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DESIGN ELEKTRONIK 04 2022 18 www designelektronik de Halbleiter | Operationsverstärker OPVs für IIoT-Anwendungen Operationsverstärker gibt es schon seit den frühen 1940-er Jahren als das erste Konzept eines gleichstromgekoppelten Spannungsverstärkers mit großer Verstärkung auf der Basis thermionischer Vakuum-Röhren entstand Schon bald wurden frühe Operationsverstärker OPVs in zahlreichen Anwendungen eingesetzt vom Radar bis hin zu analogen Computern – und ihre Nützlichkeit nimmt weiter zu Heute sind diese Bauelemente der Kern praktisch aller elektronischen Geräte von Fitnessuhren in der Unterhaltungselektronik bis hin zu Industrierobotern autonomen Fahrzeugen und Kommunikationssatelliten Einer der beliebtesten Operationsverstärker der auch heute noch produziert wird ist der 741 Der µA741 von Fairchild siehe großes Bild war zwar nicht der erste monolithische Halbleiter-Operationsverstärker – das war der 702 von Fairchild – aber er hat sich schnell als der beliebteste Bild sp ac ed ro ne 80 8 st oc k ad ob e co m Auch nach acht Jahrzehnten sind Operationsverstärker OPVs in vielen Anwendungen anzutreffen Dieser Beitrag greift die praktischen Aspekte dieser Bauteile auf erläutert die wichtigsten Parameter im Datenblatt und stellt einige Anwendungen im Bereich IIoT vor Mark Patrick Technical Marketing Manager EMEA bei Mouser Electronics Operationsverstärker für alle Arten von Designs etabliert Der 741 kam 1968 auf den Markt wird auch heute noch produziert und ist in Pinkompatiblen Gehäusen von mehreren Anbietern erhältlich beispielsweise von STMicroelectronics Bild 1 und Texas Instruments In der Regel verfügt ein Operationsverstärker über einen unsymmetrischen Ausgang und differenzielle invertierende und nichtinvertierende Eingänge Als Open-Loop-Verstärker eingesetzt liefert er aufgrund seiner hohen Verstärkung ein Ausgangssignal das viele tausendmal größer ist als die Potenzialdifferenz zwischen den Eingängen Ein OPV wird häufig negativ rückgekoppelt um die Verstärkung zu begrenzen und an die Anwendung anzupassen Bild 2 Trotz der hohen Verstärkung ist seine Ausgangsspannung natürlich durch die Höhe der Versorgungsspannungen begrenzt OPVs lassen sich als Differenzverstärker Spannungsfolger Differenzierer oder Integrator konfigurieren Sie eignen sich für verschiedene Anwendungen und bieten in der Regel Funktionen wie aktive Filter Pegelwandler Pufferung Signalkonditionierung Verstärkung von Kleinsignalen AC DC und Funktionsgeneratoren Damit ist der Operationsverstärker ein perfekter Baustein für praktisch jedes Gerät Aus der Sicht der Funktionsweise eines Operationsverstärkers weist ein ideales Bauteil die folgenden Eigenschaften auf ■ ■ Er hat eine unendlich hohe differenzielle Spannungsverstärkung – die Ausgangsspannung wird ausschließlich durch die Eingangsspannung und die Rückkopplungsschaltung bestimmt ■ ■ Er hat einen unendlich hohen Eingangswiderstand d h es fließt kein Strom in einen der beiden Eingänge ■ ■ Der Ausgangswiderstand ist gleich Null d h die Last beeinflusst die Leistung des OPV nicht ■ ■ Seine Bandbreite ist unendlich d h sie reicht von Gleichstrom bis zu jeder Frequenz ohne dass sich die Phase oder die Verstärkung ändert ■ ■ Der Ausgang ist Null wenn der Differenzeingang Null ist Eine hilfreiche Infografik in der die Grundlagen eines Operationsverstärkers und einige beliebte Schaltungskonfigurationen erklärt werden findet sich unter [1] Operationsverstärker in der Praxis Zum grundlegenden theoretischen Verständnis eines OPV ist zwar eine ideale Bauteilcharakterisierung hilfreich aber in der Realität besitzen alle Operationsverstärker bestimmte Eigenschaften die man als Entwickler vollständig verstehen muss In diesem Teil des Beitrags geht es um einige der wichtigsten Parameter die sich auf dem Datenblatt eines OPV finden Je nach Art der Anwendung können einige dieser Merkmale einen direkten Einfluss auf die Geräteauswahl haben » Eingangsseitige Offset-Spannung Bei einem idealen Operationsverstärker sollte der Ausgang gleich Null sein wenn der Differenzeingang gleich Null ist Aufgrund von leichten Unterschieden bei der Fertigung des Bauelements weisen einige Transistor-Gates jedoch winzige Unterschiede auf Die eingangsseitige Offset-Spannung ist die Spannung die an den Differenzeingängen angelegt werden