LF353N-JFET-OPV: Gegenkopplung verstehen mit ×10-Verstärker

Ein Operationsverstärker (OPV) ist der Baustein hinter Verstärkern, Filtern, Puffern und Sensorschnittstellen. Der LF353N enthält zwei OPVs mit JFET-Eingängen in einem gewöhnlichen 8-poligen DIP-Gehäuse und passt damit direkt aufs Steckbrett. Dieser Leitfaden erklärt, was ein OPV tut, wie zwei Widerstände die Verstärkung festlegen, und verfolgt einen Spannungssprung vom Anfang bis zum Ende durch die Schaltung.

Die Grundlagen: Differenz rein, riesige Verstärkung, Gegenkopplung

Ein OPV hat zwei Eingänge, einen nichtinvertierenden (+) und einen invertierenden (−), und einen Ausgang. Er verstärkt die Differenz zwischen beiden Eingängen enorm: Der LF353 hat eine Leerlaufverstärkung von mindestens 25 000 (25 V/mV), typisch 100 000. Ohne weitere Beschaltung würden schon wenige Millivolt Differenz den Ausgang bis an eine Versorgungsgrenze treiben.

Der Trick heißt Gegenkopplung: Ein Widerstand führt einen Teil der Ausgangsspannung zum invertierenden Eingang zurück. Sobald sich der Ausgang bewegt, wirkt er der Differenz entgegen, die ihn bewegt hat. Der Ausgang stellt sich deshalb von selbst dort ein, wo beide Eingänge fast gleich sind. Diese Regel – mit Gegenkopplung hält ein OPV seine beiden Eingänge auf gleicher Spannung – ist der Schlüssel zu fast jeder OPV-Schaltung.

Die Eingänge des LF353 sind JFET-Transistoren. Sie ziehen extrem wenig Strom (typisch 50 pA Eingangsruhestrom), sodass hochohmige Quellen kaum belastet werden. Der Preis ist eine Eingangs-Offsetspannung von bis zu 10 mV bei 25 °C, die zusammen mit dem Signal verstärkt wird.

Die Pins des LF353N

Der LF353N ist ein Doppel-OPV mit der Standard-Pinbelegung für Doppel-OPVs im 8-poligen DIP (wie der LM1558). Beide Verstärker teilen sich die Versorgungspins:

  • Pin 1 – Ausgang A, Pin 2 – invertierender Eingang A (−), Pin 3 – nichtinvertierender Eingang A (+).
  • Pin 4 – V−: negative Versorgung (z. B. −12 V) oder GND bei einfacher Versorgung.
  • Pin 5 – nichtinvertierender Eingang B (+), Pin 6 – invertierender Eingang B (−), Pin 7 – Ausgang B.
  • Pin 8 – V+: positive Versorgung (z. B. +12 V).
Pinbelegung des LF353N im PDIP-8 in Draufsicht: links Pin 1 Ausgang A, Pin 2 −EIN A, Pin 3 +EIN A, Pin 4 V−; rechts Pin 8 V+, Pin 7 Ausgang B, Pin 6 −EIN B, Pin 5 +EIN B. Kerbe und Punkt markieren Pin 1.
LF353N in Draufsicht (PDIP-8). Die Pins werden von der Kerbe aus gegen den Uhrzeigersinn gezählt; Pin 1 liegt oben links, wenn die Kerbe nach oben zeigt.

Die Schaltung: invertierender Verstärker mit Verstärkung −10

Wir nutzen OPV A als invertierenden Verstärker. Der nichtinvertierende Eingang (Pin 3) liegt an GND. Das Signal kommt über Rin = 10 kΩ an den invertierenden Eingang (Pin 2), und Rf = 100 kΩ führt den Ausgang (Pin 1) auf denselben Pin 2 zurück. Die Schaltung läuft an ±12 V: +12 V an Pin 8, −12 V an Pin 4 und gemeinsame Masse. Jede Versorgung bekommt nahe am Chip einen 100-nF-Kondensator nach GND.

