Frage zur Funktions eines Operationsverstärkers

OP #2447422
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Hallo,

ich habe eine Verständnis Frage zur genauen Funktion eines 
Operationsverstärker.

Nehmen wir zum einen Spannungsfolger/Impedanzwandler.

Dort wird ja direkt der Ausgang auf einen Eingang geschalten.

Zum Zeitpunkt "0" ist eine Spg.-Differenz zw. den Eingängen und er 
Ausgang versucht diese Diffenez auszuregeln.

Nach einen kurzen bzw. sehr kurzen Zeit ist die Ausgangsspannung gleich 
der Eingangsspannung und somit ist ja die Differenz zwischen den beiden 
Eingängen "0" und somit müsste doch die Ausgangsspannung auch wieder "0" 
werden und das Spiel geht von vorne los.

Ich kenne die ganzen OP-Grundschaltungen und auch, dass es in der Praxis 
funktioniert - nur das Verhalten, dass trotz gleichen Spannungen an den 
Eingängen eine Ausgangsspannung vorhanden ist, ist mir nicht ganz klar.

Kann mir hier jemand etwas Licht ins Dunkle bringen ?

Gruß,

Michael
#2447475
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Jörg Wunsch schrieb:
> Michael A. schrieb:
>> ist ja die Differenz zwischen den beiden
>> Eingängen "0"
>
> Nein, es verbleibt eine Differenzspannung, da die Spannungsverstärkung
> des OPVs ja nicht wirklich unendlich ist.

Liegt das nicht vielmehr daran, dass die Eingänge nicht ideal sind und 
da doch Ströme reinfließen bzw. an der Offsetspannung? Ich mein, ein 
Impedanzwandler braucht ja auch Ideal nicht unbedingt eine unendliche 
Spannungsverstärkung ;)
#2447493
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Michael A. schrieb:
> Nach einen kurzen bzw. sehr kurzen Zeit ist die Ausgangsspannung gleich
> der Eingangsspannung und somit ist ja die Differenz zwischen den beiden
> Eingängen "0" und somit müsste doch die Ausgangsspannung auch wieder "0"
> werden und das Spiel geht von vorne los.

Im funktionierenden Fall versucht der OP die Eingansgspannungsdifferenz 
auszuregeln. Angenommen er hat eine reale Verstärkung von 100.000 und 
die Spannung, die er als Impedanzwandler abpuffern soll ist 5V.
Dann regelt er solange bis die Ausgangsspannung fast 5V ist. Um bei 
einer Verstärkung von 100.000 (fast) 5V zu erreichen braucht er eine 
Eingangsspannungsdifferenz von 5/100000 = 50µV. Das heisst sobald die 
Ausgangsspannung 4,99995V hat ist die Differenz an den Eingängen 50µV 
und der Ausgang hält die entsprechende Spannung.
Jetzt klar?

Edit: Dinge wie Offset und differenzen der Eingangsströme jetzt mal 
ausser Acht gelassen.
Die Eingangsspannung am Plus Eingang ist genau 5.0000000V
Moderator Persönliche Seite #2447511
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Michael A. schrieb:
> und woher kommt dann die
> Ausgangsspannung ?

Aus der unendlichen Verstärkung, denn du hast den Idealfall
angenommen.  Null mal unendlich ist eben nicht zwingend wieder
null, sondern es kann genausogut +5 V sein (oder auch -5 V).

Sowie du einen realen OPV nimmst, ist die Verstärkung nicht mehr
unendlich, und folglich verbleibt (auch nach Abzug der Offset-
spannung) eine Eingangsspannungsdifferenz.
Persönliche Seite #2447583
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Vereinfacht funktioniert ein Operationsverstärker so:

Ist die Spannung an seinem positiven Eingang größer als die am negativen 
Eingang, erhöht er die Ausgangsspannung.
Ist die Spannung an seinem negativen Eingang größer als die am positiven 
Eingang, erniedrigt er die Ausgangsspannung.


Wie er dann genau funktioniert steht schon weiter oben.


