Operationsverstärker

mini|Schaltsymbol OperationsverstärkerLinks zwei Eingänge* mit „−“ markiert: invertierend* mit „+“ markiert: nichtinvertierendRechts der AusgangHilfsanschlüsse, z. B. zur Speisung, werden im Allgemeinen nicht gezeigt mini|hochkant|Schaltsymbol nach DIN EN 60617 Teil 13 mini|Verschiedene Bauformen von OPVs: Für Durch­steck­montage (rechts oben), Schraub­mon­tage (Leis­tungs­typen links oben) und Ober­flächen­mon­tage

Ein Operationsverstärker (Abk. OP, OPV, OPA, OpAmp, seltener OpV, OV, OA) ist ein gleichspannungsgekoppelter Verstärker mit einem sehr hohen Verstärkungsfaktor. Der Name stammt aus der Verwendung in elektronischen Analogrechnern und geht auf den mathematischen Begriff des Operators bzw. der Rechen-Operation zurück. Die Grundschaltung des Operationsverstärkers ist der Differenzverstärker. Durch äußere Beschaltung lassen sich viele verschiedene Funktionen festlegen. Damit sind Operationsverstärker Universalbausteine der signalverarbeitenden Analog-Elektronik. Sie sind als integrierter Schaltkreis günstig herzustellen und als elektronisches Bauelement sehr verbreitet.

Der übliche Operationsverstärker nimmt die Differenz zweier Spannungen auf und gibt sie verstärkt als eine auf Masse bezogene Spannung aus. Entsprechend sind die Eingänge hochohmig, der Ausgang ist niederohmig. Versorgt wird der Operationsverstärker herkömmlich mit einer gegen Masse positiven und einer negativen Spannung. Für besondere Anforderungen sind auch spezielle Varianten vorhanden. Soll der Normalfall von anderen Varianten abgegrenzt werden, wird der OP auch als VFA (engl. ) bezeichnet, auch sind weitere Nomenklaturen in Verwendung wie VV-OPV nach Tietze-Schenk.

Der Operationsverstärker genügt häufig den Erwartungen an ein ideales elektrisches Bauelement. Bei der Vielzahl an Anwendungen kann man aber durchaus an eine der Grenzen der Idealisierung stoßen. Daraus ist eine große Variationsbreite angebotener Schaltkreise entstanden, die jeweils in einer speziellen Richtung optimiert sind.

Das Verhalten einer Schaltung wird weitgehend nur durch ein Rückkopplungsnetzwerk bestimmt. Dessen Zusammenwirken mit dem OP drücken elementar und sehr hilfreich die „goldenen Regeln des VFA“ aus: Durch die Eingänge fließt kein Strom, und der Ausgang des gegengekoppelten OP versucht, die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen auf null zu bringen. Für die Behandlung von Fällen, die so nicht genügend zutreffend beschreibbar sind, gibt es erweiterte Ersatzschaltbilder.

Geschichte mini|Ope­ra­ti­ons­ver­stär­ker K2-W mit zwei Elektronenröhren mini|Aus diskreten Transistoren, Kondensatoren und Widerständen aufgebauter Ope­ra­ti­ons­ver­stär­ker P45A von 1961 mini|Integrierter Ope­ra­ti­ons­ver­stär­ker µA741 aus dem Jahr 1969. Metallgehäuse geöffnet, Durch­messer 9 mm

Die ersten Differenzverstärker entstanden um 1930 und basierten auf Elektronenröhren. Zusammen mit der Rückkopplungstheorie von Harold S. Black und den Arbeiten von Harry Nyquist und Hendrik Wade Bode waren damit zu Beginn des Zweiten Weltkriegs die wesentlichen Grundlagen für Operationsverstärker vorhanden. Diese wurden in den Bell Labs zunächst für wehrtechnische Anwendungen entwickelt, wie etwa die Geschützsteuerung M9 gun director system. Erfinder des dort verwendeten ist Karl D. Swartzel Jr., der diesen 1941 patentierte. Für derartige Verstärker, die gleichspannungsgekoppelt eine hohe negative Verstärkung aufweisen und dann durch eine Gegenkopplung in ihrem Verhalten bestimmt werden, zeigte John Ragazzini 1947, wie damit auch die Lösung von Differentialgleichungen möglich ist, und prägte den englischen Namen „“. Die deutsche Bezeichnung „Operationsverstärker“ ist davon abgeleitet.

