Modul 6 Differenzverstärker
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Modul 6 Name: Berufsbildende Schule Technik Carl-Benz-Schule Klasse: Datum: Differenzverstärker Ein Differenzverstärker besitzt zwei Eingänge und zwei Ausgänge (vgl.: Ein „normaler“ Verstärker hingegen besitzt nur einen Eingang und einen Ausgang.). Das Ausgangssignal (An A1 und A2, siehe nächstes Bild) entspricht der stark verstärkten Differenz der Eingangssignale. Dadurch kann man z.B. nahezu in idealer Weise einen Soll-/Istwertvergleich durchführen. Der Differenzverstärker (siehe nebenstehendes Bild) besteht im Grundprinzip aus 2 miteinander verschmolzenen Emitterschaltungen, die auf einen gemeinsamen Emitterwiderstand arbeiten. Allerdings verwendet man selten einen ohmschen Widerstand, sondern zur Verbesserung der Eigenschaften fast immer eine Stromquelle. Die gebräuchliche Bezeichnung Stromquelle ist übrigens nicht sehr glücklich gewählt, denn sie gibt keinen Strom ab, sondern begrenzt ihn auf einen bestimmten Wert: Der Strom hat unabhängig von der angelegten Spannung immer den gleichen Wert. Der Differenzverstärker wird normalerweise mit einer symmetrischen Spannung betrieben, d.h. die eine Versorgungsspannung ist positiv und die andere gleich groß aber negativ. Ein solcher Differenzverstärker (oft auch Differenzenverstärker genannt) besitzt zwei Eingänge und 2 Ausgänge. Sind die beiden Eingangsspannungen gleich groß, so sind auch die Kollektorströme I1 und I2 der beiden Transistoren T1 und T2 gleich hoch. Da die beiden Kollektorwiderständen R1 und R2 den gleichen Widerstandswert besitzen, fällt an beiden eine gleich große Spannung ab, wodurch die beiden Ausgangsspannungen ebenfalls gleichgroß sind. Dies ist auch für einen Differenzverstärker ganz logisch: Ist die Differenz der Eingangsspannungen Null, so ist auch die Differenz der Ausgangsspannungen Null. Die Summe der Kollektorströme ist durch die Stromquelle auf den Nennstrom der Stromquelle festgelegt. Die Spannung an den beiden Emittern und damit indirekt die Basis-Emitterspannung der beiden Transistoren stellt sich hierbei ganz automatisch so ein, dass genau der richtige Strom fließt, denn die Stromquelle lässt einfach nicht mehr Strom durch. Wenn beide Transistoren durch die gleiche Eingangsspannung gleichweit aufgesteuert werden, fließt durch beide der gleiche Strom. Und dieser Strom kann in Summe nur der immer konstante Strom der Stromquelle sein. Ist die Eingangsspannung an T1 jedoch nur ganz geringfügig größer als die Eingangsspannung von T2, so nimmt infolge der sehr steilen Abhängigkeit des Kollektorstroms von der Basisspannung der Kollektorstrom von T1 stark zu. Weil der Gesamtstrom von der Stromquelle vorgegeben wird, bleibt für T2 nur ein kleiner Strom übrig. Durch den stark erhöhten Strom durch T1 steigt auch die Spannung an R1 stark an, so dass die Ausgangsspannung an Ausgang A1 stark zurückgeht. Bei Ausgang A2 ist es wegen des viel kleineren Stroms umgekehrt. Dies ist genau das, was man von einem Differenzverstärker erwartet. Die Differenz der Ausgangsspannung folgt mit hoher Verstärkung der Differenz der Eingangsspannung. Es reichen schon wenige Millivolt (also tausendstel Volt) Differenzspannung, um die beiden Ausgänge so weit auszusteuern, daß jeweils die positive bzw. negative Versorgungsspannung erreicht wird, denn die Verstärkung der Differenzspannung ist extrem hoch. Modul 6 Name: Berufsbildende Schule Technik Carl-Benz-Schule Klasse: Datum: Im nebenstehenden Bild ist der Differenzverstärker mit Konstantstromquelle dargestellt. Die Konstantstromquelle funktioniert wie die Stromgegenkopplung bei der Emitterschaltung (Temperaturstabilisierung). Steigt z.B. der Strom Ic von T3, so fällt an R4 eine höhere Spannung ab. Da die Spannung an R5 annähernd konstant bleibt, verkleinert sich Ube von T3, so dass Ic wieder kleiner wird. Operationsverstärker In der Praxis benötigt man niederohmiges Ausgänge. Die beiden Ausgänge des