Gruß
Jonathan
OP #2447612
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Jonathan Strobl schrieb:
> Vereinfacht funktioniert ein Operationsverstärker so:
>
> Ist die Spannung an seinem positiven Eingang größer als die am negativen
> Eingang, erhöht er die Ausgangsspannung.
> Ist die Spannung an seinem negativen Eingang größer als die am positiven
> Eingang, erniedrigt er die Ausgangsspannung.
>
>
> Wie er dann genau funktioniert steht schon weiter oben.

Na ja.. dieses Verhalten war mir schon klar ;o)

Ich wundere mich nur, da ich in meinen Schaltungen immer eine Diffenez 
von 0 V messe und am Ausgang vom OP aber eine Spannung vorhanden ist.
#2447618
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Michael A. schrieb:
> Ich wundere mich nur, da ich in meinen Schaltungen immer eine Diffenez
> von 0 V messe und am Ausgang vom OP aber eine Spannung vorhanden ist.

Wie groß ist die Leerlaufverstärkung?
Wie groß die Ausgangsspannung?
Welche Eingangsspannungsdifferenz ist also zu erwarten?
Wie genau ist dein Messgerät?
Hey das Schwierigste daran ist eine Division. Wir haben es dir doch 
schon vorgekaut. Jetzt spiel nicht den mathematischen Analphabeten und 
rechne es dir halt mal durch.
Moderator Persönliche Seite #2447634
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Michael A. schrieb:
> Ich wundere mich nur, da ich in meinen Schaltungen immer eine Diffenez
> von 0 V messe und am Ausgang vom OP aber eine Spannung vorhanden ist.

Weil du Mist misst. ;-)

Weißt du, was man als Ing-Student im physikalischen Praktikum
Monat für Monat als allererstes machen darf?  Sich Gedanken um die
Messfehler, die zu erwarten sind, und darauf basierend eine
Abschätzung, wie sich diese Fehler auf das Versuchsergebnis
auswirken werden.
#2447705
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Kanns sein, dass ihr aneinander vorbei redet? Redet ihr jetzt von nem 
Impedanzwandler oder von nem nicht rückgekoppelten OP. Bei nem 
Impedanzwandler ist doch die Leerlaufverstärkung relativ uninteressant 
für die Differenzeingangsspannung. Zwischen den Eingängen hängt hier 
doch ein Widerstand, der im Idealfall ∞ ist (lasst uns doch der 
Einfachkeit halber einen OP betrachten, der bis auf die 
Leerlaufverstärkung Ideal ist). Damit fließt da doch kein Strom rein 
(bzw. raus) und somit kanns da auch nicht zum Spannungsabfall zwischen 
den Eingängen des OPs kommen.

Beim realen OP schauts natürlich anders aus da da u.a. der 
Eingangswiderstand nicht ∞ ist und somit schon ein Strom rein fließt, 
folglich es zu einem Spannungsabfall da kommt.

However, diesen Spannungsabfall jedoch zu messen ist ne ganz schöne 
Herausforderung die sicher nicht jedes Multimeter messen kann, ich wage 
mal zu behaupten, dass die meisten Multimeter hier 0V anzeigen werden.
#2448031
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Auch beim Impedanzwandler ist dieser kleine Unterschied zwischen den 
Eingängen notwendig um zu funktionieren. Wäre die Eingangsdifferenz 
tatsächlich null, wäre die Ausgangsspannung auch null. Man könnte z.B. 
mal nach einen OPV gucken mit besonders niedriger Leerlaufverstärkung. 
Dann müsste man die Differenz auch mit einem normalen Multimeter messen 
können.

LG Christian
#2448380
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Christian L. schrieb:
> Auch beim Impedanzwandler ist dieser kleine Unterschied zwischen den
> Eingängen notwendig um zu funktionieren.

