Neben Widerständen und Kondensatoren, die passive Komponenten sind, gehören Operationsverstärker zu den Grundbausteinen analoger elektronischer Schaltkreise. Operationsverstärker sind lineare Bauelemente, die alle für eine nahezu ideale Gleichstromverstärkung erforderlichen Eigenschaften besitzen und daher in großem Umfang zur Signalkonditionierung oder -filterung oder zur Durchführung mathematischer Operationen wie Addieren, Subtrahieren, Integrieren und Differenzieren eingesetzt werden. Der Zweck dieses Artikels ist es, 10 grundlegende Schaltungen für Elektronikentwicklungs-Neueinsteiger vorzustellen und rostige Köpfe von Ingenieuren aufzufrischen.
1. Spannungsfolger
Die einfachste Schaltung ist der Spannungspuffer, da für ihn keine externen Komponenten benötigt werden. Da der Spannungsausgang gleich dem Spannungseingang ist, fragen sich Schüler oft, ob diese Art von Schaltung eine praktische Anwendung hat.
Diese Schaltung ermöglicht die Erzeugung einer sehr hohen Eingangsimpedanz und einer sehr niedrigen Ausgangsimpedanz. Dies ist nützlich, um Logikpegel zwischen zwei Komponenten zu verbinden oder wenn ein Netzteil auf einem Spannungsteiler basiert. Die folgende Abbildung basiert auf einem Spannungsteiler, und die Schaltung kann nicht funktionieren. Tatsächlich kann die Lastimpedanz große Schwankungen aufweisen, so dass sich die Vout-Spannung drastisch ändern kann, vor allem wenn die Lastimpedanz einen Wert von der gleichen Größe wie R2 hat.
Um dieses Problem zu lösen, wird ein Verstärker zwischen der Last und dem Spannungsteiler (siehe Abbildung unten) eingesetzt. Vout ist also abhängig von R1 und R2 und nicht vom Lastwert.
Das primäre Ziel eines Operationsverstärkers ist es, wie sein Name schon sagt, ein Signal zu verstärken. Beispielsweise muss der Ausgang eines Sensors verstärkt werden, damit der A/D-W dieses Signal messen kann.
2. Invertierender Operationsverstärker
In dieser Konfiguration wird der Ausgang über einen Widerstand (R2) zum negativen oder invertierenden Eingang zurückgeführt. Das Eingangssignal wird über einen Widerstand (R1) an diesen invertierenden Pin angelegt.
Der Pluspol ist geerdet.
Dies zeigt sich in dem speziellen Fall, in dem R1 und R2 gleich sind. Diese Konfiguration ermöglicht die Erzeugung eines zum Eingang komplementären Signals, da der Ausgang genau das Gegenteil des Eingangssignals ist.
Aufgrund des negativen Vorzeichens sind die Ausgangs- und Eingangssignale phasenverschoben. Wenn beide Signale phasengleich sein müssen, wird ein nicht invertierender Verstärker verwendet.
3. Nicht-invertierender Operationsverstärker
Diese Konfiguration ist dem invertierenden Operationsverstärker sehr ähnlich. Bei der nicht-invertierenden wird die Eingangsspannung direkt an den nicht-invertierenden Pol angelegt und das Ende der Feedbackschleife wird geerdet.
Diese Konfigurationen ermöglichen die Verstärkung eines Signals. Es ist möglich, mehrere Signale mit Hilfe von Summierverstärkern zu verstärken.
4. Nicht-invertierender Summierverstärker
Um 2 Spannungen zu addieren, können nur 2 Widerstände am Pluspol der nicht-invertierenden Operationsverstärkerschaltung angeschlossen werden.
Es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass das Hinzufügen mehrerer Spannungen keine sehr flexible Lösung ist. Wird eine 3. Spannung mit genau den gleichen Widerständen addiert, ergibt sich die Formel Vs = 2/3 (V1 + V2 + V3).
Die Widerstände müssten geändert werden, um Vs = V1 + V2 + V3 zu erhalten, oder eine zweite Option ist die Verwendung eines invertierenden Summierverstärkers.
5. Invertierender Summierverstärker
Durch Parallelschaltung von Widerständen am invertierenden Eingangspol der invertierenden Operationsverstärkerschaltung werden alle Spannungen summiert.
Im Gegensatz zum nicht-invertierenden Summierverstärker können beliebig viele Spannungen addiert werden, ohne die Widerstandswerte zu verändern.
