Top 10 grundlegende Operationsverstärker-Schaltungen

Operationsverstärker (Op-Amps) sind lineare Geräte, die alle Eigenschaften für nahezu ideale Gleichstromverstärkung besitzen und daher häufig zur Signalaufbereitung oder -filterung sowie für mathematische Operationen wie Addition, Subtraktion, Integration und Differentiation verwendet werden. Ziel dieses Artikels ist es, 10 grundlegende Schaltungen für Einsteiger in das Elektronikdesign vorzustellen und das Wissen von Ingenieuren wieder aufzufrischen.

1. Spannungsfolger

Die grundlegendste Schaltung ist der Spannungsfolger, da keine externen Komponenten erforderlich sind. Da die Ausgangsspannung der Eingangsspannung entspricht, könnten Schüler verwirrt sein und sich fragen, ob diese Art von Schaltung eine praktische Anwendung besitzt.

Diese Schaltung ermöglicht die Erzeugung eines Eingangs mit sehr hoher Impedanz und eines Ausgangs mit niedriger Impedanz. Dies ist nützlich, um Logikpegel zwischen zwei Komponenten zu verbinden oder wenn die Stromversorgung auf einem Spannungsteiler basiert. Die untenstehende Abbildung basiert auf einem Spannungsteiler, und die Schaltung kann nicht funktionieren. Tatsächlich kann die Lastimpedanz starke Schwankungen aufweisen, sodass sich die Spannung V_out drastisch ändern kann, insbesondere wenn die Lastimpedanz einen Wert in ähnlicher Größenordnung wie R2 hat.

Um dieses Problem zu lösen, wird ein Verstärker zwischen der Last und dem Spannungsteiler (siehe Abbildung unten) eingefügt. Dadurch hängt Vout von R1 und R2 ab und nicht vom Lastwert.

Das Hauptziel eines Operationsverstärkers, wie der Name schon sagt, ist es, ein Signal zu verstärken. Zum Beispiel muss das Ausgangssignal eines Sensors verstärkt werden, damit der ADC dieses Signal messen kann.

2. Invertierender Operationsverstärker

Bei dieser Konfiguration wird der Ausgang über einen Widerstand (R2) an den negativen oder invertierenden Eingang zurückgeführt. Das Eingangssignal wird durch einen Widerstand (R1) an diesen invertierenden Pin angelegt.

Der positive Pin ist mit der Masse verbunden.

Dies wird im speziellen Fall deutlich, in dem R1 und R2 gleich sind. Diese Konfiguration ermöglicht die Erzeugung eines Signals, das komplementär zum Eingang ist, da der Ausgang exakt das Gegenteil des Eingangssignals ist.

Aufgrund des negativen Vorzeichens sind Ausgangs- und Eingangssignal nicht in Phase. Wenn beide Signale in Phase sein müssen, wird ein nicht invertierender Verstärker verwendet.

3. Nichtinvertierender Operationsverstärker

Diese Konfiguration ist der invertierenden Operationsverstärkerschaltung sehr ähnlich. Für den nicht-invertierenden Verstärker wird die Eingangsspannung direkt an den nicht-invertierenden Pin angelegt, und das Ende der Rückkopplungsschleife ist mit Masse verbunden.

Diese Konfigurationen ermöglichen die Verstärkung eines Signals. Es ist möglich, mehrere Signale durch die Verwendung von Summierverstärkern zu verstärken.

4. Nicht-invertierender Summierverstärker

Um 2 Spannungen zu addieren, können lediglich 2 Widerstände am positiven Pin zur nicht-invertierenden Operationsverstärkerschaltung hinzugefügt werden.

Es ist bemerkenswert, dass das Hinzufügen mehrerer Spannungen keine sehr flexible Lösung darstellt. Tatsächlich würde bei Hinzufügung einer dritten Spannung mit genau denselben Widerständen die Formel V_s = 2/3 (V₁ + V₂ + V₃) lauten.

Die Widerstände müssten geändert werden, um V_s = V₁ + V₂ + V₃ zu erreichen, oder eine zweite Möglichkeit besteht darin, einen invertierenden Summierverstärker zu verwenden.

5. Invertierender Summierverstärker

Durch das Hinzufügen von Widerständen parallel zum invertierenden Eingangspin des invertierenden Operationsverstärker-Schaltkreises werden alle Spannungen summiert.

Im Gegensatz zum nichtinvertierenden Summierverstärker können beliebig viele Spannungen hinzugefügt werden, ohne die Widerstandswerte zu ändern.