Erklär es mal bitte ausführlich. Das verstehe ich nämlich grade nicht.
Eingangswiderstand des OPs ist unendlich, damit fließt da kein Strom 
rein und ohne Strom auch kein Spannungsabfall (Ohmisches Gesetz). Wie 
oben gesagt, ich wills nur am Beispiel eines idealen OP betrachten mit 
endlicher Leerlaufverstärkung. Bei realen OP ists klar.
#2448614
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Michael Köhler schrieb:
> damit fließt da kein Strom
> rein und ohne Strom auch kein Spannungsabfall (Ohmisches Gesetz)

Das hat nichts mit dem Spannungsabfall durch einen Stromfluss zu tun. 
Dieses Verhalten ergibt sich bereits aus der Grundgleichung eines OPVs.
Wie man sieht ist die Verstärkung eines Impedanzwandlers immer kleiner 
eins. Bei großen Leerlaufverstärkungen fällt dieser Fehler aber nicht 
mehr auf. Man sieht aber, dass die Annahme die Ausgangsspannung folgt 
der Eingangsspannung nur bedingt stimmt.

Die Differenz am Eingang lässt sich bestimmen zu:
Auch hier wieder - ist die Leerlaufverstärkung groß fällt es kaum auf. 
Praktisch ist dieser Spannung abhängige Fehler so klein, dass er im 
Offset des OPVs untergeht und man ihn eher der Offsetspannung zurechnet. 
Er ist aber im Gegensatz zum Offset nicht konstant sondern abhängig von 
der Eingangsspannung.

LG Christian
#2448642
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Das kann man wohl von zweierlei Seiten aus betrachten aber so ists klar, 
danke dir.
Wie hab ich es betrachtet? So:

Da der Eingangswiderstand aber ∞ ist folgt hieraus, dass Iin 0 A ist und 
damit folgt, dass Uein+ gleich Uein- sein muss.
#2448867
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Ich weiss, ich schreibe nichts neues, aber vielleicht sollte man es 
nochmals betonen:

Man muss halt immer unterscheiden, ob man von einem IDEALEN oder von 
einem REALEN OpAmp spricht.

Beim realen OpAmp ist die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen sehr 
sehr klein, aber eben nicht null. Genauer: Sie entspricht der 
Ausgangsspannung geteilt durch den (sehr grossen) Verstärkungsfaktor des 
OpAmps.

Dass man jetzt dem OpAmp eine unendlich hohe Spannungsverstärkung 
zuschreibt, gehört eben zur Idealisierung des OpAmps. So wie die 
Annahme, dass an den Eingängen kein Strom fliesst. So wie die Annahme, 
dass der Ausgang keinen Quellenwiderstand hat. So wie die Annahme, dass 
das Ding unendlich schnell ist. So wie die Annahme, dass in der Schleife 
zwischen Ausgang und invertierendem Eingang kein B-Feld ist, das eine 
Spannung induzieren kann, so wie die Annahme, dass die Widerstände kein 
thermisches Rauschen haben....

Das alles sind voneinander völlig unabhängige Annahmen, die wir einfach 
machen, weil wir faul sind und es oft ausreicht, mit diesen Annahmen zu 
arbeiten.

Und wenn wir nun diese eine Annahme der (frequenzunabhängig) unendlichen 
Verstärkung als Spielregel akzeptieren, dann ist der Schluss sehr sehr 
einfach:

Die Ausgangsspannung ist endlich. Und unendlich so gross wie die 
Eingangsdifferenzspannung. Also muss die Eingangsspannungsdifferenz null 
sein.
Oder, anders gesagt: Die Ausgangsspannung ist nicht so hoch. Aber 
extreeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeem viel höher als die 
Eingangsspannungsdifferenz. Also muss die Eingangsspannungsdifferenz 
extreeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeem klein sein.

Und extreeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeem klein mit 46 e's ist 
Null.



Wenn ich eine OpAmp-Schaltung verstehen/erklären will, mache ich das oft 
zweistufig:

1. Ich gehe mal davon aus, dass obige Annahme stimmt. Dann kann ich 
rechnen.

2. Ich überlege mir/erkläre, was, wenn sie denn nicht stimmen würde, und 
die Differenzeingangsspannung endlich klein aber nicht null würde, der 
OpAmp (der reale OpAmp) dagegen tun würde. So kann ich dann wiederum 
schliessen, dass unter obigen Annahmen tatsächlich der Opamp dafür 
sorgt, dass die Eingangsspannungsdifferenz immer null/verschwindend 
klein bleibt.

