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Ratgeber

Differenzverstärker – die praktische Lösung für viele Schaltungsaufgaben

Differenzverstärker werden in den unterschiedlichsten Geräten benötigt. Denn sie sind u.a. ein fester Bestandteil im Eingangskreis eines Operationsverstärkers. Und Operationsverstärker oder auch einfach nur OPVs sind in vielen Geräten der Unterhaltungselektronik sowie der Mess-, Regel- und Kommunikationstechnik verbaut.

Doch Differenzverstärker haben noch weit mehr Einsatzmöglichkeiten. Wir verraten Ihnen gerne, welche clevere Technik hinter den Differenzverstärkern steckt und wie sie in der Praxis funktionieren.


Wieso werden Differenzverstärker benötigt?

Hochwertige Sensoren können physikalische Grössen genau erfassen und in exakte Mess-Signale umwandlen. 

In der Messtechnik werden die unterschiedlichsten Parameter erfasst, ausgewertet und auch angezeigt. Oft ist es dabei aber auch so, dass zwei Messwerte identisch sein sollten, damit ein System oder eine Anlage richtig funktioniert. Bei einer eventuellen Abweichung zwischen den beiden Messwerten muss automatisch, schnell und feinfühlig nachgeregelt werden. Dabei sind oft schon kleinste Abweichungen oder eine minimale Spannungsdifferenz von entscheidender Bedeutung.

Wenn z.B. in einem Trocknungsofen an zwei Stellen die Temperatur absolut gleich sein muss, kann man mit zwei identischen Temperatursensoren arbeiten. Die Signale der beiden Sensoren, werden an einem Differenzverstärker angeschlossen. Sobald auf einer Seite die Temperatur abweichend zur anderen Seite ist, gibt der Differenzverstärker ein Korrektursignal aus. Mit diesem Signal kann eine nachgeschaltete Regelelektronik die Heizungen im Ofen gezielt ansteuern.

Neben der Temperatur können auch andere Parameter erfasst und ausgewertet werden. Sensoren und Messumformer können so ziemlich jede physikalische Grösse in eine genau definierte Spannung wandeln. Zudem können Differenzverstärker auch ganz einfach zum Vergleich von Soll- und Ist-Werten genutzt werden.


Was sind Differenzverstärker?

Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine Schaltung bzw. um ein aktives Bauelement, das die Differenz  zweier Eingangsspannungen verstärkt. Daher wird die Schaltung zum Teil auch als Subtrahierer bezeichnet.  Demzufolge muss ein Differenzverstärker auch zwei Eingänge (im gezeigten Beispiel E1 und E2) haben.

Sobald sich die Spannung an einem der beiden Eingänge nur leicht ändert, wird sich die Spannung zwischen den beiden Ausgängen (A1 und A2) stark ändern. 

Da die Eingänge zudem einen sehr grossen Widerstand aufweisen, können selbst geringste Spannungsschwankungen problemlos erfasst und verstärkt werden. Mit dem verstärkten Ausgangssignal können dann die unterschiedlichsten Elektronikkomponenten angesteuert werden.

Doch nicht nur das. Das Clevere an einem Differenzversstärker ist die Tatsache, dass eine gemeinsame Spannungsänderung an beiden Eingängen so gut wie keine Auswirkungen auf die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgängen haben.  Die beiden Ausgangsspannungen werden, je nach Eingangssignal, lediglich gemeinsam höher oder niedriger.

Zudem können Differenzverstärker sowohl mit Gleichspannung, als auch mit Wechselspannung angesteuert werden. 


Wie funktioniert ein Differenzverstärker?

Die grundsätzliche Funktion eines einfachen Differenzverstärkers (siehe Skizze A) kann man mit Hilfe von zwei identischen Transistoren (T1 und T2) erklären, die einen gemeinsamen Emitterwiderstand (RE) haben. Im Gegensatz zum gemeinsamen Emitterwiderstand hat jeder Transistor einen eigenen Kollektor-Widerstand (RC1 und RC2). 

Die Versorgung der Schaltung erfolgt über eine symmetrische Betriebsspannung (+UB und -UB). Die Eingänge E1 und E2 sind jeweils mit der Basis der beiden Transistoren verbunden. Die Ausgänge A1 und A2 sind jeweils mit dem Kollektor der Transistoren verbunden.

