Betriebsverstärker: Arbeitsprinzip, Typen, Pinout und Verwendet

Operationelle Verstärker oder OP-AMPs sind grundlegende Komponenten in der analogen Elektronik, die für ihre Vielseitigkeit, Präzision und weiten Anwendungsbereich bekannt sind.In diesem Artikel wird untersucht, wie OP-Ampere funktioniert, ihre interne Struktur, Konfigurationen, Leistungsspezifikationen und praktische Überlegungen, um diese nützlichen ICs besser zu verstehen und zu gestalten.

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Abbildung 1. Betriebsverstärker (Op-Ampere)

Was ist ein operativer Verstärker (Op-Ampere)?

Ein operativer Verstärker oder ein Operationsverstärker ist ein integrierter Schaltkreis (IC), der die Spannungsdifferenz zwischen zwei Eingangsklemmen, die als Inverting (-) und nicht invertierende (+) Eingänge bezeichnet wird, amplifiziert.Das resultierende amplifizierte Signal wird dann am Ausgang geliefert, der für ein effizientes Lastantrieb eine geringe Impedanz aufweist.

Erstellt, um mathematische Funktionen in analogen Computern wie Addition, Subtraktion, Integration und Differenzierung auszuführen, haben sich Op-Amps zu grundlegenden Bausteinen in der modernen Elektronik entwickelt.Sie werden jetzt häufig in Anwendungen wie aktiven Filtern, Signalverstärkern, Oszillatoren und Spannungsvergleichern verwendet.

Wie funktioniert ein Op-Ampere?

Im Kern ist ein Op-Amper einen mehrstufigen Verstärker, der die Differenz zwischen seinen beiden Eingangsanschlüssen stärkt.Es besteht typischerweise aus drei Hauptphasen:

• Eingangsstufe: Ein Differentialverstärker, der die Eingangsspannungen erfasst und vergleicht.

• Verstärkungsstufe: Verstärkt die kleine Spannungsdifferenz zur Eingangsphase.

• Ausgangsstufe: puffert das amplifizierte Signal in eine niedrige Impedanzausgabe ein, die externe Lasten wie Lautsprecher oder ADCs antreiben kann.

Da die Rohverstärkung extrem hoch ist, werden Op-Amps fast immer mit negativem Feedback verwendet.Diese Technik beinhaltet die Fütterung eines Teils der Ausgabe wieder in den invertierenden Eingang, um die Gesamtverstärkung zu stabilisieren und zu steuern, die Reaktion linearisieren und zu verhindern, dass die Ausgabe an den Versorgungsschienen sättigt.

Open-Loop vs. Closed-Loop-Betrieb

Abbildung 2. Open-Loop-Modus

• Open-Loop-Modus: In diesem Modus arbeitet der OP-Amp ohne Rückmeldung.Selbst die kleinste Differenz zwischen Eingängen (im Mikrovoltbereich) kann dazu führen, dass der Ausgang vollständig bis zur positiven oder negativen Versorgungsgrenze schwingt.Infolgedessen verhält es sich eher wie ein Komparator als wie ein linearer Verstärker.Open-Loop-Modus wird üblicherweise in Schaltungen wie Impulsdetektoren, Null-Crossing-Detektoren oder Schmitt-Triggern verwendet.Für die meisten Verstärkungsaufgaben ist es jedoch aufgrund der mangelnden Gewinnkontrolle und der Anfälligkeit für Instabilität ungeeignet.

Abbildung 3..

• Modus geschlossener Schleife: Hier wird ein Teil der Ausgabe über ein Feedback -Netzwerk in die invertierende Eingabe zurückgeleitet.Dieses negative Rückkopplung reguliert den Gewinn des Operationsverstärkers und verbessert die Linearität, die Bandbreite und die Gesamtgenauigkeit.Schaltkreise mit geschlossenen Schleife werden im analogen Design weithin bevorzugt, da Sie den Verstärkungsfaktor mit nur wenigen Widerständen definieren und stabilisieren können.

Eingabekonfigurationen

Abbildung 4. Eingang mit einem Endgänger

• Eingabeeingang: In diesem Setup wird das Signal auf einen Eingang angewendet (typischerweise das nicht invertierende Anschluss), während der andere Eingang mit Masse oder Referenzspannung verbunden ist.Es ist einfach zu implementieren, aber anfälliger für das Aufnehmen von Geräuschen und ist es nur für saubere Signalumgebungen geeignet.

