Differenzverstärker Erklärung

[ChPuls]

Hallo,

ich habe mir das Buch "Halbleiter-Schaltungen" von Tietze geholt und komme da bei dem Differenzverstärker nicht weiter.
Ich verstehe nicht wie die Ausgangsströme an den entsprechenden Ausgängen entstehen. Im Tietze wird es nicht richtig erklärt, es werden nur die Formeln für die Spannungen und Stromstärken erklärt. Das ist mir aber klar bzw. ich kann es so hinnehmen.

Aber wie entsteht wirklich die Stromrichtung an den Ausgängen?

Ich habe mal ein Bild eines Differenzverstärkers hier eingefügt (sogar mit dieser Susy-Schaltung hier als Verbindung zwischen den Source-Anschlussen mit dem 124 Ohm Widerstand)



Also wie fließt der Strom, wenn zB der linke Transistor zu ist, besser warum ist es so?
Mein Erklärungsversuch: Wenn der linke Mosfet zu ist, ist der rechte offen und es fließt vom Minus-pol des Netzteils Strom durch den rechten Mosfet zu +Out und wieder durch -Out zurück zum + Pol des Netzteils. Wenn der linke Mosfet offen ist, ist alles genau umgekehrt. Wenn kein Stromfließt verhindern die 10uF Kondensatoren, dass der Gleichstrom des Netzteils in die nächste Stufe fließt.
Und wozu sind die 100k Ohm Widerstände gegen Masse?

Ich brauche nochmal eine Buchempfehlung.

[Killigrew]

Hi

Sowas in nem Forum zu erklähren macht meiner Ansicht nach wenig Sinn, bzw. ist ziehmlich kompliziert.

Ich kann dir nur folgendes raten, lad dir ein freies Spice Programm wie pSpice oder SwitcherCAD runter und Simulier die sachen, dann bekommt man ein ganz gutes verständnis wie was funktioniert.
Tutorials zu den Programmen gibts auch im Netz.

Ach, und sei nicht frustriert wenn es mit dem Verständnis etwas länger dauert,
Manch ein E-Technik Student versteht sowas nicht, selbst wenn er schon beim schreiben der Diplomarbeit ist ^^

cu

[BN]

Ich brauche nochmal eine Buchempfehlung.

Du hast schon das richtige Buch. Um den Differenzverstärker zu verstehen, mußt Du aber zunächst die Emitterschaltung (bei Bipolartransistoren) intus haben. Die steht ein paar Seiten vorher beschrieben. Dort wird die Wirkungsweise des Transistors auch etwas anschaulicher erklärt.

Die beiden Kondensatoren dienen lediglich zur Auskopplung der Wechselspannung, d.h. der Gleichspannungsanteil an den Drainwiderständen wird herausgefiltert, die 100k Widerstände legen das Bezugspotential der Ausgangsspannung fest. Diese Bauteile sind für das Verstehen der Schaltung nicht so wesentlich.

Grüße
Bernhard

[ChPuls]

Ich werde mir nochmal den Tietze zu Gemüte führen.

Eine andere Beschreibung eines Differenzverstärkers ist unter folgender Internetadresse zu finden:
http://www.raumfahrtkommando.de/BPT-...erstaerker.pdf

[Calvin]