Im Gegensatz zu einem Transistor-Verstärker in Emitterschaltung (siehe Skizze B) sind weder Basisspannungsteiler-Widerstände noch Koppelkondensatoren vorhanden. Deshalb ist die Eingangsimpedanz (Eingangswiderstand) bei einem Differenzverstärker höher und es können auch Gleichspannungen verstärkt werden.


Differenzansteuerung

Um die Funktion der Differenzansteuerung anschaulich zu erklären, ist es von Vorteil, wenn der Eingang E2 mit Masse verbunden wird. Durch die Schaltungsauslegung fliesst dann über die Kollektor-/Emitter-Strecke des Transistors T2 ein Strom von ca. 1 mA und am Kollektor von T2 beträgt die Spannung 7,94 V. Wird der Transistor T1 nicht angesteuert, verhält er sich wie der Transistor T2. Auch über den Transistor T1 fliesst ein Kollektor-/Emitter-Strom von 1 mA und die Kollektorspannung beträgt 7,94 V.

Nun wird ein Wechselstromsignal mit 85 mV/SS (VSS = Spannungsunterschied zwischen den Spitzen der Sinuswelle) am Eingang bzw. an der Basis von Transistor T1 angelegt. Wenn die Spannung am Eingang E1 ansteigt, steigt der Basis-/Emitter-Strom und der Transistor T1 leitet stärker. Dadurch geht die Spannung am Kollektor von T1 (Ausgangsspannung Ua 1) zurück und die Spannung am Emitterwiderstand RE steigt an.
Die ansteigende Spannung am Emitterwiderstand RE sorgt dafür, dass der Spannungsunterschied zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors T2 geringer wird. Dadurch fliesst ein geringerer Basisstrom und der Transistor T2  sperrt stärker. Die Spannung am Kollektor von T2 (Ausgangsspannung Ua 2) steigt an.

Wenn die Spannung am Eingang absinkt, wird der Basis-/Emitter-Strom reduziert und der Transistor T1 leitet schwächer. Dadurch steigt die Spannung am Kollektor von T1 (Ausgangsspannung Ua 1) an und die Spannung am Emitterwiderstand RE wird geringer. 

Die abfallende Spannung am Emitterwiderstand RE sorgt dafür, dass der Spannungsunterschied zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors T2 wieder grösser wird. Dadurch fliesst ein höherer Basisstrom und der Transistor T2 leitet stärker. Die Spannung am Kollektor von T2 (Ausgangsspannung Ua 2) wird dadurch geringer.

Die Ströme durch die beiden Transistoren, als auch die Spannungen an den Ausgängen sind entsprechend der oben aufgezeigten Funktionsbeschreibung genau entgegengesetzt zueinander gerichtet. 

Für die weitere Auswertung kann entweder das Signal am Ausgang A1 oder am Ausgang A2 genutzt werden. Dabei ist zu beachten, dass das Signal am Ausgang A1 phasengedreht, also umgekehrt zum Eingangssignal, und das Ausgangssignal A2 phasengleich ist. Wenn für die weitere Auswertung der Spannungsunterschied zwischen beiden Ausgängen (Diagramm UaD / V) genutzt wird, ist die Ausgangsspannung doppelt so hoch, als wenn nur an einem der beiden Ausgänge gegen Masse gemessen wird.

Hinweis:

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Schaltung zu ändern und den Eingang E1 an Masse zu schalten. Die Eingangsspannung bzw. das Ansteuersignal muss dann mit dem Eingang E2 verbunden werden. Oder es werden beide Eingänge gleichzeitig genutzt. Die Funktion ist immer gleich.


Gleichtaktansteuerung

Wenn beide Eingänge die gleiche Eingangsspannung (Gleichtaktspannung) erhalten, ändert sich der Kollektorstrom der beiden identischen Transistoren nicht gegensinnig, sondern gleichsinnig. Demzufolge steigen die Spannungen an den beiden Kollektoren gemeinsam an oder fallen ab. Es ergibt sich also theoretisch kein Spannungsunterschied zwischen den beiden Ausgängen. Allerdings wird das in der Praxis nicht erreicht. Dies liegt daran, dass die beiden Schaltungszweige nicht absolut identisch sind und einer Materialstreuung und einem Temperaturdrift unterliegen. Ein weiterer Punkt ist, dass der gemeinsame Emitterwiderstand die Forderung nach einem konstanten Strom nicht unbedingt optimal erfüllt.