Abbildung 5. Differentialeingabe

• Differentialeingabe: Beide Eingänge tragen Signale, und der OP-Amp verstärkt nur den Unterschied zwischen ihnen.Dies liefert eine hervorragende Abstoßung für Rauschgeräusche, was bedeutet, dass alle in beiden Eingänge vorhandenen Rauschen aufgehoben werden.Der Differentialbetrieb wird in Umgebungen mit elektrischer Störung oder zur Verstärkung kleiner Sensorausgänge verwendet.

Abbildung 6. Eingang des Common-Mode-Eingangs

• Common-Mode-Eingabe: Wenn beide Eingänge die gleiche Spannung erhalten, sollte ein idealer Operationsverstärker Null ausgeben.In Op-Amps wird das Ablehörige dieses Common-Mode-Signals durch das Common-Mode-Abstoßungsverhältnis (CMRR) gemessen.Hohe CMRR wird in Präzisionsmesssystemen und Audioanwendungen benötigt, um sicherzustellen, dass nur das gewünschte Signal verstärkt wird.

Op-Ampere-Pinout und interne Struktur

Beispiel

Abbildung 7. LM741 OP-Amp-Pin-Konfiguration

Stift	Funktion
1, 5	Offset Null
2	Inverting Input ( -)
3	Nicht invertierende Eingabe (+)
4	Negative Versorgung (V–)
6	Ausgabe
7	Positive Versorgung (V+)
8	Keine Verbindung (NC)

Arten von operativen Verstärkern

Betriebsverstärker sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, die jeweils auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten sind.Sie dienen sowohl in linearen als auch in nichtlinearen analogen Systemen als grundlegende Komponenten.Häufige Arten von Op-Amps umfassen:

Abbildung 8. Differentialverstärker

Differentialverstärker: Verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen zwei Eingangssignalen, während alle Common-Mode-Signale abgelehnt werden.Es ist grundlegend für die meisten OP-Ampere-Designs.

Abbildung 9. Instrumentierungsverstärker

Instrumentierungsverstärker: Diese Konfiguration erstellt mit drei Op-Amps und bietet eine hohe Eingangsimpedanz und eine hervorragende Abstoßung für Common-Mode.Es ist ideal, um Signale von Sensoren und Wandlern auf niedrige Ebene zu verstärken.

Abbildung 10. Isolationsverstärker

Isolationsverstärker: Ähnlich wie in der Funktion eines Instrumentierungsverstärkers, umfasst jedoch eine galvanische Isolation.Es schützt Schaltungen vor Spannungen mit hoher Common-Mode, die sonst die Standard-Op-Ampere schädigen würden.

Abbildung 11. Verstärker des negativen Feedbacks

Verstärker negativer Feedback: Verwendet ein oder mehrere OP-Ampere mit einem resistiven Feedback-Netzwerk, um die Verstärkung zu steuern, die Stabilität zu verbessern und die Antwort linearisieren.Diese Topologie wird in der analogen Signalkonditionierung häufig verwendet.

Abbildung 12. Leistungsverstärker

Leistungsverstärker: Entwickelt, um Lasten mit niedriger Impedanz durchzuführen, indem kleine Eingangssignale wie diejenigen von Mikrofonen oder Antennen gestärkt werden, die für Lautsprecher oder Übertragung geeignet sind.

Op-Ampere-Spezifikationen

Spezifikation	Beschreibung
Open-Loop-Gewinn	Zeigt Rohverstärkungsfunktion an; Oft ≥ 100.000
Eingangsimpedanz	Hohe Impedanz verhindert das Eingangssignal Verzerrung oder Belastung
Ausgangsimpedanz	Niedrige Impedanz sorgt für ein wirksames Signal Lieferung in die nächste Stufe
Bandbreite	Der Frequenzbereich, den der Op-Ampere kann effektiv verstärken
Gewinne-Bandbreitenprodukt	Definiert den Kompromiss zwischen Gewinn und Nutzbare Bandbreite
Eingangsversatzspannung	Die Spannung, die zum Null des Ausgangs erforderlich ist Wenn die Eingänge gleich sind
Schwindelrate	Wie schnell sich die Ausgabe ändern kann;wichtig Für schnelle oder gepulste Signale
PSRR	Zeigt an, wie gut sich der Op-Ampere widersetzt Stromversorgungsgeräusche
Ruhender Strom	Stromverbrauch im Leerlauf
Lärm	Beeinflusst Signalklarheit, insbesondere in Signalanwendungen mit niedriger Ebene