Hi,

alzu kompliziert ist das nicht. Allerdings halte ich das hier gezeigte Beispiel nicht für einen Differenzverstärker und zwar aus folgendem Grund:
Wichtig für einen Differenzverstärker ist, daß die Stromsumme durch rechten und linken Zweig konstant bleibt.
Dazu müsste der 22,1Ohmer nach -60V als Stromquelle arbeiten, also entweder ein hochohmiger R sein, oder als transistorisierte Stromquelle aufgebaut sein (nebenbei: der hohe Widerstandswert ´isoliert´ die Schaltung gegen Störungen auf den Betriebsspannungen). Das ist hier mit 22,1Ohm aber nicht der Fall. Insofern würde ich von zwei nahezu unabhängigen Sourceschaltungen sprechen, die nur gegenphasig angesteuert werden, aber weitestgehen unabhängig voneinander arbeiten.
Nehmen wir aber mal an, daß jener R eine Konstantstromquelle ist.
Ein Teilstrom fliesst dann einmal über den linken Zweig. An den 2* 750Ohmern fällt eine Spannung ab, dafür sorgt, daß der Sourceanschlusss positiver als das Gate ist, weil das Gate über die 100kOhm quasi Masse sieht. Die in den Datenblättern genannte Ugs (Gate-Source-Spannung) ist also negativ. Bei N-Kanal Anreicherungs-MOSFETs steuert der MOSFET ab einer bestimmten negativen Gate-Source-Spannnung auf und zwar umso stärker je größer der Betrag der Ugs ist. Der Betrag der Ugs ergibt sich aus dem Produkt des halben Stroms der Stromquelle (wenn beide Zweige gleich aufgebaut sind) und dem Widerstandswert. Da über das Gate vernachlässigbar kleine Ströme ab- oder zufliessen (im Gegensatz zu bipolaren Transen) fliesst praktisch der komplette Strom weiter Richtung +60V und erzeugt an dem 750Ohmer einen Spannungsabfall. Das gleiche passiert beim rechten Zweig. Die messbaren Spannungen und Ströme sind die Ruhewerte, Biaswerte, Vorspannungen.
Wird nun an den Eingang eine Spannung ungleich Null (Massebezug) angelegt, dann ändert sich die Ugs. Ein positiver Puls verringert den Betrag der Ugs, der FET steuert auf, es fliesst ein größerer Strom, der wiederum für einen größeren Spannungsabfall am oberen 750er sorgt. Gegenüber dem Ruhepotential ist die Spannung am Knoten Drain, 750R und 10µF niedriger geworden. Auf der Ausgangsseite des 10µF, der den Gleichspannungsanteil wegnimmt, geht die Ausgangssignalspannung ins negative. Das Eingangssignal und das Ausgangssignal sind also gegenläufig.
Was passiert nun im zweiten Zweig? Die Stromquelle treibt einen konstanten Strom, der sich in den linken und rechten Zweig aufteilt. Ändert sich der Strom durch den linken Zweig aufgrund anliegender Signalspannung, dann ändert sich der Strom im rechten Zweig gegenläufig. Damit ändert sich der Spannungsabfall über den rechten 2*750Öhmern und damit die Ugs (das Gate liegt ja quasi an Masse). Im Beispiel des positiven Pulses am linken Eingang wird der Strom kleiner und der Betrag von Ugs größer. Der Spannungsabfall über den oberen 750er wird geringer, die Ausgangsspannung nach dem 10µF wird größer.
Die Eingangsspannung links und die Ausgangsspannung rechts sind in Phase, die Ausgangspannung links ist in Gegenphase.
Voraussetzung ist halt ein möglichst konstanter Strom (konstante Stromsumme). Wird auch noch das rechte Gate durch eine dem linken Signal gegenphasige Spannung angesteuert, dann verdoppelt sich der Effekt.
Die niederohmige ´Stromquelle´ der Pass-Schaltung ist also sehr unvollkommen. Daher würde ich die Schaltung nicht als Differenzverstärker bezeichnen, sondern als lose miteinander verknüpfte Sourceschaltungen. Pass selbst bezeichnet die Schaltung ja ebenfalls nicht als Difference-Amplifier, sondern als Balanced Line Stage. Erno Borbely bezeichnete das als Balanced Single Ended Stage (wobei Borbely tatsächlich Stromquellen im Sourcekreis einsetzt, also einen echten Differenzverstärker aufbaut). Die Seiten von Borbely.com sind übrigens sehr lesenswert für ein Verständnis dieser Grundschaltung ("JFETs The new frontier I and II")

jauu
Calvin

[PeterG]

Link

Hi,

ich finde es immer nett, wenn ich nicht ewig die links suchen muß......

http://www.borbelyaudio.com/adobe/ae599bor.pdf
http://www.borbelyaudio.com/adobe/ae699bor.pdf


bzw.: http://www.borbelyaudio.com/ dort die pdfs finden ?


MfG
Peter

[ChPuls]

Ich habe ja den "Tietze". Ich brauche also keine Internetquellen.

Ich muss mir nochmal im Buch die Emitterschaltung anschauen.

Aber diese Susy-Schaltung, die ich auch verstehen will, wird da nicht erklärt.

Die Schaltung muß ich wohl auch noch in Pspice simulieren.

[ChPuls]

Ich habe im Internet eine gute Erklärung gefunden. Es wird aber auch da nicht der Kern des Differenzverstärkers erklärt, warum man keine "Mindest-Schwellenspannung" braucht.

http://www.elektroniktutor.de/analog/diffampl.html




"Die Eingangsspannung ue1 teilt sich gleichmäßig auf beide Basis-Emitterstrecken der Transistoren auf. Damit ist gezeigt, dass der Eingangswiderstand rBE von V2 der wirksame Emitterwiderstand für V1 ist. Er liegt für das Signal parallel zum gemeinsamen Emitterwiderstand, da für Wechselspannung die Betriebsspannung als Masse angesehen werden kann. Die Differenzausgangsspannung ist doppelt so groß wie die Kollektorspannungsänderung in jedem der beiden Zweige.

