Der Differenzverstärker
Operationsverstärker basieren auf dem Differenzverstärkerprinzip. Sie bestehen aus zwei am Emitter gekoppelten Transistorstufen, die möglichst identisch sein sollten. Üblicherweise wird der Differenzverstärker mit zwei symmetrischen Betriebsspannungen versorgt. Die Emitter liegen über einen gemeinsamen Emitterwiderstand an der negativen Spannung. An den Eingängen liegen keine Basiswiderstände. Dadurch stellt sich an ihnen die Spannung auf 0 Volt ein, also Massepotential, und die Eingänge sind wesentlich hochohmiger, als bei einer klassischen Transistorstufe.
Wenn an beiden Eingängen die gleiche Spannung anliegt, stellt sich bei perfekter Symmetrie der beiden Stufen an beiden Kollektoren auch ein identisches Potential ein. Die Spannung zwischen beiden Ausgängen ist null.
Bei unterschiedlichem Eingangspotential entsteht eine Spannungsdifferenz zwischen den Ausgängen. Es tritt also nur eine Spannung am Ausgang auf, wenn die Eingänge unterschiedlich angesteuert werden.
Würde man beide Eingänge verbinden und ein identisches Wechselspannungssignal anlegen, sollte am Ausgang davon nichts messbar sein. Das ist von Vorteil bei Störeinstrahlungen an den Eingängen, da diese unterdrückt würden. In der Realität gibt es aber immer geringe Toleranzen der Bauelemente der beiden Transistorstufen, sodass das Ideal nicht ganz erreicht wird. Für die Güte des Differenzverstärkers wird der Wert der Gleichtaktverstärkung oder Gleichtaktunterdrückung angegeben. Erstere sollte null und die andere unendlich hoch sein.
Die Gleichtaktunterdrückung lässt sich verbessern, wenn die Emitter mit einem konstanten Strom gespeist werden. Ein einfacher Widerstand kann das nicht leisten, da das Emitterpotential aufgrund des Spannungsabfalls mit der Aussteuerung schwankt. Darum wird er beim Operationsverstärker durch eine Konstantstromquelle ersetzt.
Weiterentwicklung zum Operationsverstärker
Operationsverstärker besitzen nur einen, unsymmetrischen Ausgang. Um die Differenz auf ihn zu übertragen, ersetzt man die Kollektorwiderstände durch einen Stromspiegel. Die beiden Transistoren T3 und T4 sollen wieder exakt identisch sein. Der Kollektorstrom von T1 soll in den Kollektorstromkreis von Transistor 2 "gespiegelt" werden.
Der Kollektorstrom von T1 fließt auch durch T3. Die dazu gehörende Basis-Emitter-Spannung liegt auch über Basis und Emitter von T4. Deshalb fließt durch T4 ein gleich hoher Kollektorstrom (IC1*). Der Kollektorstrom von T2 hängt von der Spannung an Eingang 2 ab. Am Ausgang treffen beide Ströme aufeinander, sodass an der Ausgangsleitung nur die Differenz beider Ströme fließt. Wandelt man diesen Strom in eine Spannung um, entspricht diese wieder der Differenz zwischen beiden Eingängen. Im Operationsverstärker wird diese Spannung jetzt noch verstärkt und eine Endstufe sorgt für einen niederohmigen Ausgang.
Da die Operationsverstärker im Prinzip alle ähnlich aufgebaut sind und funktionieren, wird uns die Innenschaltung in Zukunft weniger interessieren. Wir können sie wie eine Art "Blackbox" oder ein Bauelement mit 5 Anschlüssen betrachten. Für den Operationsverstärker gibt es deshalb ein eigenes Schaltzeichen.
Im Folgenden werde ich auch weiterhin die alte, dreieckige und durchaus noch übliche Darstellung verwenden und nicht das Schaltzeichen gemäß der aktuellen DIN.