A4 Operationsverstärker und Feedback

Thema

Ein idealer Operationsverstärker hätte unendliche Verstärkung, unendlichen Eingangswiderstand, einen Ausgangswiderstand von null und unendliche Bandbreite. Reale Verstärker weichen in mehrfacher Hinsicht von diesem Ideal ab: Ihr Verstärkungs-Bandbreite-Produkt ist ein für jedes Modell charakteristischer, fester Wert. Das bedeutet, dass eine höhere Verstärkung die nutzbare Bandbreite verringert und umgekehrt. Selbst bei perfekter Symmetrie weisen sie eine geringe Spannungsfehlanpassung zwischen ihren Eingängen auf. Sie ziehen einen geringen Strom an ihren Eingängen. Und sie können ihre Ausgangsspannung nicht instantan, sondern nur mit einer begrenzten maximalen Geschwindigkeit ändern.

Negative Rückkopplung – die Rückführung eines Teils der Ausgangsspannung an den Eingang, also deren Subtraktion – ist die zentrale Technik beim Entwurf von Operationsverstärkern: Sie reduziert die Rohverstärkung des Verstärkers, verbessert aber im Gegenzug die Linearität erheblich, stabilisiert die effektive Bandbreite und sorgt dafür, dass die endgültige Verstärkung fast ausschließlich von präzisen externen passiven Bauteilen und nicht von den variableren Eigenschaften des Verstärkers selbst abhängt.

Die Stabilität einer Rückkopplungsschaltung wird anhand der Phasenreserve bewertet: Ist diese Reserve unzureichend, kann die Schaltung ungewollt schwingen, anstatt sauber zu verstärken. Eine große Phasenreserve gewährleistet ein stabiles Verhalten ohne Überschwingen. Um diese Stabilität in jeder Konfiguration zu gewährleisten, verfügen Operationsverstärker intern über eine Kompensation, die ihren Frequenzgang bewusst begrenzt. Diese Begrenzung wird in Kauf genommen, um unerwartete Schwingungen zu vermeiden. Präzisionsmodelle mit extrem kleinen Eingangs-Offsets werden in Messgeräten und Sensoren eingesetzt; Modelle mit sehr hoher Bandbreite sind Video- und Hochfrequenzanwendungen vorbehalten.

Dieses Modul, das von einem idealen Verstärker ausgeht, den kein reales Bauteil erreichen kann, zeigt daher abschließend, dass die negative Rückkopplung nicht versucht, den realen Verstärker Bauteil für Bauteil diesem Ideal anzunähern, sondern dasselbe praktische Ergebnis auf einem anderen Weg erzielt: durch die Reduzierung der Rohverstärkung, sodass das endgültige Verhalten von präzisen externen Widerständen und nicht von einem unvollkommenen Verstärker abhängt.

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