Operationsverstärker Grundschaltungen Differenzverstärker
Verstärker
Häufig müssen Sensorsignale in der ersten Stufe der Verarbeitung verstärkt werden und bei Spannungen von Meßbrücken wird die verstärkte Differenzspannung als Spannung gegen Masse benötigt. Schaltungen mit Operationsvertärkern die diese Aufgabe erfüllen werden hier dargestellt.
Datei:OperationsverstärkerBild1.gif
Bild 1 zeigt die Schaltung für positive Verstärkung Bild 2 die Schaltung für neagtive Verstärkung.
Die Beiden Schaltungen haben die gleiche Konfiguration, es wird nur jeweils der andere Eingang an Masse geschaltet. Mit U1 am positiven Eingang und U2 am negativen Eingang erhält man in beiden Fällen für die Ausgangsspannung Ua den in Gleichung 2 angegebenen Wert. Setzt man U1 oder U2 gleich 0, dann erhält man die Ausgangsspannung für den positiven und den negativen Verstärker.
Differenzverstärker
Um die Differenz zwischen zwei Spannungen am Ausgang gegen Masse zu erhalten wird die Schaltung in Bild 2 um einen Spannungsteiler am + Eingang erweitert siehe Bild 3. Die Eingangsspannung am Spannungsteiler heißt nun U1 und die Spannung am + Eingang ist Ue+.
Damit gilt für die Schaltung in Bild3:
Ua = Ue+ *(R1 + R2) / R2 - U2 * R2 / R1
Ua = ( Ue+ *(R1 + R2) / R2 - U2) * R2 / R1
mit U1 = Ue+ * R2 / (R1 + R2)
vereinfacht sich der Ausdruck zu:
Ua = (U1 - U2) * R2/R1
Das heißt, dass die Ausgangsspannung gerade die Differenz der Eingangsspannungen mal dem Widerstandsverhältnis R2/R1 ist. Für große Widerstandswerte ist die Schaltung in Bild 3 schon einsetzbar, bei hoher Verstärkung und kleinen Werten für R1 ist es besser, die Eingänge hochohmig zu machen.
Es wäre vorteilhaft die Messspannungen direkt an die hochohmigen Operationsverstärker-Eingänge zu legen. Beim + Eingang ist es ja die geteilte Spannung U1 die am + Eingang anliegt. Legt man sie direkt, ohne Teiler an den + Eingang, und verstärkt die Spannung U2 um den gleichen Faktor durch einen Verstärker nach Bild 2, dann ergibt sich am Ausgang wieder die Differenz von U1-U2 verstärkt um den Faktor (R1+R2)/R2. Für R1=R2 ergibt sich damit auch
Ua = 2 * (U1 - U2)
Die Differenzverstärkerschaltung mit vier gleichen Widerständen R2 ist sehr gut für die Realisierung einer präzisen Verstärkung geeignet. Zur Erhöhung der Verstärkung ist es von Vorteil, wenn der Wert der Verstärkung mit nur einem Widerstand eingestellt werden kann. Hierfür wird ein Widerstand mit dem Wert R1 zwischen den Minus-Eingängen der beiden Verstärker eingefügt. Die Auswirkung des Widerstands R1 wird nun durch Anwendung des Überlagerungsprinzips bestimmt.
Manfred
Operationsverstärker haben eine sehr hohe Leerlaufverstärkung, ausgenutzt wird diese hohe Verstärkung nur bei Komperatorschaltungen. Bei allen anderen Schaltungen mit OP's wird die Verstärkung auf geeignete Werte mit einer Rückkopplung herabgesetzt. Man unterscheidet bei den Grundschaltungen zwischen nichtinvertierenden und invertierenden Verstärkern. Das entscheidende ist bei beiden Arten die Beschaltung des OP's, aus der sich das Verhalten der Schaltung ergibt.
Datei:OperationsverstärkerBild1.jpg
Die Spannungen an E+ , E- und A sind auf Masse bezogen. Die resultierende Differenzspannung U'_D_' aus den beiden Eingängen bildet die Ausgangsspannung U'_A_' .
U'_D_' = U'_E+_' - U'_E-_'
Wenn der OP unbeschaltet bleibt wird die Differenzeingangsspannung mit der Leerlaufverstärkung V∞ am Ausgang ausgegeben.
U'_A_' = V'_∞_' * U'_D_'
Wenn der OP mit einer positiven und negativen Betriebsspannung betrieben wird sind Verstärkungen im positiven und negativen Spannungsbereich möglich. Je nachdem welche Eingangsspannung höher ist U'_E_'+ oder U'_E_'- . Daraus folgt.
U'_E+_' > U'_E-_' , U'_D_' positiv, U'_A_' positiv
U'_E+_' < U'_E-_' , U'_D_' negativ, U'_A_' negativ
Die Phasenlage der Ausgangsspannung liegt also im direkten Bezug zu der größeren Eingangsspannung. Liegt das größere Eingangssignal am nichtinvertierenden Eingang E+ so ergibt sich eine Phasenverschiebung φ = 0°, also liegt bei überwiegenderen E- Eingang eine Phasenverschiebung φ = 180° vor und man erhält eine negative Ausgangsspannung.
