Differenzverstärker

Wir haben bisher Transistorverstärker behandelt, die einen einzigen Eingang haben und das Signal am Eingang verstärken.

• Andererseits kennen wir Operationsverstärker, die zwei Eingänge haben. Wir klammern hier zunächst Operationsverstärker aus. Später werden wir feststellen, dass der Differenzverstärker ein wesentliches Element des Operationsverstärkers ist.

Ein Differenzverstärker wird verwendet, um

• sehr kleine Gleichspannungen zu verstärken,

• die Differenz zweier Eingangsspannungen zu bilden und z. B.

• Störungen auf gemeinsamen Leitungen zu unterdrücken.

• Sie bilden die Eingangsstufe von Operationsverstärkern.

Wir werden uns hier auf den klassischen Differenzverstärker konzentrieren, der sowohl zwei Eingänge als auch zwei Ausgänge hat.

Wie Bild 1 zeigt, besteht ein Differenzverstärker aus zwei Transistoren, deren Emitter miteinander verbunden sind. Die beiden Basen stellen die Eingänge dar, die Kollektoren die Ausgänge.

• Es ist wichtig, dass die beiden Kollektorwiderstände gleich sind.

Die Spannungen an den Basen liegen meistens auf dem gleichen Spannungsniveau. Sie sollten zwischen 0 V und der Versorgungsspannung liegen, in unserem Beispiel zwischen 1,5 V und 3,5 V.

Der Differenzverstärker verstärkt nicht die absolute Spannung an den Basen, sondern die Differenzspannung U_di = U_i1 - U_i2. Zwischen den beiden Ausgängen liegt dann die verstärkte Differenzspannung: U_da = U_a1 - U_a2 = V * U_di. V ist die Verstärkung des Differenzverstärkers.

• Wenn die Spannung zwischen den beiden Eingängen 0 ist, ist auch die Spannung zwischen den beiden Ausgängen 0.

Wir untersuchen einen Differenzverstärker mithilfe der folgenden Testschaltung genauer.

Die Testschaltung stellt mithilfe der Spannungsteiler R₁ und R₂ sowie R₆ und R₇ die Basisspannungen auf die halbe Betriebsspannung (2,5 V) ein. Mit dem Potentiometer R₈ und dem Widerstand R₉ kann die Basisspannung U_b1 geringfügig verändert werden. Ebenso kann die Basisspannung U_b2 über R₁₀ und R₁₁ verstellt werden.

Die Ausgangsspannung wird zwischen den Ausgängen an den Kollektoren der Transistoren gemessen. Der Differenzverstärker ist sehr empfindlich. Bereits wenige Millivolt Unterschied zwischen den Eingängen haben eine hohe Spannung zwischen den Ausgängen zur Folge.

Vorbereitung

• Zunächst müssen wir die Messung vorbereiten. Dazu stellen wir die Spannung U_x am Ausgang des Potentiometers auf 2,5 V.

• Die beiden Transistoren sind nie ganz gleich. Sie haben selten die gleiche Basis-Emitter-Spannung.

• Wir gleichen das aus, indem wir die Spannung an den Ausgängen messen und sie mithilfe des Potentiometers R₁₀ auf 0 V justieren.

Die Spannung, die wir zwischen die Basen der Transistoren legen wollen, beträgt nur wenige mV.

• Mit den meisten Digitalmultimetern können wir diese Spannung kaum messen. Der Vorwiderstand R₉ hilft uns dabei. Durch ihn wird die Spannung U_x am Ausgang des Potentiometers R₈ durch 200 geteilt:

U_e = U_x * ( R₁ || R₂ ) / R₉ = U_x * 0,5k / 100k = U_x / 200

Wir messen die Spannung U_x am Ausgang des Potis R₈ und teilen sie durch 200.

• Wir müssen jedoch beachten, dass an der Basis von Q1 2,5 V liegen.

Das heißt, die eingestellte Spannung ist (U_x - 2,5 V) / 200.

• Wir messen einfach die Spannung zwischen der Basis von Q2 und U_x. Dann teilen wir diese durch 200. Das geht, weil unser Digitalmultimeter sehr hochohmig ist (10 MΩ).

Messung