Quelltext der Seite Differenzverstärker

Der '''Differenzverstärker''' ist ein elektronischer [[Verstärker (Elektrotechnik)|Verstärker]] mit zwei Eingängen, bei dem die ''Differenz'' der beiden Eingangssignale verstärkt wird. Eingangssignale, die auf beide Eingänge gleich einwirken, werden im Idealfall nicht verstärkt. Diese Verstärkerschaltung wird als wesentliche Grundschaltung in der Eingangsstufe in [[Operationsverstärker]]n und [[Komparator (Analogtechnik)|Komparatoren]] eingesetzt, außerdem als Gleichspannungsverstärker für Messzwecke, im Bereich der [[Symmetrische Signalübertragung|symmetrischen Signalübertragung]] und in manchen [[Oszillatorschaltung]]en.

== Funktionsweise ==
Differenzverstärker sind üblicherweise so ausgelegt, dass mit [[elektrische Spannung|elektrischen Spannungen]] gearbeitet wird. Eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen mit den Spannungen ''U''<sub>e1</sub> und ''U''<sub>e2</sub> führt bei einem als ideal angenommenen Differenzverstärker zur Ausgangsspannung U<sub>a</sub>, als Gleichung ausgedrückt:

:<math>U_a = V_{ds} \cdot ( U_{e1} - U_{e2} )</math>

mit dem Differenzverstärkungsfaktor ''V''<sub>ds</sub>. Wenn an beiden Eingängen die gleiche Spannung anliegt, ist das
Ausgangssignal im Idealfall null. Bei einem eher der Realität entsprechenden Differenzverstärker mit einer nicht unendlich hohen [[Gleichtaktunterdrückung]] (CMRR) kommt ein Anteil zufolge der Gleichtaktverstärkung:

:<math>U_a = V_{ds} \cdot ( U_{e1} - U_{e2} ) + V_{c} \cdot \left( \frac{U_{e1} + U_{e2}}{2} \right)</math>

mit dem Gleichtaktverstärkungsfaktor ''V''<sub>c</sub> hinzu. Bei einem von null verschiedenen Gleichtaktverstärkungsfaktor bewirkt eine gleich große Spannungsänderung von U<sub>e1</sub> und U<sub>e2</sub> eine im Allgemeinen unerwünschte zusätzliche Veränderung der Ausgangsspannung U<sub>a</sub>.

== Realisierungen ==
=== Bipolartransistor ===
[[Datei:Long tailed pair.svg|mini|Vereinfachte Prinzipschaltung mit Bipolartransistoren]]
Ein mit [[Bipolartransistor]]en aufgebauter Differenzverstärker besteht, wie in nebenstehender Abbildung, aus zwei gleichartigen Transistoren Q1 und Q2, mit einer gemeinsamen [[Stromquelle]] an den beiden Emittern. Zur Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung ist diese Stromquelle normalerweise als [[Konstantstromquelle]] mit dem Strom ''I''<sub>0</sub> ausgeführt. Der im oberen Bereich angebrachte [[Stromspiegel]] ({{EnS|''current mirror''}}) ergibt einen unsymmetrischen Ausgang, der extern über einen Lastwiderstand beschaltet sein muss, um einen Ausgangsstrom ''I''<sub>a</sub> fließen lassen zu können. Ein Stromspiegel bietet, im Gegensatz zu ohmschen Kollektorwiderständen, den Vorteil eines größeren Differenzverstärkungsfaktors.
[[Datei:Diffential amplifier transimission charackteristic.svg|miniatur|Übertragungskennlinie für Differenzverstärker aus Bipolartransistoren
(I<sub>0</sub>=I<sub>ABC</sub>, I<sub>a</sub>=I<sub>out,</sub> U<sub>e1</sub>=U<sub>in1,</sub> U<sub>e2</sub>=U<sub>in2</sub>)
]]
Bei exakt symmetrischem Aufbau und Differenzeingangspannung von null ist im Idealfall der Strom am Ausgang null. Bei einer von null verschiedenen Differenzspannung stellt sich in guter Näherung der Ausgangsstrom