6. Differenzialverstärker

Der invertierende Operationsverstärker (siehe Schaltung Nummer 2) verstärkt eine Spannung, die an den invertierenden Pin angelegt wird, und die Ausgangsspannung ist phasenverschoben. Der nicht-invertierende Pin ist in dieser Konfiguration mit Masse verbunden.

Wenn die obige Schaltung durch Anlegen einer Spannung über einen Spannungsteiler am nicht-invertierenden Eingang modifiziert wird, erhalten wir einen Differenzverstärker, wie unten gezeigt.

Ein Verstärker ist nicht nur nützlich, weil er es Ihnen ermöglicht, Spannungen zu addieren, zu subtrahieren oder zu vergleichen. Viele Schaltungen ermöglichen es Ihnen, Signale zu verändern. Sehen wir uns die grundlegendsten an.

7. Integrator

Ein Rechtecksignal ist sehr einfach zu erzeugen, indem man beispielsweise einfach einen GPIO eines Mikrocontrollers umschaltet. Wenn ein Stromkreis eine Dreieckswellenform benötigt, ist eine gute Methode, einfach das Rechtecksignal zu integrieren. Mit einem Operationsverstärker, einem Kondensator im invertierenden Rückkopplungspfad und einem Widerstand am invertierenden Eingangspin, wie unten gezeigt, wird das Eingangssignal integriert.

Beachten Sie, dass häufig ein Widerstand parallel zum Kondensator geschaltet wird, um Sättigungsprobleme zu vermeiden. Tatsächlich wirkt der Kondensator bei einem Eingangssignal mit sehr niedriger Frequenz wie ein offener Stromkreis und blockiert die Rückkopplungsspannung. Der Verstärker verhält sich dann wie ein normaler Verstärker mit offenem Regelkreis, der eine sehr hohe Verstärkung im offenen Regelkreis hat, und der Verstärker ist gesättigt. Dank eines Widerstands parallel zum Kondensator verhält sich die Schaltung wie ein invertierender Verstärker bei niedriger Frequenz und Sättigung wird vermieden.

8. Operationsverstärker-Differenzierer

Der Differenzierer funktioniert ähnlich wie der Integrator, indem der Kondensator und der Widerstand vertauscht werden.

Alle bisher vorgestellten Konfigurationen.

9. Strom-Spannung-Wandler

Ein Photodetektor wandelt Licht in einen Strom um. Um diesen Strom in eine Spannung umzuwandeln, kann eine einfache Schaltung mit einem Operationsverstärker verwendet werden. Eine Rückkopplungsschleife durch einen Widerstand am nicht-invertierenden Eingang und die Diode, die zwischen den beiden Eingangspins angeschlossen ist, ermöglichen es Ihnen, eine Ausgangsspannung zu erhalten, die proportional zum Strom ist, der von der Photodiode erzeugt wird, was durch die Lichtcharakteristik deutlich wird.

Die obige Schaltung wendet das Ohmsche Gesetz mit der grundlegenden Formel an: Spannung ist gleich Widerstand multipliziert mit Strom. Der Widerstand wird in Ohm angegeben und ist immer positiv. Aber dank Operationsverstärkern kann ein negativer Widerstand konstruiert werden!

10. Negative Resistanz

Eine Rückkopplung am invertierenden Pin bewirkt, dass die Ausgangsspannung doppelt so hoch ist wie die Eingangsspannung. Da die Ausgangsspannung stets höher ist als die Eingangsspannung, simuliert die positive Rückkopplung über den R1-Widerstand am nicht invertierenden Pin einen negativen Widerstand.

Schließlich verändert ein Schaltkreis mit Operationsverstärker nicht unbedingt das Eingangssignal, sondern er zeichnet es auf, wie der Spitzenwertdetektor-Verstärker.

Außerdem: Spitzenwert-Detektor Operationsverstärker

Der Kondensator wird als Speicher verwendet. Wenn die Eingangsspannung am nichtinvertierenden Eingang höher ist als die Spannung am invertierenden Eingang, die gleichzeitig die Spannung über den Kondensator ist, tritt der Verstärker in Sättigung und die Diode wird leitend, wodurch der Kondensator geladen wird. Vorausgesetzt, der Kondensator hat keine schnelle Selbstentladung, wird die Diode blockiert, wenn die Eingangsspannung Ve niedriger ist als die Spannung über den Kondensator. Dadurch wird die Spitzenspannung dank des Kondensators aufgezeichnet.

Viele weitere Schaltungen sind mit Operationsverstärkern verfügbar, aber das Verständnis dieser grundlegenden 10 Schaltungen ermöglicht es Ihnen, problemlos komplexere Schaltungen zu studieren.