Differenzverstärkers sind jedoch einigermaßen hochohmig, was in der Praxis unerwünscht ist. Aus diesem Grund sorgt man bei Operationsverstärkern in Form einer Treiber- und Ausgangsstufe für eine hohe Stromverstärkung und damit für einen niederohmigen Ausgang. Gleichzeitig wird der differentielle Ausgang des Differenzverstärkers zu einem einzigen zusammengefasst. Im nachfolgenden Bild ist dies anhand eines Prinzipschaltbildes dargestellt: Beide Ausgänge des Differenzverstärkers steuern die Treiberstufe in Emitterschaltung an, bestehend aus T3 und T4. T3 verstärkt das Ausgangssignal von T1 und T4 das Ausgangssignal von T2. T3 arbeitet dabei auf T4 und T4 auf T3 als "Kollektorwiderstand". Die beiden Ausgangssignale des Differenzverstärkers werden dadurch zu einem einzigen zusammengefasst, wobei sowohl eine Spannungs- als auch Stromverstärkung stattfindet. Transistor T7 sorgt für einen kleinen Pegelversatz zwischen oberem und unterem Ausgang, der erforderlich ist, damit durch die Endtransistoren T5 und T6 ein kleiner Ruhestrom fließt. Dadurch vermeidet man eine tote Zone um den Nullpunkt, die sich dadurch ergibt, daß ein npnTransistor etwa +0,7 V Basisspannung benötigt, bevor der Stromfluss einsetzt, und ein pnp-Transistor -0,7 V. Die sich dadurch ergebende tote Zone von 1,4 V kann man dadurch umgehen, dass man mittels T7 eine entsprechende Vorspannung einstellt. Üblicherweise stellt man eine ganz geringfügig höhere Spannung ein, damit sich ein geringer Ruhestrom einstellt. Im Bild aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist der Kurzschlußschutz, über den die meisten Operationsverstärker verfügen. Die Güte des Differenzverstärkers und damit des ganzen Operationsverstärkers hängt sehr wesentlich davon ab, dass die Eingangstransistoren absolut identisches Verhalten besitzen. Denn bei auch nur geringen Unterschieden steigt die unerwünschte Gleichtaktverstärkung sehr drastisch an. Von Gleichtaktverstärkung spricht man, wenn sich die Ausgangsspannung mit der Eingangsspannung ändert, obwohl die Eingangsspannungsdifferenz Null ist. Gleichzeitig Modul 6 Name: Berufsbildende Schule Technik Carl-Benz-Schule Klasse: Datum: ergibt sich bei Transistoren mit unterschiedlichen Kennlinien ein Versatz der Eingangsspannung, d.h. 0 V Ausgangsspannung erreicht man dann nicht mehr bei 0 V Eingangsspannungsdifferenz sondern beispielsweise bei 0,1 V, was genauso unerwünscht ist. Es ist sehr schwierig, die Forderung nach identischem Verhalten mit diskreten Bauteilen zu erfüllen - vor allem vor dem Hintergrund wechselnder Umgebungstemperaturen. Integrierte Schaltungen bieten hier große Vorteile, weshalb es Operationsverstärker als integrierte Schaltungen schon viele Jahrzehnte gibt. Auch wenn moderne Operationsverstärker dem theoretischen Ideal schon sehr nahe kommen, so kann man doch durch die spezielle Ausgestaltung der Schaltung das Verhalten in eine bestimmte Richtung noch weiter verbessern. Reicht der ohnehin schon hohe Eingangswiderstand nicht aus, lässt dieser sich durch den Einsatz von Sperrschicht-FETs oder MOS-FETs hoch treiben. Grundschaltungen mit Operationsverstärkern In nächsten Bild sind das Schaltzeichen und die Anschlüsse eines Operationsverstärkers dargestellt. Wie man sieht, besitzt ein Operationsverstärker neben den beiden Anschlüssen für die positive und negative Betriebsspannung einen Plus-, einen Minuseingang sowie einen Ausgang (alle bezogen auf GND). altes Schaltzeichen neues Schaltzeichen Die Bezeichnung + und - der beiden Eingänge kennzeichnet, wie sich eine angelegte Spannung auf den Ausgang auswirkt: Ist der Plus-Eingang positiver als der Minus-Eingang, ist die Ausgangsspannung positiv. Ist der MinusEingang positiver als der Plus-Eingang, ist sie negativ. In Schaltbildern werden aus Gründen der Übersichtlichkeit die Betriebsspannungsanschlüsse übrigens oft nicht dargestellt. Als Spannungsversorgung hat sich eine symmetrische Versorgung mit +/- 15 V weitgehend durchgesetzt.
