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Der Operationsverstärker ist ein Bauteil, welches in der Analog-Elektronik eine hohe Bedeutung hat. Er ist bereits seit mehreren Jahrzehnten im Einsatz und auch in der heutigen digitalen Welt nicht wegzudenken. Ein Operationsverstärker ist ein integrierter elektronischer Verstärker mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang und hat eine sehr hohe Verstärkung.

Er ist aufgrund hoher Fertigungsstückzahlen äußerst preiswert und wird von etlichen Herstellern in einer großen Palette von Bauformen angeboten. Die Typenvielfalt resultiert hauptsächlich aus speziellen Eigenschaften und ermöglicht so die Auswahl von optimal für einen bestimmten Einsatzfall geeigneten Verstärkern.

Operationsverstärker im Einsatz

Der Operationsverstärker hat etliche Einsatzbereiche, welche ihn unentbehrlich machen. Grundsätzlich ist die Physik analog aufgebaut. Umwelteigenschaften wie Temperatur, Druck, Geschwindigkeit, Geräusch, Beschleunigung, Durchfluss und Weg erzeugen analoge Signale, die über entsprechende Sensorik zunächst einmal verstärkt und aufbereitet werden müssen, bevor sie digital weiterverarbeitet werden. Am Ende müssen die digitalen Signale dann zumeist wieder in analoge Ansteuerungen für Aktuatoren umgewandelt werden. In diesen Bereichen kommt der Operationsverstärker ins Spiel. Er wird heutzutage hauptsächlich zur Verstärkung, Filterung und Anpassung von Sensorsignalen sowie bei der Aktoransteuerung (Ventile, LEDs, Lautsprecher, Netzteile, Motoren) eingesetzt.

Obwohl die Anwendung von Operationsverstärkern hinsichtlich Typenauswahl, Schaltungstechnik und Verhalten heutzutage weitestgehend problemlos erfolgt, können Probleme auftreten, mit denen der Entwickler nicht rechnet und die sich nicht sofort lösen lassen.

Probleme durch Rauschen

Die Rede ist vom Phänomen des Signalrauschens. Hiermit sind unerwünschte Signale gemeint, welche in einer Elektronikschaltung auftreten. So können sie zum Beispiel für das Auftreten von Unlinearitäten und Temperaturdrift in Sensor-Interfaces oder Verzerrungen in Audiosignalen verantwortlich sein, obwohl dies nach Auswahl der Verstärkertypen und ihrer Beschaltung nicht plausibel erscheint. Signalrauschen wird in zwei Arten eingeteilt: in internes und externes Rauschen. Internes Rauschen entsteht innerhalb des Verstärkers, während externes Rauschen von der umgebenden Schaltung oder der Signalquelle kommt. Interne Quellen sind etwa thermisches-, Breitband- oder 1/f-Rauschen („Flicker Noise“). Externe Ursachen können in Einstreuungen der 50-Hz-Netzfrequenz oder der Taktfrequenz von Schaltnetzteilen liegen.

Um Rauscheinflüsse zu analysieren, muss der Effektivwert des Rauschens gemessen werden. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Es kommen sowohl Digital-Multimeter als auch Oszilloskope in Betracht – die Verwendung eines Spektrum-Analysators ist zwar ebenso möglich, jedoch recht aufwändig und soll daher hier nicht betrachtet werden.

Der mit einem echten Effektivwert-Multimeter gemessene Wert entspricht dem Effektivwert eines Wechselspannungssignals, unabhängig vom Kurvenverlauf des Signals, und ist daher für Rauschmessungen, bei denen der Amplitudenverlauf variiert, verwendbar. Das Multimeter sollte auf den Bereich „AC“ gesetzt werden, dann wird nur der Wechselspannungsanteil im Signal gemessen – und Rauschen stellt ja eine Wechselspannung dar. So können Rauschsignale in einem weiten Frequenzbereich von wenigen Hz bis in den MHz-Bereich hinein erfasst werden. Der AC/DC-Bereich dagegen misst das Signal einschließlich des Gleichspannungsanteils und ist daher von Nachteil.

