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Op-Amp, kurz für Operationsverstärker, ist das Rückgrat der analogen Elektronik. Ein Operationsverstärker ist eine DC-gekoppelte elektronische Komponente, die die Spannung von einem Differenzeingang unter Verwendung einer Widerstandsrückkopplung verstärkt. Operationsverstärker sind wegen ihrer Vielseitigkeit beliebt, da sie auf viele Arten konfiguriert und in verschiedenen Aspekten verwendet werden können. Eine Operationsverstärkerschaltung besteht aus wenigen Variablen wie Bandbreite, Eingangs- und Ausgangsimpedanz, Verstärkungsspanne usw. Verschiedene Klassen von Operationsverstärkern haben je nach diesen Variablen unterschiedliche Spezifikationen. Es gibt viele Operationsverstärker in verschiedenen IC-Gehäusen. Einige Operationsverstärker verfügen über zwei oder mehr Operationsverstärker in einem einzigen Gehäuse. LM358, LM741, LM386 sind einige häufig verwendete Operationsverstärker-ICs. Weitere Informationen zu Operationsverstärkern finden Sie in unserem Abschnitt über Operationsverstärkerschaltungen.

Ein Operationsverstärker hat zwei differentielle Eingangspins und einen Ausgangspin zusammen mit Leistungspins. Diese beiden Differenzeingangspins sind invertierender Pin oder negativer und nicht invertierender Pin oder positiver. Ein Operationsverstärker verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden Eingangspins und liefert den verstärkten Ausgang über seinen Vout- oder Ausgangspin.

Je nach Eingangstyp kann der Operationsverstärker als invertierend oder nicht invertierend klassifiziert werden. In diesem Tutorial lernen wir, wie man einen Operationsverstärker in einer nicht invertierenden Konfiguration verwendet.

In der nichtinvertierenden Konfiguration wird das Eingangssignal über die nicht-invertierenden Eingangsklemme (Pluspol) des Operationsverstärkers. Aufgrund dessen wird der verstärkte Ausgang mit dem Eingangssignal „ in Phase “.

Wie bereits erwähnt, benötigt der Operationsverstärker eine Rückmeldung, um das Eingangssignal zu verstärken. Dies wird im Allgemeinen erreicht, indem ein kleiner Teil der Ausgangsspannung unter Verwendung eines Spannungsteilernetzwerks an den invertierenden Stift (im Falle einer nicht invertierenden Konfiguration) oder in den nicht invertierenden Stift (im Falle eines invertierenden Stifts) zurückgelegt wird.

Nicht invertierende Operationsverstärkerkonfiguration

Im oberen Bild ist ein Operationsverstärker mit nicht invertierender Konfiguration dargestellt. Das Signal, das mit dem Operationsverstärker verstärkt werden muss, wird in den positiven oder nicht invertierenden Pin der Operationsverstärkerschaltung eingespeist, während ein Spannungsteiler mit zwei Widerständen R1 und R2 den kleinen Teil des Ausgangs für die Invertierung bereitstellt Pin der Operationsverstärkerschaltung. Diese beiden Widerstände liefern die erforderliche Rückmeldung an den Operationsverstärker. Im Idealfall bietet der Eingangsstift des Operationsverstärkers eine hohe Eingangsimpedanz und der Ausgangsstift eine niedrige Ausgangsimpedanz.

Die Verstärkung hängt von den beiden Rückkopplungswiderständen (R1 und R2) ab, die als Spannungsteilerkonfiguration angeschlossen sind. R2 wird als Rf (Feedback - Widerstand)

Der Spannungsteilerausgang, der in den nichtinvertierenden Pin des Verstärkers eingespeist wird, ist gleich dem Vin, da sich die Verbindungspunkte von Vin und Spannungsteiler über demselben Erdungsknoten befinden.

Aus diesem Grund und da der Vout vom Rückkopplungsnetzwerk abhängig ist, können wir die Spannungsverstärkung im geschlossenen Regelkreis wie folgt berechnen.

Verstärkung des nicht invertierenden Operationsverstärkers

Da die Ausgangsspannung des Spannungsteilers der Eingangsspannung entspricht , ist der Teiler Vout = Vin

Also ist Vin / Vout = R1 / (R1 + Rf) oder Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1

Die Gesamtspannungsverstärkung des Verstärkers (Av) beträgt Vout / Vin

Also ist Av = Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1

Mit dieser Formel können wir schließen, dass die Spannungsverstärkung eines nicht invertierenden Operationsverstärkers im geschlossenen Regelkreis beträgt:

Av = Vout / Vin = 1 + (Rf / R1)

Durch diesen Faktor kann die Verstärkung des Operationsverstärkers nicht niedriger als die Verstärkung von Eins oder 1 sein. Außerdem ist der Gewinn positiv und kann nicht in negativer Form vorliegen. Die Verstärkung ist direkt abhängig vom Verhältnis von Rf und R1.

Interessant ist nun, wenn wir den Wert des Rückkopplungswiderstands oder Rf auf 0 setzen, ist die Verstärkung 1 oder Eins. Und wenn die R1 wird 0, dann wird die Verstärkung seiner Unendlichkeit. Das ist aber nur theoretisch möglich. In der Realität hängt es stark vom Verhalten des Operationsverstärkers und der Verstärkung im offenen Regelkreis ab.

