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OpAmps für Anfänger



Spannungsversorgung von Operationsverstärkern

Operationsverstärker sind elektronische Bauteile mit ganz vielen Transistoren, Dioden, Widerständen und Kondensatoren. Zum Funktionieren brauchen sie etwas Strom. Nicht so viel wie eine Waschmaschine, aber ganz bisschen wenig: ein paar Milliampere Gleichstrom.

Zu diesem Behuf haben ihre IC-Packungen zwei Beine, die meist als V+ und V- bezeichnet werden. Man ahnt es schon: da kommen die beiden Pole der Batterie dran. Aber richtig herum, denn falsch angeschlossene Batterien führen zu einem sehr schnellen Tod des ICs: es wird ganz heiß und stirbt den Hitzetod.

Wieviel Spannung darf es denn sein? Das erfahren wir auf jeden Fall aus dem Datenblatt. Dazu suchen wir im Internet nach "741", oder wie auch immer unser OpAmp-Teil heißt, und "datasheet". Das bringt uns erstmal zu den Webseiten ganz vieler Elektronikhändler, die nun meinen, sie seien gemeint. Sind sie aber gar nicht.

In dem echten Datasheet stehen meist zwei Spannungen: die eine unter "Absolute maximum ratings" sagt uns, ab wann die Voltage das IC kaputt zu machen droht. Manchmal findet man in einem anderen Kapitel des Datasheets auch die "Minimum operating voltage", aber meistens gar nix dazu, ab wann denn das Teil echt zu funktionieren beginnen tut. Meistens ist das Minimum z. B. 5 V.

Und die Maxima sind mit +/-18 oder +/-20 V ganz schön dicke dabei: die können dann immerhin 36 V Spannung an ihren beiden Klemmen vertragen, also auch bis zu drei hintereinander geschaltete 9V-Batterien. Das unterscheidet sie ganz erheblich von anderen ICs, die nur zwei (CMOS-Digital-ICs) oder nicht mal eine einzige vertragen (TTL-Digital-ICs), ohne davon kaputt zu gehen.

Asymmetrische Versorgungsspannung Symmetrische Versorgungsspannung Wie immer im Leben gibt es gleich zwei Möglichkeiten, den Strom dem IC darzubringen. Links die klassische asymmetrische Versorgung, rechts die symmetrische Variante. Deshalb heißt es im Datasheet "2*18 V": an V+ kommen auf jeden Fall +9 V. Bei der asymmetrischen Versorgung werden zwei Batterien hintereinandergeschaltet und der Minuspol der zweiten Batterie kommt an den V-Anschluss. Das IC arbeitet dann mit 18 V Betriebsspannung. Bei der symmetrischen Variante kommen beide Batterien ebenso hintereinander geschaltet an den Minus-Pol des ICs. Und was ist dann der Unterschied? Nun, eigentlich gar keiner, nur dass die Mitte zwischen beiden Batterien bei der symmetrischen Variante in der Schaltung verwendet wird, bei der asymmetrischen Variante aber nicht. Die Folgen dieser Entscheidung werden wir später sehen.

Noch ein Hinweis zu dem Kondensator links bzw. den beiden Kondensatoren rechts. Operationsverstärker sind Bauteile, die am Ausgang zwei Transistoren haben: der eine zieht den Ausgang nach Plus, wenn es denn sein muss, der andere nach Minus. Es kann vorkommen, dass beide Transistoren für kurze Zeit leitend sind. Dann fließt für sehr kurze Zeit ein sehr hoher Strom durch das IC. Obwohl sich das schnell wieder gibt, wenn sich der Rest der Schaltung auf eine Ausgangsspannung geeinigt hat, kann dieser kurzzeitig hohe Strom empfindlich die Spannungsversorgung stören. Um sowas abzufangen, braucht es den bzw. die Kondensatoren: sie überbrücken das kurzzeitige Spannungstief und sorgen dafür, dass sich die erzeugte Hochfrequenz nicht bis zur Batterie oder zum Netzteil ausbreitet. Schnelle ICs brauchen so was immer.

Die Funktion der beiden Eingänge werden wir später sehen.

Grenzen der Linearität von OpAmps bei 5 V Versorgungsspannung

Wozu denn diese hohen Spannungen? Nun, wenn man hohe Ausgangsspannungen braucht und auch bei Wechselspannungsspitzen nicht an die Betriebsspannungsgrenze anstoßen will oder wenn man partout Eingangsspannungen von 20 V verarbeiten will, braucht man so was unbedingt.

Merke: Bei Operationsverstärkern darf die Betriebsspannung immer ein wenig höher sein als die maximal erwartete Ausgangsspannung und auch niedriger als die Eingangsspannung.

Linearitätsbereich von Operationsverstärkern Das hier zeigt für vier verschiedene Operationsverstärker die Grenzen auf. Gezeigt ist die Operationsverstärker-Ausgangsspannung, wenn man den Plus-Eingang auf Spannungen zwischen Null und 5 Volt legt, den invertierenden Eingang an den Ausgang legt (Verstärkung = Eins) und die Betriebsspannung asymmetrisch auf 5 Volt setzt.

Der Operationsverstärker TL071 (in rot) reagiert ganz verrückt auf Eingangsspannungen unter 0,7 V: er produziert Ausgangsspannungen von mehr als vier Volt. Darüber geht es erst mal steil abwärts und erst bei 2 V Eingangsspannung hat er seinen Linearitätsbereich erreicht und die Ausgangsspannung folgt nun ungefähr der Eingangsspannung.

Ganz ähnlich verhält sich der übliche 741-Operationsverstärker. Immerhin schwingt er unterhalb von 0,7 V nicht über, sondern bleibt stoisch bei 2 V Ausgangsspannung, bis er sich dann bequemt linear zu folgen.

Oberhalb von 4,3 Volt erreicht dann bei beiden die Ausgangsstufen ihre Sättigung und die Spannung steigt nicht mehr weiter an. Hier sind sich 741 und TL071 ganz ähnlich.

Ein ganz anderes Verhalten zeigen der CA3140 und der LM324: unterhalb von ca. 3 Volt (beim LM324: 3,6 V) ist der Verlauf ganz linear, sogar bis herunter zu 0 Volt. Oberhalb von 3 bzw. 3,6 Volt macht die Ausgangsstufe den Abgang und bleibt einfach auf 3 bzw. 3,6 V stehen.

Das Diagramm macht deutlich, was mit OpAmps der vier Sorten geht und was nicht. Bei 5 V Betriebsspannung nimmt man einen CA3140 oder LM324, wenn man niedrige Eingangsspannungen verarbeiten will. Mit einem 741 oder einem TL071 kann man alles verarbeiten was oberhalb von 2 V liegt, aber nicht die oberen 0,7 V bis zur Betriebsspannung.

Das hier waren nur die vier ganz üblichen Operationsverstärker. Es gibt auch sehr spezielle, deren Kennlinie noch ganz anders ist. Ein Blick in das Datenblatt oder ein schneller Aufbau einer Testschaltung bringt dazu näheren Aufschluss.
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