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LM324 » Aufbau und Funktionsweise des vierfach Operationsverstärkers einfach erklärt

Operationsverstärker sind in der Elektronik gerne genutzte aktive Bauelemente. Denn mit ihrer Hilfe lassen sich viele Aufgaben in der Steuerungstechnik, in der Regeltechnik oder auch in der Verstärkungstechnik leicht realisieren.

Dank der fast schon genialen Eigenschaften sind selbst für komplexe Anforderungen nur sehr wenige externe Bauteile für den Betrieb notwendig.

Für manche Aufgaben bzw. elektronische Schaltungen werden oftmals mehrere Operationsverstärker gleichzeitig benötigt. Deshalb wurde mit der integrierten Schaltung LM324 ein Bauteil entwickelt, das vier Operationsverstärker in einem Gehäuse vereint.

Das LM324N mit DIP14 Gehäuse.

Was ist ein Operationsverstärker?

Schaltzeichen für Operationsverstärker alt (links) und neu (rechts).

Ein Operationsverstärker (OPV) oder Operational Amplifier (OP AMP) ist eine elektronische Schaltung, die zwei unterschiedliche Eingänge besitzt.

Das Besondere an diesen Eingängen ist, dass lediglich die Spannungsunterschiede zwischen den beiden Eingängen verstärkt werden. Deshalb werden sie oft auch als Differenzverstärker bezeichnet. Wenn beide Eingänge gleichzeitig das Spannungsniveau in die gleiche Richtung ändern, wirkt sich das am Ausgang nicht aus.

Wie ein Operationsverstärker genau funktioniert und wie er richtig angeschlossen wird, haben wir bereits in unserem Beitrag zum LM358  ausführlich erklärt.


Wie ist das IC LM324 aufgebaut?

Im Prinzip ist das LM324 der große Bruder des LM358. Denn im Gegensatz zum LM358, bei dem zwei Operationsverstärker integriert sind, besitzt das LM324 gleich vier unabhängig voneinander arbeitende OPVs. Ein weiterer Unterschied ist der symmetrische Aufbau der Anschlüsse.

Neben dem klassischen IC in DIP-Gehäuse gibt es das LM324 auch als SMD-Bauteil mit unterschiedlichem Gehäuse bzw. mit unterschiedlichem Rastermaß (SOIC-14 und TSSOP-14). Selbst eine quadratische Bauform (QFN16) bieten manche Hersteller zur Auswahl an.

Weitere Informationen zu den unterschiedlichen Bauformen inkl. Bildern können dem Datenblatt entnommen werden.

Die Skizze zeigt die Belegung der jeweiligen Anschluss-Pins, die symmetrisch angeordnet sind.


Wie funktioniert der Operationsverstärker im LM324?

Um die Funktion des OP zu verstehen, muss man sich mit den Grundlagen vertraut machen bzw. den Prinzipschaltplan von einem der vier Operationsverstärker genauer anschauen. 

Grundsätzlicher Aufbau

Prinzipschaltplan eines Operationsverstärkers, bei dem die Transistoren einer Gruppe/Stufe farblich markiert wurden.

Die Transistoren Q1 und Q2 (Hellgrün) sind die Eingangs-Transistoren für den invertierten Eingang (-). Für den nicht invertierten Eingang (+) dienen die Transistoren Q4 und Q3 als Eingangstransistoren (Gelb). Die Transistoren Q5 und Q6 arbeiten als Stromspiegel (Grau), wobei der Kollektor-/Emitter-Strom von Q6 immer gleichgroß ist, wie der Kollektor-/Emitter-Strom von Q5.

Am Kollektor von Q6 wird das Ansteuersignal für den Vorverstärker abgegriffen. Die Transistoren Q7 bis Q9 dienen als Vorverstärker (Blau) und steuern die Endstufe (Rosa) an. Die Endstufe besteht aus den Transistoren Q10 bis Q13. Der Transistor Q12 schaltet den Ausgang auf das positive Spannungspotential der Betriebsspannung und der Transistor Q13 schaltet den Ausgang auf das negative Spannungspotential der Betriebsspannung (GND).

