Differenzverstärker

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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, als Gleichspannungsverstärker für Messzwecke, zur symmetrischen Signalübertragung, aber auch in manchen Oszillatoren eingesetzt.

Aufbau eines Differenzverstärkers

Miller-Differenzverstärkers mit MOSFETs

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

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 delta U (also im Gleichtakt) jedoch eine im allgemeinen geringfügige Veränderung der Ausgangsspannung U_a.

[Bearbeiten] Funktionsweise

Der Differenzverstärker besteht aus zwei gleichwertigen einzelnen Verstärkern mit den 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.

Der Strom durch R_e ist die Summe der Ströme durch Q1 und Q2. Wenn nun z.B. die Spannung U_e1 größer ist als U_e2, so wird durch Q1 mehr Strom fließen. Dadurch steigt der Spannungsabfall am Widerstand R_a1 und die Spannung am Kollektor von Q1 sinkt. Da die Summe der beiden Ströme aber konstant ist, fließt durch Q2 entsprechend weniger Strom, die Spannung am Kollektor von Q2 steigt daher. Die Ausgangsspannung wird zwischen den beiden Kollektoren abgenommen, d.h. zwischen den beiden Punkten, deren Spannungen sich gegensinnig ändern, wenn zwischen den Eingängen eine Differenz besteht.

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.

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.

Wird der Differenzverstärker mit einer Ausgangsstufe (M5) erweitert, erhält man einen Operationsverstärker. Dieser besteht aus dem Eingang, dem Differenzverstärker M1/M2 und seiner Last, der Diodenlast M3/M4 und der Ausgangsstufe M5. Diese einfache und in der integrierten Schaltungstechnik viel verwendete Schaltung heißt Miller-Operationsverstärker, weil der Millereffekt zur Kompensation, das heißt zur Unterdrückung der Schwingneigung verwendet wird.

[Bearbeiten] Siehe auch

• Instrumentierungsverstärker
• Subtrahierer

[Bearbeiten] Weblinks

• ELektronik-KOmpendium (ELKO) (dt.)