Wird ein Differenzverstärker mit identischen Transistoren aufgebaut, kann zwischen den Emitter-Anschlüssen ein Potentiometer (P) verwendet werden (siehe Skizze A). Mit dem Poti können die Unterschiede in den Verstärkungen ausgleichen und die Differenzspannung zwischen den Ausgängen auf exakt Null Volt eingestellt werden. Da aber ein Potentiometer auf Dauer eine Fehlerquelle darstellt, wird vorzugsweise eine Konstantstromquelle anstelle des Emitterwiderstandes  verwendet (siehe Skizze B).

Bei einfachen Differenzverstärkern, die in Chip-Bauweise hergestellt werden, ist das Problem mit der Streuung und den unterschiedlichen Temperaturdriften minimal. Denn alle Komponenten sind in einem gemeinsamen Chip integriert. Zudem können Widerstände sehr leicht durch Stromquellen ersetzt werden, da diese im Chip weitaus weniger Platz benötigen. 


Was sollte beim Kauf beachtet werden?

Bauform

Wenn der Differenzverstärker als Ersatz für ein defektes aktives Bauteil dient, muss unbedingt die Bauform beachtet werden. Neben der mechanischen Grösse sind ist auch die Anzahl der Anschlüsse entscheidend. Die Grösse des Bauelements und die Anzahl der Anschlüsse wiederum richten sich nach der Beschaltungszahl des Bauteiles.

Beschaltungszahl

Die Beschaltungszahl gibt an, wie viele Verstärker in einem integrierten Schaltkreis (IC bzw. Chip) integriert sind. Wenn ein Differenzverstärker integriert ist, ist die Beschaltungszahl 1 und der Chip hat 8 Anschlüsse. Allerdings sind davon nur 7 intern auch angeschlossen. Sind zwei Differenzverstärker in einem Chip integriert, hat dieser 14 Anschlüsse, wobei zwei nicht angeschlossen (NC) sind.

Versorgungsspannung

Die Spannungsversorgung kann symmetrisch, also mit einer positiven und einer negativen Spannung, wie z.B. ±18 Volt,  erfolgen. Alternativ dazu kann auch nur eine positive Spannung von 36 Volt genutzt werden. Für welche Spannung das jeweilige aktive Bauelement ausgelegt ist, kann in den technischen Daten nachgeschlagen werden.

Betriebstemperatur

Auch wenn die Schaltungen mit Differenzverstärkern nicht sehr temperaturanfällig sind, muss auch bei ihnen auf die richtige Betriebstemperatur geachtet werden. Ein Überschreiten der zulässigen Temperaturgrenzen hat Auswirkungen auf die fliessenden Ströme und kann zu unvorhersehbaren Messungenauigkeiten oder sogar zur kompletten Beschädigung des Bauelements führen.


Häufig gestellte Fragen zu Differenzverstärkern

Was ist der Unterschied zwischen Differenzverstärker und Operationsverstärker?

Der Differenzverstärker ist die Eingangsstufe eines Operationsverstärkers. Deshalb haben auch Operationsverstärker zwei Eingänge.


Was ist die Gleichtaktspannung?

Unter Gleichtaktspannung oder Common Mode Voltage (CMV) versteht man in der Elektronik einen gleichphasigen Spannungspegel auf zwei signalführenden Leitungen. Das bedeutet die Spannungen auf den beiden Leitungen werden zeitgleich höher oder niedriger.


Was bedeutet Gleichtaktunterdrückung?

Die Gleichtaktunterdrückung beschreibt die Güte eines Differenzverstärkers. Das Verhältnis zwischen Differenzverstärkung und Gleichtaktverstärkung wird als Gleichtaktunterdrückung oder Common Mode Rejection Ratio (CMRR) in dB angegeben. Dazu wird die am Eingang notwendige Differenzspannung ermittelt, die zu einer gleichen Ausgangsspannung führt, wie eine zuvor festgelegte Gleichtaktspannung. 

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