Operationsverstärker

Der Operationsverstärker ist ein elektronisches Bauteil welches ein eingehendes Signal sehr stark verstärken kann, ohne dieses Signal zu belasten.
Das Bauteil hat fünf Anschlüsse:

Wie bei anderen Elektronischen Komponenten wird zur Vereinfachung `V_s+` und `V_s-` in einer Schaltung normalerweise nicht gezeigt.

Funktionsprinzip

Der Operationsverstärker verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingangssignalen. Der Verstärkungsfaktor ist hierbei von der Rückkopplung des Ausganges abhängig. Begrenzt wird die Verstärkung nur durch die Spannungsversorging. Ist die Eingangsdifferenz 2V und die Spannungsversorgung liefert 5V kann in einem idealen Opamp das Signal nicht um mehr als das 2.5 fache versärkt werden.
In Realität ist es etwas geringer aufgrund der Spannungsverluste in innern der Elektronik.

Normaler vs. Invertierender Eingang

Die Verstärkungsfähigkeit ist nicht vom verwendeten Eingang abhängig. Der Unterschied ist lediglich die Lage der Spannung am Ausgang. Wird der normale Eingang verstärkt, hat das Ausgangssignal die selbe polarität wie das Eingangssignal (z.B. +1V → +5V oder -1V → -5V). Wird jedoch der invertierende Eingang verwendet ändert sich die Polarität (z.B. +1V → -5V oder -1V → +5V)

Invertierender Verstärker

Die Schaltung zeigt eine typische Konfiguration eines Opamp. Diese Schaltung arbeitet im invertierenden Modus da die positive Seite an Masse hängt.
Die Widerstände `R_1` und `R_2` bilden einen Spannungsteiler. Dieser ist unbelastet da der ideale Opamp das Eingangssignal nicht "Konsumiert".
Wird eine Spannung am Eingang angelegt würde nun theoretisch die Ausgangsspannung bis ans Limit der Spannungsquelle ansteigen. Steigt die Spannung am Ausgang jedoch an, so steigt die Spannung aufgrund des Spannungsteilers am Eingang auch an. Dies reduziert nun die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen bis sie ausgeglichen ist. Der Verstärkungsfaktor `V` ergibt sich aus dem Verhältnis des Spannungsteilers: `V=R_2/R_1`
Dadurch ergibt sich `U_"out"=-U_"in"*V`

Nicht invertierender Verstärker

Bei einem nicht invertierenden Verstärker ist der Invertierende Eingang an Masse und der nicht invertierende Eingang trägt das Eingangssignal. Die Formel ist dann geringfügig anders: `V=R_2/R_1+1`. Die Verstärkung ist `U_"out"=U_"in"*V`

Hinweis: Bei einem nicht invertierenden Verstärker findet die Rückkopplung trotzdem am invertierenden Eingang statt.

Differenzierender Verstärker

Eine etwas kompliziertere Beschaltung ist der Differenzierende Verstärker. Hier liegt ein auszuwertendes Signal an beiden Eingängen an, und die Differenz zwischen den Signalen wird ausgewertet.
Ein Erkennungsmerkmal dieser Schaltung ist die Präsenz eines Spannungsteiler an jedem Eingang anstatt nur an einem.
Formel: `U_"out"=(U_"pos"*V_"pos")-(U_"inv"*V_"inv")`
Einfach gesagt besagt diese Formal, dass der Invertierende Verstärkungsfaktor und der nicht invertierende Verstärkungsfaktor ausgerechnet werden muss. Anschliessend wird die invertierend verstärkte Spannung von der nicht invertierenden verstärkten Spannung abgezogen.
`V_"inv"=R_3/R_1`, und `V_"pos"=(1+R_3/R_1)/(1+R_4/R_2)`