6. Differenzverstärker
Der invertierende Operationsverstärker (siehe Schaltungsnummer 2) hat eine Spannung verstärkt, die an den invertierenden Pol geschaltet wurde, und die Ausgangsspannung war phasenverschoben. Der nicht-invertierende Pol ist bei dieser Konfiguration geerdet.
Wird die obige Schaltung durch Anlegen einer Spannung über einen Spannungsteiler am Nicht-Inverter verändert, erhalten wir einen Differenzverstärker wie unten gezeigt.
Ein Verstärker ist nicht nur nützlich, weil man damit Spannungen addieren, subtrahieren oder vergleichen kann. Bei vielen Schaltungen ist es möglich, Signale zu verändern. Sehen wir uns die einfachsten an.
7. Integrierschaltkreis
Eine Rechteckwelle lässt sich sehr einfach erzeugen, indem man z. B. einen GPIO eines Mikrocontrollers umschaltet. Wenn bei einer Schaltung eine Dreieckswellenform benötigt wird, kann am besten einfach das Rechtecksignal integriert werden. Bei einem Operationsverstärker, einem Kondensator auf dem invertierenden Rückkopplungspfad und einem Widerstand auf dem invertierenden Eingangspin wie unten gezeigt, ist das Eingangssignal integriert.
Beachten Sie, dass bei Sättigungsproblemen oft ein Widerstand parallel zum Kondensator geschaltet wird. Wenn das Eingangssignal eine sehr niederfrequente Sinuswelle ist, wirkt der Kondensator tatsächlich wie ein offener Stromkreis und blockiert die Rückkopplungsspannung. Der Verstärker ist dann wie ein normaler Open-Loop-Verstärker mit sehr hoher Open-Loop-Verstärkung, und der Verstärker ist gesättigt. Dank eines Widerstandes parallel zum Kondensator verhält sich die Schaltung wie ein invertierender Verstärker mit niedriger Frequenz, und die Sättigung wird vermieden.
8. Differentiatorverstärker
Der Differentiator arbeitet ähnlich wie der Integrator, indem er den Kondensator und den Widerstand vertauscht.
Alle bisher vorgestellten Konfigurationen.
9. Konverterstrom – Spannung
Ein Photodetektor wandelt Licht in Strom um. Um den Strom in Spannung umzuwandeln, ermöglicht eine einfache Schaltung mit einem Operationsverstärker, eine Rückkopplungsschleife durch einen Widerstand auf der nicht-invertierenden Seite und die zwischen die beiden Eingangspins geschaltete Diode eine Ausgangsspannung proportional zum von der Photodiode erzeugten Strom, was durch die Lichteigenschaften deutlich wird.
Die obige Schaltung wendet das Ohm'sche Gesetz mit der folgenden Grundformel an: Spannung ist gleich dem Widerstand multipliziert mit Strom. Der Widerstand ist in Ohm und ist immer positiv. Aber dank Operationsverstärkern kann ein negativer Widerstand ausgelegt werden!
10. Negativer Widerstand
Eine Rückführung zum invertierenden Pin zwingt die Ausgangsspannung auf das Doppelte der Eingangsspannung. Da die Ausgangsspannung immer höher ist als die Eingangsspannung, simuliert die positive Rückkopplung über den R1-Widerstand am nicht-invertierenden Pin einen negativen Widerstand.
Schließlich verändert eine Schaltung mit Operationsverstärker nicht unbedingt das Eingangssignal, sondern zeichnet es wie der Peak-Detektor-Verstärker auf.
Auch: Peak-Detektor-Operationsverstärker
Der Kondensator dient als Speicher. Wenn die Eingangsspannung am nicht-invertierenden Eingang höher ist als die Spannung am invertierenden Eingang, die auch die Spannung am Kondensator ist, geht der Verstärker in Sättigung und die Diode wird leitend und lädt den Kondensator auf. Unter der Annahme, dass der Kondensator keine schnelle Selbstentladung hat, wird die Diode blockiert, wenn die Eingangsspannung VE niedriger ist als die Spannung am Kondensator. Somit wird die Spitzenspannung dank des Kondensators aufgezeichnet.
Viele weitere Schaltungen sind mit Operationsverstärkern erhältlich, aber das Verständnis dieser grundlegenden 10 Schaltungen ermöglicht es Ihnen, auch komplexere Schaltungen zu studieren.