Den Operationsverstärker nach heutiger Definition – mit Differenzeingang – hatte Anfang der 1940er Jahre Loebe Julie, ein Mitarbeiter von Ragazzini, mit Förderung durch George A. Philbrick entwickelt. Dieses Design eines einfachen und zugleich sehr schnellen Verstärkers wurde dann von Philbricks Firma George A. Philbrick Researches Inc. (GAP/R) weitergeführt und in Form kompakter, mit K2-W bezeichneter Verstärkermodule 1952 zu einem Preis von 20 US-Dollar auf den Markt gebracht. Sie enthielten zwei gleiche, als Doppel-Trioden ausgeführte Elektronenröhren, benötigten eine Versorgungsspannung von ±300 V bei 4,5 mA und konnten bis zu Frequenzen von 100 kHz genutzt werden. Die Firma GAP/R publizierte zu dieser Zeit auch viele technische Applikationsschriften zu dem Thema wie die Firmenschrift Application Manual for Operational Amplifier for Modeling, Measuring, Manipulating, and Much Else, die viele Anwendungsmöglichkeiten beleuchteten und zu dem weiten Einsatz der Operationsverstärker beitrugen. Auch das heute übliche Schaltsymbol für den Operationsverstärker stammt von GAP/R.

Als ab Ende der 1950er Jahre geeignete Transistoren verfügbar waren, wurden mit diesen erheblich kleinere und mit kleineren Spannungen betreibbare Operationsverstärker-Module entwickelt und dafür die sich etablierenden Fertigungstechnologien genutzt. Bereits 1958 brachte die Firma Burr-Brown das Model 130 auf den Markt, nachfolgend dann z. B. GAP/R die Modelle P65 und P45 mit Siliziumtransistoren. Diese Module waren bereits auf einer gedruckten Leiterplatte realisiert und konnten wiederum auf Leiterplatten eingesteckt oder, in einer vergossenen Variante, eingelötet werden; eine Versorgungsspannung von ±15 Volt genügte. Mit der Entwicklung integrierter Schaltkreise wurde kurz darauf die Fertigung des kompletten Operationsverstärkers auf einem Chip möglich. Robert Widlar entwickelte 1962 bei Fairchild Semiconductor den µA702, der anfänglich für 300 US-Dollar angeboten wurde,https://www.google.de/books/edition/Analog_Electronic_Filters/6W1eX4QwtyYC?hl=de&gbpv=1&dq=%C2%B5A702%20price&pg=PA348&printsec=frontcover und 1965 dann den µA709, der aufgrund vieler Verbesserungen große Verbreitung fand.Robert J. Widlar: A Unique Circuit Design for a High Performance Operational Amplifier Especially Suited to Monolithic Construction. In: Proceedings of the NEC. 21., 1965, S. 85–89. Nach dem Weggang von Widlar wurde von Dave Fullagar 1968 bei Fairchild der Nachfolgetyp µA741 mit höherer Robustheit und Stabilität entwickelt, der mit der markanten Ziffernfolge „741“ dann auch von anderen Unternehmen kopiert und vertrieben wurde, sich zu 100 Millionen Stück verkaufte und (Stand 2017) immer noch produziert wird. Spezielle Anforderungen wurden durch Hybridbauweise realisiert, bei der die ungehausten Transistorchips zusammen mit anderen Bauelementen auf einem Keramiksubstrat in einen gemeinsamen Gehäuse montiert wurden. Ein Beispiel ist der auch in der Mondmission Apollo 12 im Jahr 1969 eingesetzte Operationsverstärker 2404BG mit Feldeffekttransistoren in der Eingangsschaltung und einem Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt von über 20 MHz.

Während integrierte Operationsverstärker anfänglich in hermetisch dichten, runden Metallgehäusen mit Anschlüssen an einer Seite ähnlich damaliger Transistoren und in hermetisch abgeschlossene Keramikgehäuse verbaut wurden,https://www.google.de/books/edition/Electronics/9CMjAQAAMAAJ?hl=de&gbpv=1&bsq=%C2%B5a709&dq=%C2%B5a709&printsec=frontcover haben sich später kostenoptimierte und spezialisierte Gehäuse für Operationsverstärker weitestgehend durchgesetzt:Electronics S. 25 Für kleine Leistungen werden DIL-Gehäuse mit 8 Pins für ein oder zwei Operationsverstärker und 14 Pins für vier Operationsverstärker auf einem Chip, für größere Leistungen Gehäuse mit Kühlflächen eingesetzt. Mit dem Vordringen der Oberflächenmontage wurden die Gehäuse kleiner, teils weniger als 1 mm² für einen Doppel-Operationsverstärker.