Gruäss
Simon
#2449216
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Christian L. schrieb:
> Nein, warum? Die Gleichung würde auch für geringe Differenz erfüllt
> werden. Jeder endliche Differenz durch unendlich hat den Grenzwert 0.
> Klar, wenn die endliche differenz 0 ist kommt exakt null heraus. Aber
> auch sonst würde I auch gegen 0 gehen.

Ja eben und wenn I gegen 0 geht geht auch dU gegen 0. Das ist doch durch 
Ohmische Gesetz zwingend oder gilt das hier nicht?
#2449349
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Michael Köhler schrieb:
> Ja eben und wenn I gegen 0 geht geht auch dU gegen 0. Das ist doch durch
> Ohmische Gesetz zwingend oder gilt das hier nicht?

Doch, das gilt schon aber es wird ja auch nirgends verletzt.
1/∞ genauso wie 2/∞ usw. haben als Grenzwert immer null. Das erscheint 
ja auch logisch, denn stell dir eine Batterie vor. Zwischen ihren 
Anschlüssen liegt eine Spannung, man könnte hierzu auch 
Differenzspannung sagen, an. Die Luft bildet einen idealen Isolator mit 
unendlich hohem Widerstand. Fließt jetzt ein Strom durch die Luft? Du 
wirst mir wahrscheinlich zustimmen, wenn ich behaupte, dass dem nicht so 
ist. Man könnte genau so gut eine 10000V Quelle in die Luft hängen. 
Nimmt man die Luft als idealen Isolator an wird auch hier kein Strom 
fließen. Solange die Potentialdifferenz endlich bleibt und der 
Widerstand zwischen diesen beiden unendlich, so wird kein Strom 
fließen.

LG Christian
Gast #2449371
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Du kannst einfach nicht einen idealen Amp annehmen und dann sagen aber 
endliche Verstärkung. Die unedliche Verstärkung ist halt eine 
Eigenschaft des idealen Amps. Wenn du nur bestimme EIgenschaften einzeln 
idealisierst, die aber zusammenhängen kommt freilich Mist raus.
#2449397
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Warum sollte man das nicht können? Klar, unendliche Verstärkung ist Teil 
des idealen OPs, aber man kann auch mit "Zwischenmodellen" rechnen. Da 
kommt nicht Mist raus. Sondern etwas, das der Realität ein bisschen 
näher kommt.

Mit welcher Idealisierung sollte denn Deiner Meinung nach die unendliche 
Verstärkung zusammenhängen?
Gast #2449446
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Michael A. schrieb:
> Ich wundere mich nur, da ich in meinen Schaltungen immer eine Diffenez
> von 0 V messe und am Ausgang vom OP aber eine Spannung vorhanden ist.

In Wirklichkeit ist die Differenz nicht null, sondern regelt ständig 
nach. Das geht so schnell, so daß Du das nicht siehst. Also ein 
Regelkreis. Mir einen sehr, sehr, sehr schnellen Oszi könnte man das 
auch sehen.
#2449456
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Christian L. schrieb:
> Solange die Potentialdifferenz endlich bleibt und der
> Widerstand zwischen diesen beiden unendlich, so wird kein Strom
> fließen.

Richtig, da stimmen wir überein. Problem Quelle aber:

Eine ideale Spannungquelle hat intern einen Widerstand von 0 Ohm. 
Dennoch hat sie an ihren Klemmen unterschiedliche Potentiale. Sie 
leistet ja Ladungstrennungsarbeit und ist hier deshalb für den Vergleich 
ungeeignet (der OP-Eingang macht das ja nicht, oder?).

