Operationsverstärker
Logikschaltungen

Grundschaltungen für Sensor-Interfaces

Mikrocontroller

Operationsverstärker ("Opamp")

Ein Operationsverstärker ist ein komplexer mehrstufiger analoger Transistorverstärker mit standardisierten Eigenschaften, im Handel erhältlich als integrierte Schaltung.

Jeder Operationsverstärker hat einen nicht invertierenden Eingang (Plus-Symbol), einen invertierenden Eingang (Minus-Symbol) und einen Ausgang. Mit einfachen Schaltungstechniken lassen sich hieraus hochwertige analoge Spezialverstärker herstellen, ohne daß man die Innenschaltung des Operationsverstärkers kennen muß.

Ein gewisser Nachteil vieler Operationsverstärker-Typen besteht darin, daß die Ausgangs- Spannung sich nicht bis zur vollen Betriebsspannung aussteuern läßt, teilweise nur bis 2 Volt darunter. Solche Verstärker lassen sich nur schlecht zusammen mit Mikrocontrollern und A/D Wandlern an einer gemeinsamen Betriebsspannung von 5 Volt betreiben (die für viele Digitalschaltungen vorgeschrieben ist). Für einfache Anwendungen wählt man Operationsverstärker mit "rail-to-rail" Ausgang (preiswerter Typ LM358 oder LM324) und nimmt in Kauf, daß Werte nahe 0 Volt und nahe der Betriebsspannung nicht präzise verstärkt werden können. Für präzise Meß-Schaltungen mit Operationsverstärkern muß man häufig eine zusätzliche höhere Betriebsspannung vorsehen und oft sogar eine dritte negative Betriebsspannung. Dann wiederum muß man darauf achten, daß die erhöhte Ausgangsspannung des Operationsverstärkers keinen Schaden am A/D Wandler anrichtet.

Für "schnelle" praktische Lösungen kommt man meistens am besten zum Ziel, wenn man akzeptiert, daß Sensoren und Verstärker nicht über den vollen Bereich der Betriebsspannung ausgenutzt werden können. In vielen Fällen schafft man sich einen künstlichen Nullpunkt mit Hilfe einer Referenzspannung

Schaltungstechnik von Operationsverstärkern:
Zunächst muß natürlich die positive und negative Betriebsspannung angeschlossen werden.

• In vielen Fällen reicht es, als negative Betriebsspannung die "Masse" zu nehmen ("single supply"). Dann muß eine Hilfsspannung erzeugt werden (meistens die Hälfte der Betriebsspannung, Spannungsteiler), die den "Arbeitspunkt" der Schaltung festlegt.
• Für Präzisions-Anwendungen benutzt man eine zusätzliche negative Betriebsspannung ("dual supply"). "Masse" definiert dann üblicherweise den "Arbeitspunkt" der Schaltung. Der Verstärker ist somit im Gleichgewicht bei der Eingangsspannung 0.

Komparator
Der Komparator ist in gewissem Sinne die "rohe" Grundschaltung des Operationsverstärkers ohne zusätzliche Schaltelemente :

• Wenn die Spannung am nicht invertierenden Eingang positiver ist als am invertierenden Eingang, so geht die Ausgangsspannung so nahe wie möglich an die positive Betriebsspannung.
• Wenn die Spannung am nicht invertierenden Eingang negativer ist als am invertierenden Eingang, so geht die Ausgangsspannung so nahe wie möglich an die negative Betriebsspannung (d.h. gegen Masse bei "single supply").

Elektrometer-Verstärker

Der Elektrometer-Verstärker zeichnet sich aus durch seinen hohen Eingangswiderstand. Das Ausgangssignal ist nicht gegenüber dem Eingangssignal invertiert. Bei "dual supply" ist üblicherweise Masse die Referenzspannung. Bei "single supply" ist es oft nicht einfach, eine saubere Kombination von Arbeitspunkteinstellung und Verstärkungseinstellung herzustellen, weil beides miteinander verknüpft ist. Daher empfiehlt es sich häufig, mit einem zweiten Operationsverstärker eine künstliche Referenzspannung zu erzeugen.