Schaltplan: Vein läuft über Rin 10 kΩ zu Pin 2 von OPV A; Rf 100 kΩ verbindet Pin 2 mit dem Ausgang Pin 1, an dem Vaus abgenommen wird. Pin 3 liegt an GND. Pin 8 erhält +12 V und Pin 4 −12 V, jeweils mit 100 nF Abblockung nach GND. Der unbenutzte OPV B ist als Folger beschaltet: Pin 5 an GND, Pin 6 mit Pin 7 verbunden.
Invertierender Verstärker mit OPV A. OPV B wird nicht benutzt und ist deshalb als Spannungsfolger mit Eingang an GND beschaltet, statt offen zu bleiben.

Die Verstärkung ist −Rf/Rin = −100 kΩ / 10 kΩ = −10. Das Minuszeichen bedeutet, dass der Ausgang das Signal umkehrt: +0,5 V rein ergibt −5 V raus. Der Eingangswiderstand der Schaltung ist Rin = 10 kΩ, weil Pin 2 auf 0 V gehalten wird. Die Bandbreite beträgt etwa GBW / (1 + Rf/Rin) = 4 MHz / 11 ≈ 360 kHz (typisch), und ein Eingangs-Offset von bis zu 10 mV wird mit 11 multipliziert – ohne Eingangssignal kann der Ausgang also bis zu etwa 110 mV neben 0 V liegen.

Ein Ablauf Schritt für Schritt

  1. Ruhezustand: Vein ist 0 V. Pin 3 liegt an GND, also steht der Ausgang bei fast 0 V, und Pin 2 ebenfalls. In Rin und Rf fließt kein Strom.
  2. Der Sprung kommt: Vein springt auf +0,5 V. Für einen Moment zieht Rin Pin 2 etwas über Pin 3 – der invertierende Eingang liegt jetzt höher als der nichtinvertierende.
  3. Der Ausgang reagiert: Die verstärkte Differenz treibt den Ausgang nach unten. Die Geschwindigkeit begrenzt die Anstiegsrate (Slew Rate), typisch 13 V/µs (mindestens 8 V/µs); die 5 V dauern also etwa 0,4 µs (höchstens etwa 0,6 µs).
  4. Die Gegenkopplung zieht zurück: Während der Ausgang fällt, zieht Rf Pin 2 wieder nach unten. Der Ausgang bleibt stehen, wenn der Strom durch Rin, 0,5 V / 10 kΩ = 50 µA, weiter durch Rf fließt: Vaus = −50 µA × 100 kΩ = −5 V.
  5. Gleichgewicht: Pin 2 liegt wieder bei fast 0 V – einer virtuellen Masse. Bei mindestens 25 V/mV Leerlaufverstärkung beträgt die Restdifferenz bei −5 V Ausgang weniger als 0,2 mV. Der Ausgang bleibt bei −5 V, solange der Eingang +0,5 V hat.
Zeitdiagramm in drei Zeilen: Vein springt von 0 V auf +0,5 V; Pin 2 zeigt einen kurzen Ausschlag und kehrt auf etwa 0 V zurück; Vaus fällt in etwa 0,4 µs linear von 0 V auf −5 V und bleibt dort.
Prinzip-Zeitdiagramm für einen +0,5-V-Sprung (nicht maßstäblich). Die Ausgangsflanke ist die Slew Rate; Pin 2 kehrt zur virtuellen Masse zurück.

Aufbau auf dem Steckbrett

Bauen Sie den Verstärker mit ±12 V aus zwei Labornetzteilen oder einem Doppelnetzteil auf. Schalten Sie die Versorgung erst ein, wenn der Chip richtig herum steckt. Prüfen Sie mit einem Multimeter: 0 V am Eingang ergibt nahezu 0 V am Ausgang, +0,5 V aus einem Spannungsteiler etwa −5 V.