Weitere Betrachtung: Invertierender Verstärker: Der funktioniert ja nur 
eben weil in den OP kein Strom fließt und er deshalb das Potential des 
einen Eingangs auf den anderen Eingang zieht (virtuelle Masse). So wird 
das u.a. auch im Tietze-Schenk beschrieben...das verwirrt mich grad 
alles...
Grade hab ich mir den invertierenden Verstärker auf Wikipedia angesehen. 
Da gibts auch ne kleine Diskrepanz in ähnlichem Verhältnis wie unsere 
Diskussion. Dort wird ein Ud (für mich zunächst auch nachvollziehbar) 
von 50 µV ermittelt mittels der Leerlaufverstärkung. Strommäßig passt es 
dann aber nicht mehr: Durch R1 fließt so ein Strom, der marginal kleiner 
als 0.5 mA ist während durch R2 ein Strom fließt, der marginal größer 
als 0.5 mA ist...und genau das ist es, dass mich verwirrt.

Hier das Beispiel, welches ich meine:
http://de.wikipedia.org/wiki/Virtuelle_Masse_(Elektronik)

Naja, was solls. Ich danke für die nette Diskussion, werd die nächsten 
Tage wohl nicht da sein. Wünsch euch noch was.
Moderator #2449714
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Michael Köhler schrieb:
> Strommäßig passt es dann aber nicht mehr: Durch R1 fließt so ein
> Strom, der marginal kleiner als 0.5 mA ist während durch R2 ein Strom
> fließt, der marginal größer als 0.5 mA ist...und genau das ist es,
> dass mich verwirrt.

Wieso sollte der Strom durch die beiden Widerstände unterschiedlich
sein? Im Wikipedia-Artikel wird von einem Opamp ausgegangen, der zwar
eine nichtideale Differenzverstärkung (100000), aber ideale Eingänge
(Eingangsstrom=0) hat. Damit müssen die Ströme durch beide Widerstände
exakt gleich sein. Ich hab's mal etwas genauer ausgerechnet:

  Ua = -4,99945V, Ud = 49,9945µV, I1 = I2 = 499,95µA

Bei einem idealen Opamp wären es

  Ua = -5,00000V, Ud = 50,0000µV, I1 = I2 = 500,00µA

Die kleinen Abweichungen kommen nur daher, dass die Differenzverstärkung
im ersten Fall nicht unendlich ist. Da der Fehler in der Ausgangsspan-
nung aber nur 0,011% beträgt, sieht man in der Praxis meistens darüber
hinweg.

Edit:

Das Ud=50µV für den idealen Opamp stimmt natürlich nicht. Die Zeile oben
muss stattdessen heißen:

  Ua = -5,00000V, Ud = 0,0000µV, I1 = I2 = 500,00µA
Gast #2449848
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Und das passt doch nicht, Yalu. Kuck mal Ueingang ist 0,5 V und Ud 50 
mikroV, damit hat man über R1 eine Spannung kleiner 0.5 V und einen 
Strom kleiner 0.5mA. Über R2 hat man die Differenz von -5V und 50 
mikroVolt. Das ist also größer 5 V vom Betrag und damit ist der Strom 
durch R2 zwangsläufig größer als 0.5 mA. Und da der OP ja Ideal sein 
soll (kein Strom fließt in den Eingang des OPs) passt nun was an der 
Überlegung nicht.
Moderator #2449912
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Michael_Mobil schrieb:
> Über R2 hat man die Differenz von -5V und 50 mikroVolt. Das ist also
> größer 5 V vom Betrag und damit ist der Strom durch R2 zwangsläufig
> größer als 0.5 mA.

Beachte, dass die Ausgangsspannung nicht -5V, sondern nur -4,99945V
beträgt (wegen der begrenzten Differenzverstärkung des Opamp). Dann
bekommst du für beide Widerstände die gleichen Ströme heraus.
#2450012
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@yalu
Deine zweite Rechnung ist allerdings falsch. Ud muss hier wieder null 
sein. Anders geht es nicht auf.

Michael Köhler schrieb:
> Grade hab ich mir den invertierenden Verstärker auf Wikipedia angesehen.

