Operationsverstärker

Der Operationsverstärker – kurz OPV, englisch op-amp – ist das vielseitigste Bauteil der Analogtechnik. Mit zwei Widerständen wird er zum Verstärker, mit einem Kondensator zum Integrator, mit einem Shunt zur Stromquelle, mit einer Brücke zum Messverstärker für einen Hall-Sensor. Er kostet ein paar Cent.

Und trotzdem ist er für viele ein Bauteil, dessen Schaltungen man eher abschreibt als versteht. Das liegt meist daran, dass Lehrbücher entweder mit zwei „goldenen Regeln“ anfangen und nie erklären, warum sie gelten – oder gleich mit Laplace-Transformation und Bode-Diagrammen. Diese Serie geht den Weg dazwischen: Jede Formel wird hergeleitet, jede Herleitung mit Zahlen nachgerechnet, und zu fast jedem Teil gibt es einen Versuch auf dem Steckbrett.

Den roten Faden bildet eine einzige Idee: Gegenkopplung. Ein OPV allein ist ein absurd empfindlicher und ungenauer Verstärker. Erst die Rückführung des Ausgangs macht daraus ein Präzisionsbauteil – und sie ist zugleich der Grund, warum Schaltungen manchmal schwingen.

Empfohlene Reihenfolge

I. Grundlagen

# Thema Kernfrage
1 Der ideale Operationsverstärker Was macht ein OPV – und warum ist er ohne Gegenkopplung fast nutzlos?
2 Grundschaltungen Invertierend, nichtinvertierend, Summierer, Differenzverstärker – woher kommen die Formeln?
3 Gegenkopplung als Regelkreis Warum wird die Schaltung genauer als der OPV selbst?

II. Der reale OPV

# Thema Kernfrage
4 Gleichspannungsfehler Offset, Biasstrom, Aussteuerbereich – was die goldenen Regeln verschweigen
5 Frequenzgang Verstärkungs-Bandbreite-Produkt und Slew Rate: wie schnell kann ein OPV?
6 Stabilität Phasenreserve, kapazitive Last, Zobel-Glied: warum Schaltungen schwingen

III. Anwendungen

# Thema Kernfrage
7 Integrator und PI-Regler Kondensator in der Gegenkopplung: rechnen mit der Zeit
8 Aktive Filter Tiefpass und Hochpass zweiter Ordnung ohne Spule
9 Komparator und Schmitt-Trigger Wenn man die Gegenkopplung absichtlich weglässt
10 Instrumentenverstärker Kleine Differenzen auf großen Gleichtaktspannungen messen
11 Das Innenleben Differenzstufe, Stromspiegel, Miller-Kapazität: was im Chip steckt

Praxisprojekt

Am Ende steht ein Gerät, das alles zusammenführt: ein Stromverstärker für Helmholtz-Spulen. Er nutzt einen OPV als PI-Regler (Teil 7), eine Transistor-Endstufe innerhalb der Gegenkopplung (Teil 3), ist auf eine induktive Last kompensiert (Teil 6) und hat ein Zobel-Glied gegen Schwingneigung (Teil 6).

Was du mitbringen solltest

Was du für die Versuche brauchst

Teil wofür
LM324 (vier OPVs in einem DIP-14) oder LM358 (zwei OPVs, DIP-8) der Versuchs-OPV für die ganze Serie, robust und billig – beide verhalten sich gleich
2 × 9-V-Block mit Clip symmetrische Versorgung ±9 V – harmlos, netzfrei
Steckbrett, Drahtbrücken
Widerstände 100 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ, 100 kΩ, 220 kΩ, 1 MΩ (je einige)
Kondensatoren 1 nF, 10 nF (mindestens 4), 100 nF kapazitive Last in Teil 6, Filter in Teil 8
BC337 und BC327 Gegentaktstufe in Teil 3
optional: TLV9062 auf SO-8-Adapter, 2 AA-Zellen moderner Rail-to-Rail-OPV zum Vergleich (Teil 4–6) – nur bis 5,5 V, nie an die ±9 V
Poti 50 kΩ, linear (10 kΩ geht auch) als einstellbare Eingangsspannung
LED + 1 kΩ als Anzeige
Multimeter reicht für die meisten Versuche
optional: Oszilloskop, Funktionsgenerator für Frequenzgang und Stabilität ab Teil 5

Alle Versuche laufen an ±9 V aus zwei Batterien. Das ist ungefährlich, und ein falsch gesteckter OPV wird schlimmstenfalls warm.

Zum Zuschauen

Als Ergänzung zum Lesen empfehlen wir das Video „Die sechs OP-Grundschaltungen: Eine Übersicht“ des Kanals Attractor: Es ordnet Verstärker, Komparator und Schmitt-Trigger in eine übersichtliche Matrix und führt alle sechs Schaltungen am Steckbrett vor. Die Landkarte am Anfang von Teil 2 folgt dieser Einteilung.

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