Spannungsfolger

Der Spannungsfolger ist ein Sonderfall des Elektrometer-Verstärkers mit Verstärkung 1. Er wird benutzt zur Entkoppelung von Schaltungs-Stufen. In vielen Fällen kann man einen Spannungsfolger ersetzen durch die einfachere Emitterfolger- Schaltung. Umgekehrt kann man den Spannungsfolger bezeichen als "Präzisions- Emitterfolger".

Erzeugung einer Spannungsreferenz mit Spannungsfolger
Für die meisten der hier dargestellten Opamp- Schaltungen ist eine Spannungsreferenz erforderlich. Wenn sowohl eine positive als auch eine negative Betriebsspannug zur Verfügung steht, legt man den Referenzeingang üblicherweise auf Masse = 0 Volt.

In einfachen Schaltungen versucht man die negative Betriebsspannung zu vermeiden ("single supply") und muß dann eine künstliche Referenz erzeugen. In der Beispielschaltung wird die Referenz auf die Hälfte der Betriebsspannung eingestellt. Es wird angenommen, daß die Betriebsspannung gut stabilisiert ist und lediglich durch kurze Störimpulse "verseucht" ist, die durch den Kondensator abgeleitet werden. Bei unstabilisierter Betriebsspannung muß man die Referenz mit einem kleinen Spannungsregler-IC oder - bei höheren Anforderungen- mit einer speziellen Refenzspannungs- Quelle stabilisieren. In vielen Fällen kann man die Referenzspannung auch ohne zusätzlichen Spannungsfolger erzeugen, dazu ist allerdings fortgeschrittenes Know-How in Schaltungstechnik notwendig.

Summierverstärker

Der Summierverstärker invertiert das Ausgangssignal gegenüber dem Eingangssignal. Nachteilig ist der geringe Eingangswiderstand, der etwa gleich R1 ist. Vorteilhaft ist die gegenüber dem Elektrometerverstärker vereinfachte Einstellung von Arbeitspunkt und Verstärkung sowie die Möglichkeit, mehrere Spannungen analog zu addieren. Seinen Ursprung hat der Summierverstärker in sogenannten "Analogrechnern", auf denen im vor-digitalen Zeitalter hochdynamische Prozesse simuliert wurden (z.B. Aerodynamik, Schwingungsanalyse). Ähnliche Schaltungen wurden im vordigitalen Zeitalter auch in der industriellen Regelungstechik eingesetzt ("Proportionalregler"). Im Medienbereich wird er in analogen Audio-Mischpulten und in Analog-Synthesizern eingesetzt. In der Sensorik werden Summierverstärker wegen des niedrigen Eingangswiderstandes seltener benutzt bzw. in Kombination mit einem Spannungsfolger.

Integrierverstärker

Ist verwandt mit dem Summierverstärker und hat wie jener seinen Ursprung in der Analogrechnertechnik und industriellen Regelungstechnik ("Integralregler"). Die Ausgangsspannung ist das zeitliche Integral der Eingangsspannung. Daher neigt die Ausgangsspannung dazu, über längere Zeiträume gegen die positive oder negative Betriebsspannung zu "driften". In der Praxis vermeidet man das, indem man ein Mittelding zwischen Summierverstärker und Integrierverstärker konstruiert. Eine solche Schaltung kombiniert die Eigenschaften eines Tiefpasses und eines Verstärkers.

Eine zusätzliche wichtige Eigenschaft von Differenzverstärkern ist ihre "Gleichtaktunterdrückung": steigt die Spannung an beiden Eingängen um den gleichen Betrag gegenüber Masse, ändert sich das Ausgangssignal (im Idealfall) nicht oder nur sehr geringfügig. Um eine hohe Gleichtaktunterdrückung zu erreichen, müssen die Widerstände R1 und R2 möglichst genau aufeiannder abgeglichen sein. Häufig setzt man zum individuellen Feinabgleich ein Trimmpotentiometer ein. Wegen ihrer hohen Gleichtaktunterdrückung werden Differenzverstärker auch zur störungssicheren Übertragung von Analogsignalen eingesetzt (z.B. "symmetrische Mikrofonleitungen").
Die hier vorgestellte Schaltung soll das Prinzip eines Differenzverstärkers demonstrieren und kann für einfache Anwendungen aus preiswerten Bauteilen aufgebaut werden. Dann verwendet man zweckmäßigerweise einen Vierfach- Opamp, mit dem vierten Verstärker wird eine geeignete Referenzspannung erzeugt. Präzisere Ergebnisse erhält man mit professionellen integrierten Schaltungen.