Wikipedia nutzt hier auch bloß das vereinfachte Modell. Die Angabe der 
Leerlaufverstärkung von 100.000 hätte man sich auch sparen können, da 
sie nicht berücksichtigt wird. Da Wikipedia aber mit einer unendlichen 
Verstärkung rechnet ist die gesammte Berechnung in Wikipedia nicht 
genau. Rechnen wir doch mal mit den Werten von Wikipedia:
R1=1k; R2=10k; A=100.000; Uin=0,5V
Los geht's:
Somit Ergibt sich die Ausgangsspannung zu:
Es fehlen 549,9395µV. Wikipedia nimmt in ihrer Rechnung aber eine 
Verstärkung von 10 und eine Ausgangsspannung von 5V an.
Die Differenzspannung ergibt sich zu:
Die Differenzspannung wird durch den Spannungsteiler aus R1 und R2 
zwischen dem Eingang und Ausgang gebildet. Dazu muss kein Strom in die 
Eingänge fließen.
Jetzt können wir die Ströme in der Schaltung berechnen:
wie man sieht sind diese wieder gleich. Im Knotenpunkt des 
invertierenden Eingangs ist die Summe wieder null und es fließt wieder 
kein Strom in den Eingang.

Das Problem im Wiki-Artikel ist, dass man einerseits mit unendlicher und 
endlicher Verstärkung gemischt rechnet. Deshalb geht die Gleichung bei 
Wiki nicht auf.

LG Christian
Gast #2450078
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Kleiner Schönheitsfehleer auch in deiner Rechnung, Christian : die 
Ausgangsspannungspannung ist nicht 5V sondern -5V und damit ist die 
Spannung über 5V betragsmäßig und der Strom durch R2 muss dann über 0.5 
mA sein...das passt nicht ;)
Moderator #2450854
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Christian L. schrieb:
> @yalu
> Deine zweite Rechnung ist allerdings falsch. Ud muss hier wieder null
> sein. Anders geht es nicht auf.

Mist. Das kommt davon wenn man nicht rechnet, sondern gedankenlos etwas
hinklatscht :-/

Aber Danke für den Hinweis. Ich habe in dem obigen Beitrag einen
entsprechenden Vermerk angefügt, damit den Unfug nicht noch jemand
glaubt ;-)
Gast #2972023
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Udo Schmitt schrieb:
> Im funktionierenden Fall versucht der OP die Eingansgspannungsdifferenz
> auszuregeln. Angenommen er hat eine reale Verstärkung von 100.000 und
> die Spannung, die er als Impedanzwandler abpuffern soll ist 5V.
> Dann regelt er solange bis die Ausgangsspannung fast 5V ist. Um bei
> einer Verstärkung von 100.000 (fast) 5V zu erreichen braucht er eine
> Eingangsspannungsdifferenz von 5/100000 = 50µV. Das heisst sobald die
> Ausgangsspannung 4,99995V hat ist die Differenz an den Eingängen 50µV
> und der Ausgang hält die entsprechende Spannung.
> Jetzt klar?
>
> Edit: Dinge wie Offset und differenzen der Eingangsströme jetzt mal
> ausser Acht gelassen.
> Die Eingangsspannung am Plus Eingang ist genau 5.0000000V

Ist an sich aber ein Widerspruch, weil wenn 50 MicroVolt anliegen 
müssten laut Verstärkung ja sobald er die 4,99995 V erreicht hat 5V 
herauskommen. Sobald aber 5V herauskommen haben wir wieder 0.
#2972371
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>Ist an sich aber ein Widerspruch, weil wenn 50 MicroVolt anliegen
>müssten laut Verstärkung ja sobald er die 4,99995 V erreicht hat 5V
>herauskommen.

Nö. Wenn +5V am "+" Eingang anliegen, erzeugt der OPamp eine 
Ausgangsspannung, die um 50µV tiefer liegt, denn diese Spannung liegt 
dann auch am "-" Eingang und die Differenz braucht er, um die 
Ausgangsspannung zu erzeugen.

Der vermeindliche Widerspruch kommt daher, daß die Leerlaufverstärkung 
von 100.000 nur für den nicht beschalteten, also nicht gegengekoppelten 
Verstärker gilt. Für den Spannungsfolger stellt sich letztlich eine 
Verstärkung von 100.000/(100.000+1) ein.

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