Was ist ein Operationsverstärker – und wie wird er eingesetzt?

Inhaltsverzeichnis

1. Was ist ein Operationsverstärker?
2. Ideales Verhalten vs. Realität
3. Die wichtigsten OPV-Grundschaltungen
4. Typische Einsatzbereiche von Operationsverstärkern
5. Wichtige OPV-Typen und Bauformen
6. Worauf ist beim Kauf von Operationsverstärkern zu achten?
7. Vertrauensvolle Qualitätshersteller wählen
8. Operationsverstärker: kleine Bauteile, große Wirkung

Was ist ein Operationsverstärker?

Ein Operationsverstärker ist ein integrierter elektronischer Verstärker, der Spannungen verarbeitet. Seine Kernaufgabe besteht darin, die Differenz zwischen zwei Eingangsspannungen zu verstärken.

Ein klassischer OPV besitzt drei zentrale Anschlüsse:

• einen nichtinvertierenden Eingang (+)
• einen invertierenden Eingang (–)
• einen Ausgang

Hinzu kommen die Versorgungsspannungen (V+ / V-). Der Verstärker vergleicht die Spannungen an den beiden Eingängen und verstärkt ihre Differenz um einen sehr hohen Faktor. In der Praxis wird dieser Verstärkungsfaktor über externe Bauteile – meist Widerstände, Kondensatoren oder Dioden – gezielt eingestellt.

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Ideales Verhalten vs. Realität

In Grundlagenbüchern wird häufig mit dem Ideal-OPV gerechnet. Das ist sinnvoll, weil es die Schaltungsanalyse stark vereinfacht. In der Realität gibt es jedoch keinen idealen OPV.

Für die Praxis sind vor allem diese Kenngrößen entscheidend:

• Offsetspannung: Kleine Eingangsdifferenz, die am Ausgang als Fehler sichtbar werden kann.
• Bandbreite / Gain-Bandwidth Product (GBW): Bestimmt, bis zu welcher Frequenz eine gewünschte Verstärkung sinnvoll erreichbar ist.
• Slew Rate: Gibt an, wie schnell der Ausgang einer Spannungsänderung folgen kann.

Die wichtigsten OPV-Grundschaltungen

Operationsverstärker entfalten ihr Potenzial erst in der richtigen Beschaltung. Zu den wichtigsten Grundschaltungen zählen:

Invertierender Verstärker

Der Operationsverstärker wird in diesem Fall mit einer Parallel-Spannungs-Gegenkoppelung betrieben. Ein Teil der Ausgangsspannung wird über den Widerstand auf den negativen Eingang (-) des OPVs zurückgeführt. In diesem Fall liegt die Eingangsspannung über den Widerstand am negativen Eingang des Operationsverstärkers an. Der nichtinvertierende Eingang (+) wird dann (entweder direkt oder über einen Widerstand) an Masse gelegt. Der Nachteil: ein relativ niedriger Eingangswiderstand.

Der Vorteil wiederum: Es kann fallweise aktiv abgeschwächt werden – so können auch hohe Spannungen präzise gemessen werden.

Nichtinvertierender Verstärker

Im Gegensatz zum invertierenden Verstärker handelt es sich im Falle des nichtinventierenden Verstärkers um eine Reihen-Spannungs-Gegenkopplung. Eingangs- und Ausgangssignal sind hier phasengleich. Der nichtinvertierende Eingang (+) wird mit dem Eingangssignal beschaltet und der Ausgang auf den invertierenden Eingang (-) rückgekoppelt. Dabei wirkt die Änderung der Ausgangsspannung der Eingangsspannungsänderung entgegen.

Das Resultat: ein sehr kleiner Spannungswert. Für nichtinvertierende Verstärker spricht, dass sie auf sehr große Eingangswiderstände und sehr kleine Ausgangswiderstände ausgelegt sind (Impedanzwandler, Wechselspannungsverstärker, hochohmige Spannungsmesser, Gleichspannungsquelle).