Vor- und Nachteile von Op-Amps

Profis

• kostengünstig und leicht für verschiedene Leistungsstufen verfügbar

• Hohe Eingangsimpedanz bedeutet, dass sie Sensorsignale nicht laden

• Niedrige Ausgangsimpedanz ermöglicht eine direkte Verbindung zu Lasten oder ADCs

• Flexible Konfigurationen: Verstärker, Filter, Wandler, Oszillatoren

• Einfache Integration: Von einfachen analogen Funktionen bis hin zu komplexen Steuerungssystemen

Nachteile

• Kann mit kapazitiven Belastungen schwingen, sofern nicht kompensiert

• Bandbreitenbeschränkungen bei hohen Gewinnen verringern die Nützlichkeit bei hohen Frequenzen

• Wärmeffekte und Komponentenverträglichkeiten beeinflussen die Präzision

• Erfordern Sie sorgfältiges Design, um Instabilität und unerwünschtes Verhalten zu vermeiden

Beliebte Op-Ampere-ICs und Anwendungsfälle

Op-Amp IC	Anwendungsbeispiel
LM741	Allgemeine Verstärker, Integratoren
Tl081	Instrumente und Audio mit niedriger Nr. Schaltungen
LM358	Batteriebetriebene Dual-Op-Ampere-Systeme
Op07	Hochvorbereitete Signalkonditionierung
TL072	Audiovorverstärker und Filter mit niedrig Lärm

Häufige Konfigurationen von Op-Amp-Schaltkreisen

• Spannungsfolger (Puffer): Einheitsverstärkung (1 ×) sorgt ohne Verstärkung Isolation.Ideal zum Anschließen von hohen Impedanzquellen mit niedrigen Impedanzlasten.

• Inverting -Verstärker: Signal geht in den invertierenden Eingang ein;Die Ausgabe wird durch –rf/rin invertiert und skaliert.

• Nicht invertierender Verstärker: Die Eingabe geht an nicht invertierende Klemme;Bewahrt die Signalpolarität mit Gain = 1 + (RF/RIN).

• Vergleicher: Kein Feedback;Vergleicht zwei Eingänge und treibt den Ausgang hoch oder niedrig an, basierend darauf, welche Eingabe größer ist.

Ideal gegen echte Op-Amper-Eigenschaften

Parameter	Idealer Wert	Realistischer Wert
Gewinnen	Unendlich	100.000 (typische Open-Loop)
Eingangsimpedanz	Unendlich	1 MΩ bis 10 TΩ
Ausgangsimpedanz	Null	Dutzende von Ohm (typisch)
Bandbreite	Unbegrenzt	Durch Gewinnbandbreite eingeschränkt
Stromnutzung	Keiner	Zehn bis Hunderte von µA oder MA

Fehlerbehebung mit Op-Amper-Schaltungen

• Oszillationen: Verursacht durch schlechte Layout, hohe Schleifengewinn oder kapazitive Belastung.Lösungen umfassen das Platzieren von Entkopplungskondensatoren (z. B. 0,1 µF Keramik) in der Nähe der Versorgungsstifte, das Hinzufügen von Kompensationskondensatoren über Rückkopplungswiderstände sowie die Verbesserung der PCB-Erdung und das Minimieren von Spuren mit hoher Immpedanz.

• Ausschnitt: Tritt auf, wenn das Eingangssignal oder Verstärkung den Ausgang über den Versorgungsbereich des Operationsverstärkers hinaus drückt.Senkung der Eingangssignalamplitude.Zunehmende Versorgungsspannung (innerhalb der Nenngrenze des Operationsverstärkers).Verwenden von Schienen-zu-Rail-Op-Amps, wenn der volle Ausgangsschwung erforderlich ist.