Falls der Stromfluss über Q12 zu groß wird, schaltet der Transistor Q11 das Ansteuersignal gegen Masse (GND). Dadurch wird die Endstufe vor Überlast geschützt. Der Kondensator Cdient zur Frequenzkompensation.

Der integrierte Schaltkreis kann an einer Versorgungsspannung von 3 bis 32 V betrieben werden. Bei einer Doppelversorgung kann die Versorgungsspannung ±1,5 V bis ±16 V betragen. Mehrere integrierte Konstantstromquellen (im Prinzipschaltbild ein Dreieck im Kreis) sorgen bei den unterschiedlichsten Betriebsspannungen für eine optimale Versorgung der Transistorstufen.

Hinweis:
Für die nachfolgende Beschreibung wird angenommen, dass sich an einem der beiden Eingänge die Spannung ändert, während die Spannung am anderen Eingang gleich bleibt. Die sich ändernden Spannungen werden in den nachfolgenden Bildern mit blauen Pfeilen dargestellt. 


Positive Spannungsänderung am nicht invertierten Eingang (+)

Wenn die Spannung am nicht invertierten Eingang bzw. an der Basis von Q4 steigt, wird die Kollektor-/Emitter-Strecke von Q4 hochohmiger. Der Transistor sperrt mehr. Dadurch steigt die Spannung an der Basis von Q3. Auch Q3 wird dadurch hochohmiger und die Spannung am Kollektor von Q3 wird geringer.

Der Spannungsrückgang gelangt an die Basis von Q7 und sorgt dafür, dass der Transistor Q7 stärker durchsteuert. Die Kollektor-/Emitter-Strecke wird niederohmiger. Dadurch sinkt die Spannung am Emitter von Q7 und an der Basis von Q8. Die Kollektor-/Emitter-Strecke von Q8 wird hochohmiger, wodurch die Spannung am Emitter sinkt.

Demzufolge erhält auch die Basis von Q9 weniger Spannung, wodurch die Kollektor-/Emitter-Strecke von Q9 hochohmiger wird. Die Spannung am Kollektor steigt. Dies führt dazu, dass der Transistor Q13 hochohmig wird und die Transistoren Q10 und Q12 durchschalten.

Die Spannung am Ausgang verschiebt sich somit in Richtung des positiven Potentials der Betriebsspannung.

Signalverlauf bei einer positiven Spannungsänderung am nicht invertiertem Eingang.


Negative Spannungsänderung am nicht invertierten Eingang (+)

Eine negative Spannungsänderung am nicht invertieren Eingang sorgt dafür, dass der Transistor Q4 stärker leitet. Dadurch wird die Spannung an der Basis des Transistors Q3 geringer und auch Q3 leitet stärker. Die Spannung am Kollektor von Q3 und damit auch an der Basis von Q7 steigt.

Der Transistor Q7 wird hochohmiger, wodurch die Spannung am Emitter von Q7 steigt. Weil der Transistor Q8 nun eine höhere Basisspannug erhält, steuert er mehr durch.

Die Spannung am Emitter von Q8 und  an der Basis von Q9 steigt. Der Transistor Q9 steuert mehr durch und die Spannung am Kollektor von Q9 und an der Basis von Q13 sinkt.

Der Transistor Q13 wird niederohmig und zieht den Ausgang auf das Minuspotential der Betriebsspannung.

Gleichzeitig werden die Kollektor-/Emitter-Strecken der Transistoren Q10 und Q12 hochohmiger bzw. sperren.

Signalverlauf bei einer negativen Spannungsänderung am nicht invertiertem Eingang.