Spannungsfolger

Ein Spezialfall des nichtinvertierenden Verstärkers mit der Verstärkung 1. Der Spannungsfolger dient als Impedanzwandler und entkoppelt Signalquellen von nachfolgenden Schaltungen. Diese Schaltung weist eine hochohmigen Eingangswiderstand auf und einen vernachlässigbaren Ausgangswiderstand.

Differenzverstärker / Subtrahierer

In diesem Fall wird der OPV an beiden Eingängen mit Signalen beschaltet. Der Differenzverstärker ist eine OPV-Schaltung, bei der beide Eingänge mit Signalen beschaltet werden. Ziel ist es, am Ausgang die Differenz zweier Eingangssignale zu bilden – der Differenzverstärker subtrahiert also ein Signal vom anderen.

Sind die Widerstände in der Schaltung paarweise gleich dimensioniert, ergibt sich am Ausgang eine saubere Differenzbildung der beiden Eingangsspannungen.

Wichtig für die Praxis: Die Eingänge der Schaltung belasten die Signalquellen. Dadurch können Mess- oder Rechenfehler entstehen, wenn die Quellen zu hochohmig sind. Abhilfe schaffen:

• niederohmige Signalquellen, z. B. vorgelagerte, gegengekoppelte OPV-Stufen
• Impedanzwandler (Buffer/Spannungsfolger) vor den Eingängen, wenn die Signalquellen hochohmig sind.

Summierverstärker

Ein Summierverstärker ist eine OPV-Schaltung, die Signale miteinander addieren kann. Er basiert auf dem Prinzip des invertierenden Verstärkers – mit einer entscheidenden Abweichung: Der Eingangsstrom wird nicht nur von einer, sondern von zwei unterschiedlichen Signalquellen geliefert.

Die Ströme der einzelnen Eingänge laufen am Summenknoten zusammen, addieren sich und werden anschließend – wie beim invertierenden Verstärker – über die Rückkopplung in eine verstärkte Ausgangsspannung umgesetzt.

Typische Einsatzbereiche von Operationsverstärkern

Operationsverstärker finden Sie in nahezu allen Bereichen, in denen Signale verstärkt oder verarbeitet werden sollen. Richtig beschaltet übernehmen OPVs nicht nur Verstärkungsaufgaben, sondern können Signale integrieren oder schalten, Spannungen addieren und subtrahieren – also grundlegende Rechenoperationen in der Analogtechnik abbilden. Das macht sie auch im Umfeld der Digitalisierung weiterhin sehr gefragt. Dennoch hat sich die Rolle der OPV etwas verändert. Heute gelten sie eher als wertvolle Helfer für die Signalaufbereitung, da durch diverse Steuerungsmöglichkeiten von Software ihr Einsatzgebiet limitiert wurde.

Typische Anwendungen sind immer noch:

• Steuerungstechnik: Als Leistungsverstärker können OPVs als Stellglied dienen, beispielsweise zur Ansteuerung von Motoren.
• Messtechnik: In Messaufbauten übernehmen OPVs Funktionen wie eine Konstantstromquelle, etwa zur Temperaturkompensation.
• Analoge Regelungstechnik: In analogen Regelschaltungen kommen OPVs unter anderem in klassischen Regelkonzepten wie PID-Reglern zum Einsatz.
• Sensortechnik: Für Sensoranwendungen werden OPVs beispielsweise als Strom-Spannungswandler eingesetzt, um Signale verlustarm weiterzuverarbeiten und zu übertragen.
• Audiotechnik: OPVs werden für rauscharme Mikrofonverstärker, mehrstufige Vorverstärker und Endstufen genutzt.

Ein zusätzlicher Praxisvorteil: OPVs gelten als kostengünstige Komponente zur Signalverstärkung und sind deshalb sowohl in industriellen Anwendungen als auch im hochwertigen Audiobereich weit verbreitet und in großen Stückzahlen verfügbar.

Wichtige OPV-Typen und Bauformen

Je nach Anwendung kommen unterschiedliche Operationsverstärker zum Einsatz:

Standard-Operationsverstärker / Allzweck-Operationsverstärker

Universell einsetzbar für viele klassische Anwendungen. Sie sind kostengünstig und in großen Stückzahlen verfügbar.