Der Operationsverstärker kann auch als Summierverstärker verwendet werden.

Praktisches Beispiel eines nicht invertierenden Verstärkers

Wir werden eine nicht invertierende Operationsverstärkerschaltung entwerfen, die am Ausgang eine 3-fache Spannungsverstärkung erzeugt und die Eingangsspannung vergleicht.

Wir werden einen 2V- Eingang im Operationsverstärker machen. Wir werden den Operationsverstärker in einer nicht invertierenden Konfiguration mit 3- facher Verstärkung konfigurieren. Wir haben den R1- Widerstandswert als 1,2k gewählt. Wir werden den Wert des Rf- oder R2- Widerstands herausfinden und die Ausgangsspannung nach der Verstärkung berechnen.

Da die Verstärkung von den Widerständen abhängt und die Formel Av = 1 + (Rf / R1) lautet

In unserem Fall ist die Verstärkung 3 und der Wert von R1 ist 1. 2k. Der Wert von Rf ist also:

3 = 1 + (Rf / 1,2 k) 3 = 1 + (1,2 k + Rf / 1,2 k) 3,6 k = 1,2 k + Rf 3,6 k - 1,2 k = Rf Rf = 2,4 k

Nach der Verstärkung beträgt die Ausgangsspannung

Av = Vout / Vin 3 = Vout / 2 V Vout = 6 V.

Die Beispielschaltung ist im obigen Bild dargestellt. R2 ist der Rückkopplungswiderstand und der verstärkte Ausgang ist dreimal so groß wie der Eingang.

Spannungsfolger oder Einheitsverstärker

Wie zuvor erläutert, bedeutet dies, dass, wenn wir Rf oder R2 auf 0 setzen, kein Widerstand in R2 vorhanden ist und der Widerstand R1 gleich unendlich ist, die Verstärkung des Verstärkers 1 ist oder die Verstärkung eins erreicht. Da in R2 kein Widerstand vorhanden ist, wird der Ausgang mit dem negativen oder invertierten Eingang des Operationsverstärkers kurzgeschlossen. Da die Verstärkung 1 oder Eins beträgt, wird diese Konfiguration als Verstärkerkonfiguration mit Einheitsverstärkung oder Spannungsfolger oder Puffer bezeichnet.

Wenn wir das Eingangssignal über den positiven Eingang des Operationsverstärkers legen und das Ausgangssignal mit dem Eingangssignal mit einer 1- fachen Verstärkung in Phase ist, erhalten wir das gleiche Signal über den Verstärkerausgang. Somit ist die Ausgangsspannung die gleiche wie die Eingangsspannung. Spannung aus = Spannung ein.

Es folgt also der Eingangsspannung und erzeugt über seinen Ausgang das gleiche Replikatsignal. Aus diesem Grund wird es als Spannungsfolgerschaltung bezeichnet.

Die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers ist sehr hoch, wenn eine Spannungsfolger- oder Einheitsverstärkungskonfiguration verwendet wird. Manchmal ist die Eingangsimpedanz viel höher als 1 Megaohm. Aufgrund der hohen Eingangsimpedanz können wir also schwache Signale an den Eingang anlegen, und es fließt kein Strom im Eingangspin von der Signalquelle zum Verstärker. Andererseits ist die Ausgangsimpedanz sehr niedrig und es wird der gleiche Signaleingang im Ausgang erzeugt.

In der obigen Abbildung ist die Konfiguration des Spannungsfolgers dargestellt. Der Ausgang ist direkt über den Minuspol des Operationsverstärkers angeschlossen. Die Verstärkung dieser Konfiguration beträgt 1x.

Wie wir wissen, Gewinn (Av) = Vout / Vin Also, 1 = Vout / Vin Vin = Vout.

Aufgrund der hohen Eingangsimpedanz beträgt der Eingangsstrom 0, sodass auch die Eingangsleistung 0 beträgt. Der Spannungsfolger bietet eine große Leistungsverstärkung über seinen Ausgang. Aufgrund dieses Verhaltens wird der Spannungsfolger als Pufferschaltung verwendet.

Die Pufferkonfiguration bietet auch einen guten Signalisolationsfaktor. Aufgrund dieser Funktion wird die Spannungsfolgerschaltung in aktiven Filtern vom Typ Sallen-Key verwendet, bei denen die Filterstufen unter Verwendung der Spannungsfolger-Operationsverstärkerkonfiguration voneinander isoliert sind.

Es sind auch digitale Pufferschaltungen verfügbar, wie 74LS125, 74LS244 usw.

Da wir die Verstärkung des nichtinvertierenden Verstärkers steuern können, können wir mehrere Widerstandswerte auswählen und einen nichtinvertierenden Verstärker mit einem variablen Verstärkungsbereich erzeugen.

Nicht invertierende Verstärker werden in der Audioelektronik sowie in Bereichen, Mischern und verschiedenen Orten eingesetzt, an denen digitale Logik unter Verwendung analoger Elektronik benötigt wird.