:<math>I_a = I_{C1} - I_{C2} \approx - I_0 \tanh \left( \frac{U_{e1} - U_{e2}}{2 \, U_T} \right)</math>

mit der [[Temperaturspannung]] ''U''<sub>T</sub> ein. Wenn sich beide Eingangsspannungen ''U''<sub>e1</sub> und ''U''<sub>e2</sub> gleichsinnig ändern, ändert sich der Ausgangsstrom nicht. Nach [[Linearisierung]] vereinfacht sich die Formel wie folgt:

<math>I_a = - I_0 \, \frac{U_{e1}- U_{e2}}{2 \, U_T}</math>

Die Gleichtaktunterdrückung hängt stark von der [[Symmetrie (Geometrie)|Symmetrie]] der Schaltung ab, eine unterschiedliche Temperatur der beiden Transistoren Q1 und Q2 kann sie verschlechtern. Daher werden Differenzverstärker üblicherweise als [[integrierte Schaltung]] aufgebaut, da dann die komplette Schaltung auf einem gemeinsamen [[Die (Halbleitertechnik)|Die]] bei annähernd gleicher Temperatur betrieben werden kann. Der [[Aussteuerungsbereich]] der Schaltung ist kleiner als die Betriebsspannung, weil jeder Transistor eine gewisse Restspannung von etwa 0,6&nbsp;V benötigt, um korrekt zu funktionieren.

=== Feldeffekttransistor ===
[[Bild:MillerOpAmp.png|mini|Miller-Operationsverstärker mit [[MOSFET]]s]]
Ein Differenzverstärker kann ähnlich auch mit [[Feldeffekttransistor]]en oder [[Elektronenröhre]]n aufgebaut werden. Im nebenstehenden Bild wird der Differenzverstärker mit einer Ausgangsstufe (M5) erweitert, man erhält einen Operationsverstärker. Dieser besteht aus
*dem Differenzverstärker M1/M2 am U<sub>in</sub>-Eingang
*dem Stromspiegel M3/M4, dadurch wird auch der Ausgang des Differenzverstärkers unsymmetrisch gemacht.
*einer sehr einfach gehaltenen, unsymmetrischen Ausgangsstufe M5.

Anstelle von Widerständen werden die beiden Konstantstromquellen I1 und I2 verwendet. Alle diese Maßnahmen und die Verwendung von [[Feldeffekttransistor]]en dienen dazu, den Aussteuerungsbereich zu vergrößern.

Diese einfache und in der integrierten Schaltungstechnik viel verwendete Schaltung heißt Miller-Operationsverstärker, weil der [[Millereffekt]] zur [[Frequenzkompensation]], das heißt zur Unterdrückung der Schwingneigung bei hohen Frequenzen verwendet wird. Die Gesamtverstärkung beträgt bei tiefen Frequenzen mehr als 10<sup>5</sup> und sinkt wegen des Millerkondensators mit steigender Frequenz.

== Siehe auch ==
* [[Instrumentenverstärker]]

== Literatur ==
*{{Literatur
|Titel = Analoge Schaltungen
|Autor = Manfred Seifart
|Verlag = VEB Verlag Technik Berlin | Auflage = 3. | Kapitel = Kapitel 4: Differenzverstärker | Jahr = 1989 | ISBN = 3-341-00740-7 }}

== Weblinks ==
* [https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0209091.htm Elektronik-Kompendium (ELKO)]
* [http://www.gaedtke.name/verstaerker/vorverstarker-mit-diskretem-opamp-und-komplementarer-differenz-eingangsstufe Michael Gaedtke: Differenzverstärker mit komplementären Transistoren]
* [http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?genericPartNumber=lm358&fileType=pdf Datenblatt LM358 (Seite 12)], ein typischer Differenzverstärker (englisch)
*[https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/diffamp.htm Beispiele für Differenz-Verstärker, insbesondere auch im Hinblick auf die Gleichtaktunterdrückung, z.&nbsp;B. Bild5 . (Echter Differenzverstärker I, Thomas Schaerer) ] 

{{SORTIERUNG:Differenzverstarker}}
[[Kategorie:Verstärker]]