Präzisions-Operationsverstärker

Präzise Operationsverstärker zeichnen sich durch extrem geringe Offsetspannung, sehr niedrigen Offsetdrift und einen minimalen Eingangsbiasstrom aus. Gleichzeitig bieten sie ein ausgewogenes Verhältnis von Bandbreite, Rauschen und Leistungsaufnahme.

Rail-to-Rail-Operationsverstärker

Diese OPV können Ein- und Ausgangsspannungen nahe an die Versorgungsschienen führen. Besonders relevant  sind sie bei niedrigen Versorgungsspannungen.

Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärker

Hochgeschwindigkeit-OPV können extrem schnelle Signale verarbeiten, erkennbar an ihrer hohen Bandbreite (oft 50 MHz bis mehrere GHz) und Steilheit (Slew Rate). Das Ziel: hochfrequente Anwendungen in der Kommunikation, Messtechnik und Bildverarbeitung bedienen, wo Standard-OPV an ihre Grenzen stoßen.

Worauf ist beim Kauf von Operationsverstärkern zu achten?

Den „idealen“ Operationsverstärker gibt es in der Praxis nicht. Deshalb lohnt sich vor der Auswahl ein kurzer Blick auf die Rahmenbedingungen Ihrer Anwendung – so vermeiden Sie spätere Überraschungen im Test oder im Feld.

Design und Ausführungstyp

Wichtig ist in erster Linie, sich klar darüber zu sein, welcher Gehäusetyp, welche Art der Montage und welcher Ausführungstyp für meine Anwendung relevant sind. Praktisch: Im Onlineshop von Bürklin können Sie je nach Bedarf die zentralen Parameter nach Belieben filtern – und erhalten so lediglich für Sie relevante Produkte angezeigt.

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Temperaturbereich und Stabilität im Einsatz

Leistungsdaten können sich mit Temperaturschwankungen verändern. Achten Sie deshalb auf die minimale und maximale Betriebstemperatur, die der Hersteller angibt. So stellen Sie sicher, dass der OPV in Ihrer vorgesehenen Umgebung zuverlässig arbeitet – ohne spürbare Leistungseinbußen.

Rauschen

Auch wenn OPV-Signale grundsätzlich als rauscharm gelten, können Störanteile auftreten. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Versatzspannung: Sie macht sich besonders bemerkbar, wenn kein Eingangssignal anliegt.

Dieser Effekt wird umso wichtiger,

• je höher Sie verstärken wollen oder
• je größer die geforderte Bandbreite ist.

Hinweis: Berücksichtigen Sie Rauschen und Offset daher unbedingt, wenn es um präzise Messungen, saubere Audiowege oder schnelle Signale geht.

Vertrauensvolle Qualitätshersteller wählen

Die Gründe für verlässliche Produkte liegen auf der Hand: hohe Verlässlichkeit, lange Lebenszyklen, weniger Wartungsaufwand – und damit Zeit- und Geldersparnisse. Bei Bürklin finden Sie handverlesene Produzenten, die unserem hohen Anspruch nach Qualität und Zuverlässigkeit entsprechen.

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Operationsverstärker: kleine Bauteile, große Wirkung

Operationsverstärker sind aus der modernen Elektronik nicht wegzudenken. Sie ermöglichen präzise Signalverarbeitung, flexible Schaltungsdesigns und zuverlässige Messergebnisse. Ob Einsteigerprojekt oder industrielle Anwendung – wer das Grundprinzip versteht, kann OPVs gezielt und effizient einsetzen.
Mit dem passenden Know-how und hochwertigen Komponenten schaffen Sie die Basis für stabile, leistungsfähige Schaltungen – heute und in zukünftigen Projekten.

Operationsverstärker bei Bürklin Elektronik

Im Bürklin-Sortiment finden Sie Operationsverstärker für nahezu jede Anwendung – von Standardtypen über Präzisions-OPV bis hin zu Hochgeschwindigkeits-Varianten. Ergänzend dazu bietet Bürklin passende Widerstände, Kondensatoren, Netzteile, Messgeräte und Entwicklungszubehör, um Schaltungen sicher aufzubauen und zu testen.

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