Der erste stromgegengekoppelte Operationsverstärker wurde von David Nelson bei der damaligen Firma Comlinear (wurde von National Semiconductor übernommen und gehört heute zu Texas Instruments), entwickelt und zunächst in Hybridbauweise unter der Bezeichnung CLC103 verkauft. Als integrierte Schaltkreise wurden stromgegengekoppelte Operationsverstärker ab 1987 von Comlinear und Elantec angeboten.

Operationsverstärker wurden in ihren mechanischen und elektrischen Eigenschaften weiter verbessert und für viele Anwendungen in der analogen Schaltungstechnik optimiert, so kommen je nach Erfordernis verschiedene Transistortypen wie Bipolartransistoren, JFETs und MOSFETs zum Einsatz. Mit zunehmenden Stückzahlen sank auch der Preis der Bauteile. Herstellerübergreifende Typen, wie der Vierfach-Operationsverstärker LM324, sind für wenige Cent erhältlich.

Aufbau und Varianten       Spannungs-Ausgang Strom-Ausgang Spannungs-Verstärker (Normalfall)VV-OPV (engl. VFA)mini|hochkant| Transkonduktanz-VerstärkerVC-OPV (engl. OTA)mini|hochkant| Transimpedanz-VerstärkerCV-OPV (engl. CFA)mini|hochkant| Strom-VerstärkerCC-OPV (engl. uneinheitl.)mini|hochkant|

Es gibt unterschiedliche Typen von Operationsverstärkern, die sich z. B. durch ihre nieder- bzw. hochohmigen Ein- und Ausgänge voneinander unterscheiden. Fast immer ist der nicht invertierende (positive) Eingang als hochohmiger Spannungseingang ausgeführt. Der invertierende (negative) Eingang ist je nach Typ entweder ein hochohmiger Spannungseingang oder ein niederohmiger Stromeingang.Leonhard Stiny: Aktive elektronische Bauelemente. 2. Aufl., Springer Vieweg, 2015, S. 458. Entsprechend kann der Ausgang entweder als ein niederohmiger Spannungsausgang oder als ein hochohmiger Stromausgang ausgeführt sein. Dadurch ergeben sich vier Grundkonfigurationen, wie sie in der nebenstehenden Tabelle dargestellt werden.

Es sind weitere Konfigurationen möglich, aber nicht üblich. So kommt z. B. Schmid auf neun unterschiedliche Varianten. Solche Ausnahmen sollen hier nicht weiter behandelt werden, diese Darstellung beschränkt sich auf die vier Varianten, von denen die Variante VV-OPV bei weitem dominiert.

Es gibt außerdem vollsymmetrische OPs, die mit zwei Ausgängen ausgestattet sind, zwischen denen die Ausgangsspannung differenziell ausgegeben wird. In diesem Fall ist oft ein dritter Eingang vorhanden, über den die Ruhelage der Ausgangsspannung gewählt wird.

Herkömmlicher Operationsverstärker (VV-OP) Beim herkömmlichen Operationsverstärker oder VV-OP (engl. ) sind beide Eingänge hochohmige Spannungseingänge und der Ausgang verhält sich wie eine möglichst niederohmige Spannungsquelle. In der Anfangszeit der Operationsverstärker gab es nur diesen Typ und auch heute noch ist diese Klasse die meistverbreitete. Auch in diesem Artikel wird meistens nur dieser Typ von Operationsverstärker referenziert. Die Vorteile sind seine geringe Offsetspannung und hohe Präzision bei niedrigen Frequenzen. Nachteilig sind die Stabilitätsprobleme, vor allem bei kapazitiven Lasten im dynamischen Betrieb. Typische Vertreter dieser Klasse sind der Urahn µA741 oder der OP07.

mini|Vereinfachte Innen­beschaltung eines Operations­verstärkers

Integrierte Operationsverstärker bestehen aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Stufen und Schaltungsteilen, um verschiedene Anforderungen erfüllen zu können. Trotzdem lassen sich alle diese unterschiedlichen Varianten im Wesentlichen auf drei Schaltungsteile reduzieren, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt:

Ein differentieller Eingang, im Schaltbild als gelber Bereich dargestellt. Dieser Teil besteht aus einem Differenzverstärker mit den beiden Eingängen, im oberen Bereich dargestellt, und einer Konstantstromquelle im unteren Bereich. Der Differenzverstärker wandelt eine kleine Spannungsdifferenz in einen dazu proportionalen Ausgangsstrom um. Bei einem herkömmlichen Operationsverstärker stellt diese Stufe auch den hohen Eingangswiderstand sicher. Die Eingangstransistoren können je nach Technologie Bipolartransistoren, MOSFETs oder JFETs sein. Die unterschiedlichen Transistortypen wirken sich unter anderem auf die Größe des Rauschens aus.