Von Elektronenröhren zu integrierten Schaltungen: Die Evolution der Operationsverstärker‑Modelle

Wenn die meisten Menschen an Operationsverstärker denken, stellen sie sich siliziumbasierte ICs vor. Die frühesten kommerziellen Op‑Amps waren jedoch Elektronenröhren‑Schaltungen.

1952 brachte George A. Philbrick Researches, Inc. den K2‑W heraus, den ersten universellen Op‑Amp. Er enthielt zwei Doppeltrioden in einem Oktal‑Sockel (8‑Pin), was Installation und Wartung im Chassis der damaligen Zeit erleichterte.

Der Schaltplan zeigt die Doppeltrioden‑Anordnung neben zehn Widerständen und zwei Kondensatoren – ein bemerkenswert einfaches Design für seine Zeit.

Funktionsweise von Elektronenröhren

Elektronenröhren verhalten sich wie N‑Kanal‑Depletion‑IGFETs: Das Steuer‑Gitter leitet mehr Strom, wenn es positiver gegenüber der Kathode ist, und weniger, wenn es weniger positiv ist. Im K2‑W bildet die linke Doppeltriode ein Differenzpaar, das die invertierenden und nicht‑invertierenden Eingänge in ein einzelnes verstärktes Signal umwandelt. Ein 1 MΩ – 2,2 MΩ Spannungsteiler führt dieses Signal zum linken Trioden‑System der zweiten Röhre, das zusätzliche Spannungsverstärkung liefert und den Ausgang invertiert. Die zweite Triode treibt dann eine nicht‑invertierende Stufe für Stromverstärkung an. Neon‑Glühlampen fungieren als Spannungsregler, ähnlich wie Z‑Dioden, und liefern die Vorspannung zwischen den beiden eingängigen Verstärkern.

Mit einer dualen Versorgung von +300 / –300 V konnte der K2‑W seinen Ausgang nur auf ±50 V ausschlagen. Er bot eine Offenloop‑Verstärkung von 15.000 – 20.000, eine Slew‑Rate von ±12 V/µs, einen maximalen Ausgangsstrom von 1 mA und einen Ruheleistungsverbrauch von über 3 W (Filamentleistung nicht eingerechnet). 1952 kostete er etwa 24 Dollar.

Festkörper‑Transistoren und die nächste Generation

Transistortechnologie ermöglichte Op‑Amps, die weit weniger Ruheleistung verbrauchten und zuverlässiger waren, bei vergleichbarer Leistung. Philbricks P55A von 1966 wies beispielsweise eine Offenloop‑Verstärkung von 40.000, eine Slew‑Rate von 1,5 V/µs und einen Ausgangsausschlag von ±11 V bei ±15 V Versorgung auf. Der maximale Ausgangsstrom betrug 2,2 mA, der Preis 49 Dollar (ca. 21 Dollar für die Nutz‑Klasse). Der P55A war ein Diskret‑Bauteil‑Design in einem massiven „Ziegel“, der einem großen IC‑Gehäuse ähnelte.

Man kann einen grundlegenden Op‑Amp aus diskreten Teilen aufbauen, wie das folgende Schema zeigt. Das Differenzpaar aus Transistoren Q3 und Q4 übernimmt dieselbe Rolle wie die Doppeltriode im K2‑W: Umwandlung differentieller Eingänge in einen eingängigen Ausgang.

Einfacher Operationsverstärker aus diskreten Komponenten.

Integrated‑Circuit‑Revolution

Die Einführung von ICs Mitte der 1960er Jahre transformierte das Op‑Amp‑Design. Fairchild brachte 702, 709 und den heute ikonischen 741 zwischen 1964 und 1968 heraus. Obwohl der 741 nach heutigen Maßstäben veraltet gilt, bleibt er bei Hobbyisten beliebt wegen seiner Robustheit und Kurzschlusssicherheit.

Interner Schaltplan eines 741 Op‑Amps.

Mit SSI‑Technologie enthält der 741 nur eine Handvoll Komponenten, was einen Nachbau mit diskreten Teilen unpraktikabel macht. Dies illustriert die klaren Vorteile selbst frühester ICs gegenüber großen diskreten Baugruppen.

Leistungsvergleich gängiger Op‑Amps

Unten finden Sie eine Auswahl kostengünstiger Op‑Amps, die die Bandbreite heutiger Leistungsmerkmale illustrieren. Der 741 dient als Benchmark, obwohl neuere Designs seine Spezifikationen bei weitem übertreffen.

