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OpAmps für Anfänger



Die Eingangsstufen von Operationsverstärkern

Um die sehr unterschiedlichen Kennlinien von Operationsverstärkern zu verstehen, wie sie im Dokument hier vorgestellt wurden, muss man ein wenig in die Untiefen des Schaltungsdesigns von Operationsverstärkern begeben.

Die Eingangsstufe des 741

Eingangsstufe des 741 Das sind die Eingangs-Innereien eines 741. Wie man sieht, bestehen die beiden Eingänge aus den NPN-Transistoren Q1 und Q2. Diese haben an den Emittern die beiden PNP-Transistoren Q3 und Q4, deren Kollektoren wiederum auf den NPN-Transistoren Q5 und Q6 liegen.

Mit dieser Staffel ist klar, warum sich an den Eingängen des 741 so rein gar nichts tut, wenn er nicht mindestens +2 V kriegt: diese ganze Staffage von Transistoren gegen Masse braucht halt drei mal die Durchgangsspannung der BE-Strecke.

Die Schaltung zeigt auch, dass die beiden Eingangstransistoren in einer Brückenschaltung arbeiten: ist die Spannung an einem Ende des Eingangs größer als an dem anderen Ende, kippt die Brücke auf diese Seite, wenn nicht, kippt sie auf die andere Seite. Nur wenn beide Spannungen exakt gleich sind, ist die Brücke echt im Gleichgewicht.

Die beiden Transistoren Q5 und Q6 gleichen kleine Unterschiede zwischen beiden Eingangstransistoren aus, wenn man mit einem Poti an den Offset-Eingängen die Brücke ein wenig derangiert.

Die Eingangsstufe des LM324

Eingangsstufe des LM324 Wie macht es der LM324, schon bei Null Volt Eingangsspannung zu funktionieren? Nun, wie man sieht hat er an seinen Eingängen je zwei PNP-Transistoren (Q1/Q2 und Q3/G4), die brückenmäßig von einer Konstantstrom-Quelle mit 6 µA von der positiven Betriebsspannung aus im Gleichgewicht gehalten werden. Daher kann man mit der Eingangsspannung bis herunter auf Null Volt und sogar negative Eingangsspannungen sind möglich.

Auch hier wieder die Brücke, die schon bei geringsten Spannungsunterschieden kippt. Wie man an dem Strom der Eingangsbrücke sieht, braucht der PNP-Eingangstransistor nur Nano-Ampere, um die Brücke zu verstellen. Entsprechend hoch ist der Eingangswiderstand der Schaltung (10 nA entspricht einem Eingangswiderstand von Ri = 10 V / 10 nA = 1 MΩ). Aber es geht noch mehr, nämlich mit FETs in der Eingangsstufe (siehe CA3140).

Die Eingangsstufe des CA3140

Eingangsstufe des CA3140 Das ist die Eingangsstufe des CA3140 mit den beiden Feldeffekttransistoren Q9 und Q10 am Eingang. Die Sourcen werden mit den beiden NPN-Transistoren Q11 und Q12 in der Balance verstellt, wenn an den beiden Offset-Null-Eingängen eine schräge Spannung anliegt.

Da Feldeffekttransistoren auch mit negativen Gate-Spannungen gegenüber dem Source-Anschluss noch korrekt arbeiten, macht es der Schaltung nix aus, wenn sie mit 0 V oder sogar mit negativen Spannungen angesteuert wird. Das Schönste an der Schaltung aber ist, dass Feldeffekttransistoren mehrere Terra-Ohm Eingangswiderstand am Gate haben. Da fließt (bei Gleichspannung) rein gar nix, und auch bei 10 MΩ am Gate geht alles seinen geordneten Gang.

Fazit Eingangsstufen

Der Einblick in die Eingangsstufen von Operationsverstärkern offenbart, warum sie so und nicht anders angesteuert werden wollen.

Es zeigt ferner, dass ihre erhebliche Empfindlichkeit mittels Brücken erreicht wird. Diese benötigen entweder nur sehr geringe oder auch gar keine Ströme (FET-Brücke), um die Eingangsstufen auszusteuern.

Der natürliche Zustand von Brücken in Operationsverstärkern ist ihre Ausgewogenheit: sie sind idealerweise immer gleich groß. Sind sie dies nicht, dann haben wir es mit einem Komparator zu tun, der nur darauf aus ist, festzustellen, ob die eine Eingangsspannung größer oder kleiner ist als die andere.

Und: das etwas krumme Verhalten von Eingangsstufen bei Operationsverstärkern lässt sich nur mit einem Blick in die Innereien dieser Bauelemente ganz verstehen.

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