Schmitt-Trigger
Während die oben vorgestellten Verstärkerschaltungen eine negative "Gegen"kopplung haben, d.h. ihre speziellen Eigenschaften aus einer gezielten Verringerung der Grundverstärkung des Opamps herleiten, hat der Schmitt-Trigger eine positive "Mit"kopplung, ist also eine Art überdrehter Komparator.

Zum Verständnis der Schaltung sei der invertierende Eingang viel negativer als der nicht invertierende Eingang, d.h. die Ausgangsspannung positiv. Nun werde die Spannung am invertierenden Eingang erhöht, bis sie gerade positiver ist als die Spannung am nicht invertierenden Eingang, die Ausgangsspannung beginnt negativ zu werden. Durch den Mitkopplungs-Widerstand wird zugleich die Spannung am nicht invertierenden Eingang negativer, was die Einstellung der negativen Ausgangsspannung wiederum zusätzlich beschleunigt. Durch diesen Mitnahme- Effekt wird der undefinierte "lineare" Übergangsbereich des Komparators eliminiert. Macht man nun die Spannung am invertierenden Eingang wieder negativer, so muß man sie über den vorherigen Umschlagspunkt negativ machen, bis die Ausgangsspannung wieder positiv wird. Das heißt die Eingangsspannung muß sich immer um einen Mindest-Wert ändern, bis der Ausgang reagiert - dadurch wird verhindert, daß bereits kleine Störungen der Eingangsspannung auf den Ausgang wirken . Dieses Verhalten nennt man "Hysterese".
In der Praxis baut man Schmitt-Trigger nur dann aus Operationsverstärkern auf, wenn man eine ohnehin vorhandene Schaltung dazu lediglich geringfügig modifizieren muß. In den meisten Fällen setzt man preiswerte integrierte Schaltungen ein, bei denen die Mitkopplungswiderstände bereits auf dem Chip integriert sind, z.B. die IC-Typen CD4093 oder 74HC14.

Integrierte Logikschaltungen

Die am meisten verbreiteten Schaltungstypen invertieren das logische Ergebnis am Ausgang. Statt einer AND-Schaltung hat man dann eine NAND-Schaltung, d.h. NOT-AND.

Schaltsymbol und Wahrheitstabelle eines NAND-Gate (invertierendes UND)

Schaltsymbol und Wahrheitstabelle eines NOR-Gate (invertierendes ODER)

Die Logikfamilien unterscheiden sich in ihrer Betriebsspannung, Schaltgeschwindigkeit, Spannungswerte für "High" und "Low" Signalspannungen und in ihren Eingangswiderständen. Praktisch von Bedeutung ist gegenwärtig (noch) die LS-TTL-Familie, die Standard CMOS-Familie und (bevorzugt) die High-Speed HCMOS-Familien 74HCxx und 74HCTxx. Die meisten derzeit verbreiteten Mikroprozessoren sind in HCMOS-Technologie kompatibel zur 74HCT Familie aufgebaut, die anderen hier aufgeführten Logikfamilien lassen sich jedoch ohne Probleme mit den Prozessoren zusammenschalten.

Familie	Betriebs- Spannung	"HIGH"	"LOW"	Schaltzeit	Eingangs- Widerstand
LS-TTL	5 V +/-10%	>2,5 V	<1,5 V	ca. 10 ns	ca. 10 KiloOhm
Standard- CMOS	UB= 3-18 V	>0,7*UB	<0,3*UB	ca. 200ns	>10 Megohm
HCMOS: 74HC..	UB= 3-6 V	>0,7*UB	<0,3*UB	ca.10ns	>10 Megohm
HCMOS: 74HCT..	5 V +/-10%	>2,5 V	<1,5 V	ca. 10ns	>10 Megohm

Neuere Entwicklungen führen zu Logikfamilien mit 3 Volt Betriebsspannung, deren Einsatz im hier hauptsächlich betrachteten Anwendungsfall weniger sinnvoll ist.