Die Differenz-Eingangsstufe

Die Differenz-Eingangsstufe
Die Differenz-Eingangsstufe ist die wohl populärste Analogschaltung überhaupt. Mit fünf
Transistoren wird erreicht, dass schon sehr kleine Eingangsdifferenzen zu großen
Änderungen des Ausgangspotenzials führen. Man findet die Stufe in vielen Varianten und
in großer Zahl in allen Operationsverstärkern, praktisch allen analogen integrierten
Schaltungen und darüber hinaus in allen Speicherchips. Die Grundstruktur vereint so
viele erstrebenswerte Eigenschaften in sich, dass man sie ohne Übertreibung als
Geniestreich bezeichnen darf.
Hier lernen Sie die Funktionsweise der Eingangsdifferenzstufe kennen. Das Verständnis
ergibt sich aus der Analyse der Einzeltransistoren und ihrer Verbindungen.
Der Transistor Nr. 1 legt den gesamten Querstrom
durch die Schaltung fest. Der Wert dieses Stromes wird
U REF
durch
bestimmt.
Mit
Hilfe
des
Basisanschlusses dieses ersten Transistors kann im
Extremfall die gesamte Differenzstufe abgeschaltet
werden. Bei Speicherbausteinen ist U REF mit dem
„chip select“ Eingang verbunden.
Die Emitter der Transistoren Nr. 2 und 3 sind
gemeinsam mit dem Kollektor des Transistors Nr. 1
verbunden. Dies führt zu einer Strom-Gegenkopplung
der Zweige: Mehr Strom durch den rechten Zweig kann
entweder durch eine erhöhte Leitfähigkeit des
Transistors Nr. 3 oder durch eine verminderte
Leitfähigkeit des Transistors Nr. 2 erreicht werden.
Der Transistor Nr. 3 ist der invertierende Eingang, denn eine Potenzialerhöhung an
seiner Basis bewirkt einen größeren Strom im rechten Zweig, was einem geringeren
Kollektor-Emitter Widerstand und damit einem tiefer liegenden Ausgangspotenzial
U AUS entspricht.
Der Transistor Nr. 2 ist der nicht invertierende Eingang. Da die Summe der Ströme durch
beide Zweige fast konstant ist, bewirkt eine erhöhte Leitfähigkeit des Transistors Nr. 2
das Gleiche wie eine verringerte Leitfähigkeit des Transistors Nr. 3: U AUS steigt.
Basis und Kollektor des PNP Transistors Nr. 4 sind miteinander und mit der Basis des
Transistors Nr. 5 verbunden. Diese Anordnung nennt man Stromspiegel, da das
erzwungener Maßen gleiche U BE auch gleiche Emitterströme und damit fast gleiche
Ströme in beiden Zweigen verursacht. Der Strom durch den Transistor Nr. 5 ist als fast
genau ein Spiegelbild des Stromes durch den Transistor Nr. 4.
Für U +U - entsteht ein scheinbarer Widerspruch: Die Transistoren Nr. 4 und 5
verordnen beiden Zweigen gleich große Ströme und die Transistoren Nr. 2 und 3 sorgen
gleichzeitig mit freundlicher Unterstützung durch Transistor Nr. 1 dafür, dass der Strom
durch den linken Zweig viel größer ist als der durch den rechten Zweig.
Warum ist dieser Widerspruch nur ein scheinbarer? Weil alle beteiligten Transistoren ein
endliches r CE haben! Der Stromspiegel kann daher Stromunterschiede zulassen –
allerdings nur, wenn die Kollektorpotenziale der Transistoren Nr. 4 und 5 hinreichend
verschieden sind. Anders herum: der Stromspiegel sorgt dafür, dass schon kleine
Stromdifferenzen in den Zweigen zu massiven Potenzialänderungen an U AUS führen.
Und genau das war ja das Ziel.
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Fachbereich Elektrotechnik
in der Informatik
Elektroniklabor
Prof. Dr. Martin Poppe