Invertierender Operationsverstärker
Verstärke ein Signal und drehe es um
Op amp steht für operational amplifier, Operationsverstärker: Eine versorgte Schaltung verstärkt die Differenz zweier Eingänge. Negative Rückkopplung führt den Ausgang zum subtrahierenden Eingang. Invertierung ändert das Vorzeichen; Verstärkung ist Ausgangs-/Eingangsspannung. Begrenzung tritt auf, wenn der geforderte Ausgang die Versorgung überschreitet. Av bezeichnet die lineare Spannungsverstärkung in V/V: Volt am Ausgang pro Volt am Eingang, vor Begrenzung.
EXPERIMENTIERTISCH
Ändere die Schaltungseinstellungen, sage die Messwerte voraus und prüfe eine Aufgabe. Dies sind Lernmodelle; die Annahmen werden in jeder Lektion erklärt.
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So funktioniert es
Idealer Verstärker mit +5 V und −5 V Versorgung und entsprechender Ausgangsbegrenzung. Ohne Bandbreiten-, Geschwindigkeits- oder Stromgrenzen. Reale Bauteile haben andere Grenzen; kein Hardwaretest.
Geforderter Vout = −Vin × Rf/Rin. Vin ist Eingang, Rf Rückkopplungs- und Rin Eingangswiderstand. Im linearen Bereich liegt der subtrahierende Eingang nahe 0 V: virtuelle Masse, keine Masseleitung. Bei Begrenzung gilt diese Näherung nicht. Der Eingangsstrommesser zeigt den Quellenstrom durch Rin, nicht den Strom in den idealen Verstärkereingang: Dieser ist null. Bei Begrenzung gilt Iin = (Vin − Vout)/(Rin + Rf) mit tatsächlichem Vout.
Schwierigkeit
Aufbauen · Beobachte
Schalte mit Eingang +1 V, Eingangswiderstand 10 kΩ und Rückkopplung 20 kΩ ein. Lies Ausgang −2 V.
Brauchst du einen Tipp?
+1 V; Rin 10 kΩ; Rf 20 kΩ → −2 V
Erforschen · Stelle ein
Erziele bei Eingang +0.5 V einen Ausgang von −1.9 bis −2.1 V ohne Begrenzung.
Brauchst du einen Tipp?
+0.5 V; Rin 10 kΩ; Rf 40 kΩ → −2 V
Selbst lösen · Entdecke die Grenze
Wähle bei Eingang +1 V Widerstände für einen Verstärkungsbetrag von mindestens 6. Beobachte die Begrenzung auf −5 V.
Brauchst du einen Tipp?
+1 V; Rin 5 kΩ; Rf 30 kΩ → gefordert −6 V, tatsächlich −5 V
Zusatzwissen und Schaltungsrezepte
Verstärke ein Signal und drehe es um
Ein nützlicher Zusammenhang
Doppelte Widerstände lassen die Verstärkung gleich, halbieren aber im linearen Betrieb den Eingangsstrom.
Ein überraschendes Detail
Die Ausgangsenergie kommt aus der Verstärkerversorgung. Widerstände bestimmen Verstärkung, liefern aber diese Energie nicht.
Eine typische Falle vermeiden
Virtuelle Masse verlangt geeignete lineare Rückkopplung. Ein begrenzter Verstärker hält seinen subtrahierenden Eingang nicht bei 0 V.
Rf verdoppelt sich, Rin bleibt gleich, ohne Begrenzung. Der Verstärkungsbetrag…
- halbiert sich
- verdoppelt sich
- bleibt gleich
Weiterlesen
Der Betrag ist Rf/Rin; nur Rf zu verdoppeln verdoppelt ihn.