Positive Spannungsänderung am invertierten Eingang (-)

Wenn die Spannung am invertierten Eingang steigt, wird die Kollektor-/Emitter-Strecke von Q1 hochohmiger. Dadurch steigt die Spannung am Emitter von Q1 bzw. an der Basis von Q2. In Folge davon wird auch Q2 hochohmiger und die Spannung am Kollektor von Q2 wird geringer. Durch den nun größeren Widerstand von Q2 wird der Stromfluss über die Transistoren Q2 und Q5 kleiner.

Die beiden Transistoren Q5 und Q6 arbeiten als Stromspiegel. Das bedeutet, der Kollektor-/Emitter-Strom über den Transistor Q6 ist immer genau so hoch, wie der Strom über die Kollektor-/Emitter-Strecke von Q5. 

Die niedriger werdende Kollektorspannung von Q5 steht auch an der Basis der Transistoren Q5 und Q6 an. Durch die verringerte Basisspannung sperrt Q6 stärker, wodurch der Strom sinkt und die Kollektorspannung steigt. Dadurch wird der Strom über Q6 dem Strom über Q5 angeglichen. Der weitere Signalverlauf entspricht der negativen Spannungsänderung am nicht invertierten Eingang (+).

Das bedeutet: Ein Spannungsanstieg am invertierten Eingang hat einen Spannungsrückgang am Ausgang zur Folge.

Signalverlauf bei einer positiven Spannungsänderung am invertiertem Eingang.


Negative Spannungsänderung am invertierten Eingang (-)

Eine negative Spannungsänderung am invertieren Eingang sorgt dafür, dass der Transistor Q1 stärker leitet. Dadurch wird die Spannung an der Basis des Transistors Q2 geringer und auch Q2 leitet stärker.

Die Spannung am Kollektor von Transistor Q2 und am Kollektor von Transistor Q5 steigt. Der Stromfluss über die Transistoren Q2 und Q5 wird höher.

Die höhere Kollektorspannung von Q5 wird jeweils an die Basis der Transistoren Q5 und Q6 übertragen, wodurch Q6 stärker durchsteuert wird. Der Kollektorstrom steigt und die Kollektorspannung sinkt. Der Strom über Q6 wird somit auch in diesem Fall an den Strom über Q5 angeglichen.

Der weitere Signalverlauf entspricht der positiven Spannungsänderung am nicht invertierten Eingang (+).

Das bedeutet: Ein Spannungsrückgang am invertierten Eingang hat einen Spannungsanstieg am Ausgang zur Folge.

Signalverlauf bei einer negativen Spannungsänderung am invertiertem Eingang.


Einsatzgebiete des LM324

Instrumentenverstärker-Schaltung mit drei Operationsverstärkern.

Das LM324 ist in erster Linie für den Einsatz in der Steuer- und Regelungstechnik vorgesehen.

Es können aber auch die unterschiedlichsten OPV-Anwendungen realisiert werden. Im Datenblatt hat der Hersteller einige Schaltungsbeispiele für Verstärker und Filter aufgelistet, wobei die Instrumentenverstärker-Schaltung bzw. die Instrumentationsverstärker-Schaltung mit drei OPVs genauer betrachtet werden soll.

Instrumenten-Verstärker werden benötigt, da Beschleunigungsmesser, Kraftsensoren, Dehnungsmesser oder Druckwandler schwache Differenzsignale liefern. Die Signale dieser Sensoren müssen für die weitere Auswertung erfasst und verstärkt werden. 

Die beiden Operationsverstärker OP1 und OP2 arbeiten als gegengekoppelte Verstärkerstufen. Der dritte OP arbeitet als Subtrahierer, der die Gleichtaktunterdrückung übernimmt. Die Gleichtaktunterdrückung verhindert eine Änderung der Ausgangsspannung, wenn sich die Spannungen an den beiden Eingängen eines OPVs um den gleichen Wert (Gleichtakt) ändern.

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