  • 1 × LF353N (DIP-8), am besten in einer Fassung.
  • Rin 10 kΩ und Rf 100 kΩ, 1-%-Metallschicht für eine genaue Verstärkung.
  • 2 × 100 nF Keramik zur Abblockung, je einer pro Versorgung nahe Pin 8 und Pin 4.
  • ±12-V-Versorgung mit gemeinsamer Masse; Potentiometer oder Spannungsteiler als Testquelle.
  • Last am Ausgang: mindestens 2 kΩ.

Weitere Schaltungen: nichtinvertierender Verstärker und Spannungsfolger

Nichtinvertierender Verstärker: Das Signal geht direkt an den +Eingang, ein Widerstand Rg liegt vom −Eingang nach GND, und Rf verbindet weiterhin den Ausgang mit dem −Eingang. Die Verstärkung ist 1 + Rf/Rg (z. B. 1 + 100 kΩ/10 kΩ = 11), das Signal wird nicht invertiert, und die Quelle sieht den sehr hohen Eingangswiderstand des JFET-Eingangs.

Spannungsfolger (Puffer): Verbinden Sie den Ausgang direkt mit dem −Eingang und speisen Sie das Signal in den +Eingang. Die Verstärkung ist 1, aber eine schwache Quelle kann jetzt eine schwere Last treiben. So legt man auch einen unbenutzten OPV sicher still, wie im Schaltplan oben.

Einfache Versorgung: Der LF353 kann z. B. an 0/24 V laufen, dann müssen die Signale aber um eine mit einem Spannungsteiler erzeugte Mittenspannung liegen, und weder Eingänge noch Ausgang kommen in die Nähe von 0 V. Haben Sie nur 5 V, ist der LF353 die falsche Wahl – er braucht mindestens ±6 V (12 V insgesamt), um normal zu arbeiten.

Grenzen und Fallstricke

  • Versorgung: absolutes Maximum ±18 V; das Datenblatt beschreibt normalen Betrieb ab ±6 V. Die Kennwerte gelten bei ±15 V.
  • Nicht Rail-to-Rail: Bei ±15 V und 10 kΩ Last erreicht der Ausgang garantiert ±12 V (typisch ±13,5 V). Planen Sie bis zu 3 V Abstand zu jeder Versorgung ein. Der Gleichtakt-Eingangsbereich ist bei ±15 V garantiert ±11 V.
  • Eingänge unter V−: Kein Eingang darf unter die negative Versorgung gehen – das kann große Ströme verursachen und den Chip zerstören. Unterschreitet ein Eingang die negative Gleichtaktgrenze, kann der Ausgang nach oben springen (Phasenumkehr).
  • Versorgung nie verpolen: Verpolung oder ein falsch herum gesteckter Chip kann ihn durchbrennen lassen.
  • Last: mindestens 2 kΩ für vollen Ausgangshub; der Ausgang ist kurzschlussfest, aber der Offset steigt bei schwerer Last.
  • ESD und Temperatur: begrenzter ESD-Schutz (1000 V HBM) – in leitfähigem Schaumstoff lagern. Betriebstemperatur 0 bis 70 °C.
  • Offset: bis zu 10 mV bei 25 °C. Für DC-Präzision bei hoher Verstärkung einen Präzisions-OPV wählen oder abgleichen.

Verwandte Leitfäden

In einem 555-Timer stecken Komparatoren – eine Art OPV ohne Gegenkopplung; siehe den Leitfaden zum LMC555-CMOS-Timer. Um ein verstärktes Audiosignal auf einer LED-Skala anzuzeigen, erklärt der Leitfaden zum LM3916N-Pegelmesser, wie ein zehnstufiger LED-Treiber eine Spannung auswertet.

Quelle und Lagerbauteil

Das lagernde Bauteil ist der National Semiconductor LF353N: der LF353 im 8-poligen Kunststoff-DIP (National-Gehäuse „N“, entspricht TIs PDIP-Gehäuse „P“), 0 bis 70 °C, Neuware aus Altbestand (NOS). Pinbelegung, Versorgungs-, Eingangs- und Ausgangsgrenzen, Slew Rate, GBW und Applikationshinweise wurden mit dem TI-Datenblatt LF353-N, SNOSBH3F (Revision März 2013), abgeglichen.

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