Operationsverstärker

Der Operationsverstärker (OpAmp) ist der zentrale Baustein der analogen Schaltungstechnik. Er verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen seinen beiden Eingängen – dem invertierenden (–) und dem nicht-invertierenden (+) Eingang – um einen sehr hohen Faktor, die Leerlaufverstärkung A₀.

Der ideale OpAmp besitzt vier Eigenschaften, die als Näherung für die Handrechnung von Schaltungen dienen:

• unendliche Leerlaufverstärkung (A₀ → ∞)
• unendlicher Eingangswiderstand (kein Eingangsstrom)
• Ausgangswiderstand null (ideale Spannungsquelle am Ausgang)
• unendliche Bandbreite

In einer gegengekoppelten Schaltung (z. B. Verstärker mit Widerstandsnetzwerk) folgt aus der hohen Leerlaufverstärkung die virtuelle Masse: Die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen wird durch die Rückkopplung auf nahezu null geregelt, obwohl kein direkter leitender Kontakt zwischen ihnen besteht. Dieses Prinzip ist die Grundlage für die Analyse nahezu aller OpAmp-Grundschaltungen (Invertierer, Nicht-Invertierer, Integrator, Differenzverstärker).

Reale OpAmps weichen von diesem Idealbild ab: endliche Verstärkung, endliche Bandbreite, Eingangsströme (Bias-Ströme durch die Transistor-Eingangsstufe) und ein Ausgangswiderstand ungleich null. Diese nicht-idealen Effekte werden in den folgenden Absätzen quantifiziert.

Die Eingangsstufe eines OpAmps ist praktisch immer ein Differenzverstärker (Differential Pair): zwei Transistoren, deren Sources (bei MOS) bzw. Emitter (bei Bipolar) an einer gemeinsamen Stromquelle liegen. Die Differenz der beiden Eingangsspannungen steuert, wie sich der gemeinsame Bias-Strom auf die beiden Zweige aufteilt.

Als aktive Last dient in modernen CMOS-Designs meist ein Stromspiegel (Current Mirror): Ein Referenztransistor gibt einen Strom vor, der über das Verhältnis der Transistor-Weiten (W/L) auf einen oder mehrere weitere Zweige gespiegelt wird. In der OpAmp-Eingangsstufe wandelt der Stromspiegel das differenzielle Stromsignal in ein einzelnes (single-ended) Spannungssignal um – dieser Schritt bestimmt maßgeblich die erste Verstärkungsstufe.

Wichtige Kenngrößen dieser Stufe sind die Transkonduktanz g_m der Eingangstransistoren (bestimmt Verstärkung und Rauschverhalten) sowie der Gleichtaktaussteuerbereich (Common-Mode Input Range) – der Bereich, in dem beide Eingangsspannungen liegen dürfen, ohne dass ein Transistor der Stromquelle oder des Differenzpaares aus der Sättigung fällt.