Differenzielles Paar

Ein Differenzverstärker ist ein elektronischer Verstärker mit zwei Eingängen, bei dem nicht ein einzelnes Signal, sondern die Differenz der beiden Eingangssignale U_e1 und U_e2 verstärkt wird. Er wird in Operationsverstärkern, Komparatoren, als Gleichspannungsverstärker für Messzwecke, zur symmetrischen Signalübertragung, aber auch in manchen Oszillatoren eingesetzt.

Aufbau eines Differenzverstärkers

Funktionsweise

Eine Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen führt bei idealem Differenzverstärker zum Ausgangssignal U_a mit

$U_a = V \cdot ( U_{e1} - U_{e2} )$

wobei V der Verstärkungsfaktor ist. Wenn an beiden Eingängen die gleiche Spannung anliegt, ist das Ausgangssignal im Idealfall Null. Die Ausgangsspannung hängt bei idealen Differenzverstärkern mit optimaler "Gleichtaktunterdrückung" (CMRR) nur noch von der Spannungsdifferenz, nicht aber von der Absoluthöhe der beiden Spannungen U_e1 und U_e2 ab, solange beide den Rahmen der Betriebsspannung nicht überschreiten. Bei nichtoptimaler Gleichtaktunterdrückung bewirkt eine gleich große Spannungsänderung von U_e1 und U_e2 um einen Betrag ΔU (also im Gleichtakt) jedoch eine im allgemeinen geringfügige Veränderung der Ausgangsspannung U_a.

Innenschaltung

Der Differenzverstärker besteht aus zwei gleichartigen Transistoren Q1 und Q2, die einen gemeinsamen Emitterwiderstand R_e besitzen. Zur Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung besteht dieser normalerweise aus einer Konstantstromquelle, im Bild mit dem Transistor Q3 realisiert. Im nebenstehenden Beispiel fließen genau 2 mA durch Q3.

Der Strom durch R_e ist die Summe der Ströme durch Q1 und Q2. Bei exakt symmetrischem Aufbau sollte an jedem der beiden Kollektorwiderstände die gleiche Spannung zu messen sein und die Differenz U_a ist Null.

Wird nun z.B. die Spannung U_e1 um 2 mV größer als U_e2, so wird durch Q1 mehr Strom fließen. Dadurch steigt der Spannungsabfall am Widerstand R_a1 = 5 kΩ und die Spannung am Kollektor von Q1 sinkt. Weil die Summe der beiden Kollektorströme aber konstant ist, fließt durch Q2 entsprechend weniger Strom, die Spannung am Kollektor von Q2 steigt. Die Differenzspannung U_a zwischen den beiden Kollektoren beträgt dann – abhängig von der Qualität der Transistoren – beispielsweise 1 V. Mit diesen Beispielswerten beträgt die Verstärkung

$V= \tfrac {1 V}{2 mV} = 500$

Wenn sich hingegen beide Eingangsspannungen gleichsinnig ändern, ändern sich die Spannungen an den Kollektoren nicht, da die Ströme durch Q1 und Q2 sich nicht gleichsinnig ändern können, sonst wäre ihre Summe nicht mehr konstant.

Der Aussteuerungsbereich der Schaltung ist kleiner als die Betriebsspannung, weil jeder Transistor eine gewisse Restspannung von etwa 0,6 V benötigt, um korrekt zu funktionieren. In der gezeigten Schaltung dürfen die Eingangsspannungen (von der mittleren Null-Volt-Schiene aus gemessen) zwischen etwa -2 V und +1,5 V liegen.

Die Gleichtaktunterdrückung hängt stark von der Symmetrie der Schaltung ab, eine unterschiedliche Temperatur der beiden Transistoren Q1 und Q2 kann sie bereits verschlechtern. Man baut Differenzverstärker daher heute als integrierte Schaltung, weil dann die komplette Baugruppe auf einem gemeinsamen Chip sitzt und daher auf einheitlicher Temperatur gehalten wird.

Miller-Differenzverstärkers mit MOSFETs

Im nebenstehenden Bild wird der Differenzverstärker mit einer Ausgangsstufe (M5) erweitert, man erhält einen Operationsverstärker. Dieser besteht aus

• dem Differenzverstärker M1/M2 am U_in-Eingang
• dem Stromspiegel M3/M4, der die beiden Lastwiderstände ersetzt, wodurch die Verstärkung des Differenzverstärkers deutlich ansteigt. Außerdem wird der symmetrische Ausgang des Differenzverstärkers unsymmetrisch gemacht.
• einer sehr einfach gehaltenen, unsymmetrischen Ausgangsstufe M5.

Anstelle von Widerständen werden die beiden Konstantstromquellen I1 und I2 verwendet. Alle diese Maßnahmen und die konsequente Verwendung von Feldeffekttransistoren dienen dazu, den Aussteuerungsbereich zu vergrößern.

Diese einfache und in der integrierten Schaltungstechnik viel verwendete Schaltung heißt Miller-Operationsverstärker, weil der Millereffekt zur Frequenzkompensation, das heißt zur Unterdrückung der Schwingneigung bei hohen Frequenzen verwendet wird. Die Gesamtverstärkung beträgt bei tiefen Frequenzen mehr als 10⁵ und sinkt wegen des Millerkondensators mit steigender Frequenz.

Siehe auch

• Instrumentierungsverstärker
• Subtrahierer

Weblinks

• ELektronik-KOmpendium (ELKO) (dt.)