Es gibt auch Messgeräte, welche nur die Spitzenspannung messen, diesen Wert mit dem Faktor 0,7 multiplizieren und so als Effektivwert anzeigen. Diese Methode setzt sinusförmigen Spannungsverlauf voraus und ist daher für die Rauschmessung ungeeignet. Jedes Messgerät hat bereits ein eigenes Grundrauschen. Dieser Wert kann abgelesen werden, indem der Benutzer den Multimetereingang kurzschließt und den angezeigten Betrag vom später ermittelten Messwert abzieht. Ein Nachteil der Multimeter-Messung liegt darin, dass sie keine Aussage über die Frequenz des Rauschsignals liefert.

Hier kommt das Oszilloskop ins Spiel, wobei Digital-Geräte wegen ihrer besseren Triggermöglichkeiten besser geeignet sind als Analog-Oszilloskope. Auch diesmal sollte zunächst bei kurzgeschlossenem Eingang das Geräterauschen festgestellt werden. Die Verwendung eines Tastkopfes ohne Abschwächung (x1) ist vorzuziehen, da x10-Tastköpfe zu einem höheren Grundrauschen führen. Es ist darauf zu achten, dass die Bandbreite des Oszilloskops hoch genug ist, um das Rauschen komplett zu erfassen. Die Messungen sollten auch in diesem Fall wie beim Multimeter mit AC-Kopplung durchgeführt werden.

Ermittlung des externen Rauschens

Um externe Rauscheinflüsse festzustellen, sollte schrittweise vorgegangen werden; die Resultate der jeweiligen Punkte sind zu notieren:

• Prüfling in ein abgeschirmtes und mit Signalmasse verbundenes Gehäuse setzen

• Abgeschirmte Leitungen verwenden – Abschirmung mit Signalmasse verbinden

• Spannungsversorgung über eine Batterie vornehmen – auch Linear-Netzteile besitzen ein gewisses Ausgangsrauschen

• Eingangssignal über Batterie einspeisen

• Messungen sowohl mit Multimeter als auch mit Oszilloskop durchführen und Ergebnisse auf Plausibilität vergleichen

Das nach Durchführung der vorstehenden Maßnahmen verbleibende Rauschen ist internes Rauschen im Operationsverstärker. Zunächst ist interessant, dass das Verstärkerrauschen temperaturabhängig ist. Das Rauschen kann sich über den spezifizierten Temperaturbereich eines Operationsverstärkers um 10 bis 20 Prozent ändern und ist in den Datenblättern zumeist nicht angegeben. Grundsätzlich kann von zwei Rauscharten gesprochen werden.

Da wäre als Erstes das 1/f-Rauschen, auch „Flicker Noise“ genannt, zu nennen. Es ist abhängig vom Herstellungsprozess des Verstärkers. Solange dort keine gravierenden Änderungen erfolgen, ist es also nahezu gleichbleibend. Anderenfalls kann es unter ungünstigen Umständen auf das Doppelte ansteigen. Das Zweite ist das so genannte weiße Rauschen, ein Breitbandrauschen. Dies hängt vom inneren Aufbau des Operationsverstärkers ab und wird unterschieden in Strom- und Spannungsrauschen.

Verstärker mit bipolaren Eingangstransistoren haben ein hohes Strom-, jedoch ein niedriges Spannungsrauschen. Die umgekehrten Eigenschaften besitzen Operationsverstärker mit FET-Transistoren im Eingangsbereich. In diesem Zusammenhang sind die externen Eingangs-Vorschaltwiderstände des Verstärkers zu betrachten. Hohe Widerstandswerte ergeben höheres Stromrauschen, niedrige Werte führen zu höherem Spannungsrauschen.

Um optimale Arbeitsbedingungen für den Verstärker zu gewährleisten, sind diese Wertebereiche im Verhältnis zum Widerstand der Rückkopplung festzulegen. Dazu wird aus dem Spannungs- und dem Stromrauschen einen Widerstandswert berechnet, welcher dem Ohmwert der Rückkopplung entsprechen sollte. In dieser Auslegung ist das Rauschen optimal minimiert. Wenn diese Werte nicht ohne weiteres geändert werden können, so sollte ein Verstärkertyp mit besser geeigneten Eingangsdaten verwendet werden.