Weit verbreitete Operationsverstärker

Modell	Bausteine/Gehäuse	Versorgung (V)	Bandbreite (MHz)	Bias‑Strom (nA)	Slew‑Rate (V/µs)	Ausgangsstrom (mA)
TL082	2	12 / 36	4	8	13	17
LM301A	1	10 / 36	1	250	0,5	25
LM318	1	10 / 40	15	500	70	20
LM324	4	3 / 32	1	45	0,25	20
LF353	2	12 / 36	4	8	13	20
LF356	1	10 / 36	5	8	12	25
LF411	1	10 / 36	4	20	15	25
741C	1	10 / 36	1	500	0,5	25
LM833	2	10 / 36	15	1050	7	40
LM1458	2	6 / 36	1	800	10	45
CA3130	1	5 / 16	15	0,05	10	20

Die Tabelle zeigt dramatische Unterschiede beim Bias‑Strom: Der CA3130, ein MOSFET‑Design, liefert erstaunliche 0,05 nA (50 pA) Bias‑Strom, während der LM833 mit bipolaren Transistoren über 1 µA ziehen kann. Der Eingangswiderstand des CA3130 wird mit 1,5 TΩ (1,5 × 10¹² Ω) angegeben.

Obwohl der 741 in Lehrbüchern ein Standard ist, wurde seine Leistung von modernen Bausteinen übertroffen. Beispielsweise teilt der LM1458 das Gehäuse des 741, bietet aber einen breiteren Versorgungsbereich, 50‑fach höhere Slew‑Rate und fast doppelt so hohen Ausgangsstrom – bei Beibehaltung des Kurzschlussschutzes.

Meine Empfehlungen:

• Niedrig‑Bias‑Strom‑Schaltungen (z. B. langsame Integratoren): CA3130.
• Allzweck‑Gleichspannungsverstärkung: LM1458 (zwei Op‑Amps in einem 8‑Pin‑DIP).
• Höhere Bandbreite: LF353 (JFET‑Eingang, vierfache Bandbreite des LM1458).
• Niedrigspannungs‑Betrieb: LM324 (läuft ab 3 V, vier Op‑Amps im 14‑Pin‑Gehäuse).
• Hochfrequenz‑Wechselspannungsverstärkung: LM318.

Hoch‑Bandbreiten‑ und Hoch‑Strom‑Op‑Amps

Spezial‑Op‑Amps liefern außergewöhnliche Leistung zu moderaten Kosten. Die folgenden Tabellen zeigen Modelle, optimiert für Bandbreite oder Stromausgang.

Hoch‑Bandbreiten‑Operationsverstärker

Modell	Bausteine/Gehäuse	Versorgung (V)	Bandbreite (MHz)	Bias‑Strom (nA)	Slew‑Rate (V/µs)	Ausgangsstrom (mA)
CLC404	1	10 / 14	232	44.000	2600	70
CLC425	1	5 / 14	1900	40.000	350	90

Der CLC404 kostet 21,80 $, vergleichbar mit dem Preis des ursprünglichen K2‑W in 1952‑Dollar. Der CLC425 ist mit 3,23 $ pro Stück günstiger. Beide erreichen hohe Geschwindigkeit auf Kosten höheren Bias‑Stroms und engerer Versorgungsbereiche.

Hoch‑Strom‑Operationsverstärker

Modell	Bausteine/Gehäuse	Versorgung (V)	Bandbreite (MHz)	Bias‑Strom (nA)	Slew‑Rate (V/µs)	Ausgangsstrom (mA)
LM12CL	1	15 / 80	0,7	1000	9	13.000
LM7171	1	5,5 / 36	200	12.000	4100	100

Der LM12CL kann beeindruckende 13 A Ausgangsstrom liefern bei einem Preis von 14,40 $. Im Gegensatz dazu bietet der LM7171 eine hohe Slew‑Rate (4 kV/µs) für nur 1,19 $.

Für Designs, die extreme Präzision oder Reproduzierbarkeit erfordern, bieten Hersteller wie Burr‑Brown und Analog Devices vorkonfigurierte Instrumentenverstärker und andere spezialisierte Bausteine an. Zwar sind diese Blöcke teurer als nackte Op‑Amps, sie vereinfachen jedoch den Schaltungsentwurf und verbessern oft die Zuverlässigkeit.

ZUGEHÖRIGES ARBEITSBLATT:

• Grundlagen Operationsverstärker Arbeitsblatt