• Fehler erhalten: Typischerweise resultieren Sie aus falschen oder nicht übereinstimmenden Widerstandswerten.Doppelprüf-Widerstandswerte und -Toleranzen mit einem Multimeter.Verwenden Sie Präzisionswiderstände (1% oder besser), um einen konsistenten Gewinn zu erzielen.

• Offset -Drift: Als Ausgang von ungleich Null mit null Eingang aufgrund der Eingangs-Offset-Spannung oder Temperaturvariation gesehen.Verwenden Sie OP-Ampere mit niedrigem Eingangsversatz und Driftspezifikationen.Implementieren Sie Offset -Nulling -Schaltungen mit externen Einstellstiften oder Trimmwiderständen.

Abschluss

OP-Ampere sind in der modernen Elektronik aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit, Erschwinglichkeit und robuster Leistung in einer Vielzahl von analogen Schaltungen nach wie vor notwendig.Unabhängig davon, ob Sie Verstärker, Filter oder Komparatoren entwerfen, ist das Verständnis des Verhaltens, der Spezifikationen und der Einschränkungen von Op-Ampere der Schlüssel zum Aufbau zuverlässiger und effizienter Systeme.Mit der richtigen Auswahl und sorgfältigen Konstruktion können OP-AMPs komplexe analoge Herausforderungen in allem lösen, von medizinischen Instrumenten bis hin zu Audioverarbeitung und industrieller Kontrolle.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Was ist der Unterschied zwischen einem Op-Ampere und einem Vergleicher?

Während sowohl Op-Ampere als auch Komparatoren zwei Eingangsspannungen vergleichen, sind Op-Amps für die lineare Amplifikation häufig unter Verwendung von Rückkopplungen ausgelegt, während Vergleiche für die schnelle Schaltung zwischen hohen und niedrigen Ausgangszuständen ohne Rückkopplung optimiert werden.Komparatoren haben in der Regel schnellere Reaktionszeiten und Ausgangsstufen, die für die Schnittstelle auf Logikebene geeignet sind.

2. Kann ein Op-Ampere mit einem einzigen Netzteil arbeiten?

Ja, viele moderne Operationsverstärker sind so ausgelegt, dass sie mit einer einzigen Versorgungsspannung von 3 V bis 36 V betrieben werden. Stellen Sie jedoch sicher, dass die Eingangs- und Ausgangssignalbereiche im Eingangsbereich des Geräts und Ausgangsschwunggrenzen bleiben, die möglicherweise nicht ohne Schienen-zu-Rail-Design den Boden oder VCC erreichen.

3. Warum verwenden Op-Ampere negatives Feedback?

Das negative Rückkopplung stabilisiert die hohe Verstärkung des Op-Amps mit offenem Kreislauf und ermöglicht eine präzise Kontrolle über die Verstärkung mit geschlossenen Schleife, die Verbesserung der Linearität und die Erweiterung der Bandbreite.Es reduziert auch die Verzerrung und verbessert die dynamische Leistung bei Verstärkungs- und Signalverarbeitungsschaltungen.

4. Was verursacht einen Op-Ampere, der schwankt?

Op-Ampere-Schwingungen sind häufig auf kapazitive Belastungen, schlechtes PCB-Layout oder unzureichender Phasenrand zurückzuführen.Die Verwendung von Kompensationstechniken wie dem Hinzufügen eines Serienwiderstands am Ausgang oder der Auswahl eines stabilen Operationsverstärkers mit einem Einheit kann dazu beitragen, die Stabilität aufrechtzuerhalten, insbesondere bei Hochgeschwindigkeits- oder Feedback-sensitiven Designs.

5. Wie wählen Sie den richtigen Operationsverstärker für Anwendungen mit niedriger Nutzung aus?

Wählen Sie für Anwendungen mit niedrigem Rang einen OP-Ampere mit niedriger Eingangsspannung und Stromrauschdichte aus, die häufig in NV/√Hz und FA/√Hz angegeben ist.Betrachten Sie auch Bandbreite, Offset -Spannung und Packungsschutz.Geräte wie der OPA1612 oder LT1028 sind für die Leistung von Ultra-Low-Rauschen optimiert.