und ein Abblockkondensator am Sensor beheben das meist.
• Sensor an, OPV noch aus: Bekommt der LM35 seine 5 V früher als der OPV seine 3,3 V, fließt Strom über die Schutzdioden des Eingangs. Ein Widerstand von 1 bis 10 kΩ vor dem Plus-Eingang begrenzt ihn.
• Messwert um den Faktor 3,2 zu klein: R1 hat keine Verbindung zur Masse. Dann fließt kein Strom durch R2, und die Stufe arbeitet als Spannungsfolger. Ist dagegen R2 unterbrochen, fehlt die Gegenkopplung ganz, und der Ausgang springt an eine Schiene.

Selbsttest