Universal-Operationsverstärker

Die Spannungsüberwachung beinhaltet die Verfolgung elektrischer Signale, um sicherzustellen, dass ein System innerhalb sicherer und spezifizierter Grenzwerte bleibt. Dieser Prozess ist entscheidend für die Aufrechterhaltung eines effizienten Systems, indem Schäden an umgebenden Komponenten vermieden und Ausfallzeiten vermieden werden. Operationsverstärker gewährleisten eine genaue Spannungserkennung in vielen Anwendungen, wie z. B. industrielle Stromverteilung, Prüfung und Messung, Motorantriebe und mehr.

Die Spannungsüberwachung kann über verschiedene Verstärkertopologien hinweg erfolgen. So kann beispielsweise eine Pufferkonfiguration zum Messen einer Spannung verwendet werden, ohne nennenswerten Quellenstrom zu ziehen oder den Schaltkreis zu beladen. Alternativ kann ein Operationsverstärker als Komparator verwendet werden, der erkennt, ob ein überwachtes Signal über oder unter einem bestimmten Spannungsschwellenwert liegt.

Bei gegebenen zwei Eingangsspannungen kann ein Operationsverstärker verwendet werden, um die Differenz zwischen den beiden Signalen zu verstärken. Typischerweise ist eine Art Widerstandsnetzwerk dafür ausgelegt, ein Signal vom anderen zu subtrahieren. Differenzverstärker können auf zwei Arten implementiert werden: Diskret in Verbindung mit externen Widerständen und Kondensatoren oder integriert, wobei die gesamte Schaltung auf einem einzigen Chip hergestellt wird, um einen hohen Grad an Präzision zwischen den Eingangssignalen zu bieten.

Zu den Anwendungen gehören unter anderem medizinische Instrumentierung, Audiosysteme und Datenerfassungssysteme (DAQ). Operationsverstärker in Medizingeräten erfordern eine hohe Verstärkung und eine hervorragende Gleichtaktunterdrückung, während Präzisions-DAQ-Systeme eine geringe Eingangs-Offset-Spannung erfordern, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten. 

Strommessung misst den Fluss von elektrischem Strom in einem Schaltkreis und findet oft wichtige Anwendungen in der Motorsteuerung, im Batteriemanagement und in Stromversorgungen. Operationsverstärker verstärken den Spannungsabfall an einem Shunt-Widerstand (Strommesswiderstand) und ermöglichen so eine genaue Spannungsmessung, die proportional zum Strom ist. Unter Verwendung bekannter Widerstandswerte kann der Ausgangsstrom über die Ausgangsspannung berechnet werden.

Niedrige Eingangsoffsetspannung, niedriger Eingangsruhestrom und die Verwendung von Präzisionswiderständen sind für die Strommessung wünschenswert, bei der der Operationsverstärker mit kleinen Spannungsabfällen zu rechnen hat. Daher kann eine Differenzverstärker-Topologie zur Charakterisierung von Spannungsabfällen im Millivolt-Bereich über den Shunt hilfreich sein.

Aktive Filter verwenden Operationsverstärker in Verbindung mit Widerständen und Kondensatoren, um den Frequenzgang eines Signals zu gestalten. Im Gegensatz zu passiven Filtern dienen aktive Filter zur Verstärkung des Signals und bieten so eine bessere Leistung in Bezug auf Verstärkungsbandbreite und Stabilität. Aufgrund von Faktoren wie hoher Eingangsimpedanz und niedriger Ausgangsimpedanz erreichen Operationsverstärker präzise Filtereigenschaften, ohne dass zusätzliche Schaltungskomponenten benötigt werden.

Bei der Auswahl von Operationsverstärkern für Filteranwendungen ermöglicht eine Spezifikation wie hohe Bandbreite die Signalverarbeitung über einen großen Frequenzbereich. Ein geringes Rauschen kann auch wünschenswert sein, um die Signalintegrität innerhalb eines Systems zu erhalten.

Bei Temperatur- und Drucksensoranwendungen werden physikalische Größen typischerweise in messbare elektrische Signale umgewandelt. Bei der Temperaturerfassung können Thermoelemente in Designs verwendet werden, während druckempfindliche Anwendungen piezoelektrische oder kapazitive Sensoren zur Erfassung von Analogdaten verwenden.

Operationsverstärker verstärken Signale, die von diesen Sensoren aus der realen Welt gelesen werden, sodass sie problemlos von folgenden Schaltungskomponenten verarbeitet werden können. Niedrige Eingangs-Offset- und -Drift ermöglichen genaue Messungen über unterschiedliche Bedingungen und Zeiten. Je nach Anwendung kann für die Signalintegrität geringes Rauschen erwünscht sein.

Operationsverstärker spielen eine entscheidende Rolle bei der Vorbereitung von Signalen für die Analog-Digital-Wandlung, indem sie Eingänge zum ADC puffern und verstärken. Um die Messwerte aus dem ADC zu optimieren, müssen die in den ADC eingespeisten Daten sauber und lesbar sein. ADCs erfordern häufig, dass sich die Eingänge innerhalb eines bestimmten Bereichs und einer bestimmten Spannungsimpedanz befinden; Operationsverstärker bieten diese Signalaufbereitung.

Ein Verstärker dient zur Aufwärtswandlung eines Signals auf ein lesbares Niveau. Seine niedrige Ausgangsimpedanz dient zur Ansteuerung eines ADC. Die Impedanzanpassung verhindert Ladeeffekte am Eingang des A/D-Wandlers und gewährleistet, dass das Signal nicht verzerrt wird. ADCs benötigen häufig einen bestimmten Strom, und Operationsverstärker können diesen Ausgangsstrom zum ADC erzeugen und aufrechterhalten.