Ein Operationsverstärker oder Operationsverstärker ist ein integrierter Schaltkreis zur Verstärkung von Spannungssignalen. Es verfügt über eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz, wodurch schwache elektrische Signale effizient verstärkt werden können. Die Grundkonfiguration eines Operationsverstärkers umfasst zwei Eingangsanschlüsse (invertierend und nicht invertierend) und einen Ausgangsanschluss. Der Operationsverstärker verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingangsanschlüssen und gibt ein Spannungssignal aus, das typischerweise um ein Vielfaches größer ist als das Eingangssignal, abhängig von der durch die externen Komponenten eingestellten Verstärkung.
Ein Operationsverstärker ist eine vielseitige elektronische Komponente, symbolisiert durch ein Dreieck mit zwei Eingängen und einem Ausgang. Der invertierende Eingang ist mit einem Minuszeichen (-) und der nicht invertierende Eingang mit einem Pluszeichen (+) gekennzeichnet. Der Ausgang befindet sich normalerweise an der Spitze des Dreiecks, gegenüber der Basis, an der sich die Eingänge befinden. Dieses Symbol stellt die grundlegende Funktionsweise des Operationsverstärkers dar: Es verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang und liefert einen verstärkten Ausgang.
Intern besteht ein Operationsverstärker aus mehreren Verstärkungsstufen, einschließlich Differenzverstärkern, Spannungsverstärkungsstufen und einer Ausgangsstufe. Der Differenzverstärker an der Eingangsstufe verstärkt die Differenz zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang und unterdrückt gleichzeitig alle Gleichtaktsignale. Die Spannungsverstärkungsstufen sorgen für zusätzliche Verstärkung und die Ausgangsstufe sorgt für eine niedrige Ausgangsimpedanz und eine ausreichende Stromtreiberfähigkeit. Diese internen Komponenten arbeiten zusammen, um die hohe Verstärkung und die stabile Leistung von Operationsverstärkern zu gewährleisten.
Die Verstärkung des Operationsverstärkers bezieht sich auf das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung. Die Verstärkung eines Operationsverstärkers kann durch externe Widerstände und Kondensatoren in verschiedenen Konfigurationen gesteuert werden, z. B. durch invertierende, nicht invertierende und Differenzverstärkerkonfigurationen. In der invertierenden Konfiguration wird die Verstärkung durch das Verhältnis des Rückkopplungswiderstands zum Eingangswiderstand bestimmt, was zu einer negativen Verstärkung führt. In der nichtinvertierenden Konfiguration wird die Verstärkung durch das Verhältnis des Rückkopplungswiderstands zum mit Masse verbundenen Widerstand plus eins bestimmt, was zu einer positiven Verstärkung führt. Die Verstärkung kann sehr hoch sein, was eine deutliche Verstärkung des Eingangssignals ermöglicht.
Ein idealer Operationsverstärker ist ein theoretisches Gerät mit unendlicher Verstärkung im offenen Regelkreis, unendlicher Eingangsimpedanz und einer Ausgangsimpedanz von Null. Es verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen seinen Eingangsklemmen perfekt und ohne Einschränkungen. In der Praxis bedeutet dies, dass der ideale Operationsverstärker die Differenz zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang ohne Offset, Rauschen oder Verzerrung verstärkt. Darüber hinaus verfügt der ideale Operationsverstärker über eine unendliche Bandbreite, sodass er Signale jeder Frequenz ohne Dämpfung verstärken kann. Reale Operationsverstärker kommen diesen idealen Eigenschaften nahe, weisen jedoch aufgrund praktischer Herstellungsbeschränkungen Einschränkungen auf.