Bei symmetrischer Ansteuerung wird die Differenz der Eingangsspannungen verstärkt. Sowohl ue1 als auch ue2 teilt sich wie oben gezeigt gleichmäßig auf beide Basis-Emitterstrecken auf. Da sie aber zueinander um 180° phasenverschoben sind, entspricht die uBE-Differenzspannung wieder der Eingangsspannung. In beiden Zweigen arbeiten die Transistoren in Bezug auf das Ausgangssignal in Emitterschaltung. Gewöhnlich sind die Spannungen auf Masse bezogen. Die Berechnung der Spannungsverstärkung vU des Differenzverstärkers wird für eine auf Masse bezogene Ausgangsspannung ua1 oder ua2 durchgeführt. "

PS: Ich habe nochmal aus dem "Tietze" die Kennlinie eines Differenzverstärkers hinzugefügt.
Wie man sieht gibt es keine Schwellenspannung mehr, das ist ja auch das Ziel eines Differenzverstärkers. Ich denke, man darf einen Differenzverstärker nicht als zwei Emitterschaltungen verstehen, sondern muß sich ihn auch als eine Kollektor und Basisschaltung verstehen.

[BN]

PS: Ich habe nochmal aus dem "Tietze" die Kennlinie eines Differenzverstärkers hinzugefügt.
Wie man sieht gibt es keine Schwellenspannung mehr, das ist ja auch das Ziel eines Differenzverstärkers. Ich denke, man darf einen Differenzverstärker nicht als zwei Emitterschaltungen verstehen, sondern muß sich ihn auch als eine Kollektor und Basisschaltung verstehen.

Es ist ein wenig anders. Es wäre schon sehr unpraktisch, wenn das Eingangssignal größer als die Transistor-Schwellenspannung werden müßte damit der Transistor leitend wird, denn damit wäre es unmöglich sehr kleine Spannungen zu verstärken. Deshalb wird in typischen Verstärkerstufen ein Transistor so beschaltet, daß zwischen Basis und Emitter schon eine Spannung anliegt, wenn noch gar kein Eingangssignal vorhanden ist. Diese Basis-Emitterspannung (gelegentlich auch als Basisvorspannung bezeichnet) ist etwas größer als die Schwellenspannung. Sie wird so festgelegt, daß der Transistor nicht nur ein bißchen leitet, sondern daß sich ein definierter Kollektorstrom einstellt. Das Ganze nennt sich dann Arbeitspunkteinstellung. Die Arbeitspunkteinstellung ist sehr wesentlich für eine Verstärkerstufe. Damit wird nicht nur die Aussteuerbarkeit festgelegt sondern auch solche Geschichten wie Verstärkungsfaktor, Rauschverhalten oder Hochfrequenzeigenschaften beeinflußt.

Wenn aber die Schwellenspannung schon durch die Arbeitspunkteinstellung berücksichtigt ist, dann tritt sie beim Anlegen des Eingangssignals nicht mehr in Erscheinung. Bei typischen Vorverstärkerschaltungen ist der Arbeitspunkt so gewählt, daß der Transistor durch ein "normales" Eingangssignal nicht in den Sperrbereich gebracht werden kann.

In der Abbildung 4.54 entspricht der Arbeitspunkt dem Kreuzungspunkt in der Mitte; dort ist auch der Arbeitsbereich "Betrieb als Verstärker" eingetragen und es ist klar, daß in diesem Bereich beide Transistoren immer leiten, so daß Schwellenspannungen keine Rolle spielen.

Aber wie gesagt, die Kompensierung der Schwellenspannung ist keine Besonderheit des Differenzverstärkers sondern findet sich bei fast allen Verstärkerschaltungen, selbst bei Gegentakt-Endverstärkern. Dennoch funktionieren Gegentaktendstufen ein wenig anders.

Grüße
Bernhard

[ChPuls]

Der Knackpunkt ist, wie der Arbeitspunkt hier eingestellt wird, denn es gibt keine Vorspannung an der Basis.
Die Arbeitspunkteinstellung bei einer gewöhnlichen Emitter-Schaltung ist mir auch klar.
Ich habe im "Tietze" die ganzen Grundschaltungen inklusive aller möglichen Vorspannungen bzw. Arbeitspunkteinstellungen durchgelesen. Das ist ja auch nicht so schwer.

Das Geheimnis muss wohl in der Stromquelle liegen, die irgendein Potential anhebt bzw. die Ausgangskennlinie verschiebt, so dass man eben doch keine Mindesteingangsspannung braucht und eben auch keine Vorspannung an der Basis der Transistoren.
Man kann die Schaltung als zwei Emitter-Schaltungen verstehen aber auch als eine kaskadierte Kollektor- und Basis-Schaltung, da liegt vermutlich der Schlüssel. Denn bei Basisschaltungen fängt die Ausgangskennlinie bzw. Übertragungskennlinie im negativen Bereich an und so lässt sich auch wohlmöglich die Übertragungskennlinie(-n) des Differenzverstärkers erklären.
Ich kann noch nicht einmal nachvollziehen wie man oben im Bild mit den vielen Diagrammen auf die einzelnen Spannungen und Stromstärken gekommen ist.
Normale Schaltungen kann ich berechnen und nach dem Tietze könnte ich auch einen Differenzverstärker konstruieren, aber wirklich durchdrungen habe ich es nicht.

Bitte Bernhard, wenn du das mal Schritt für Schritt mit Formeln bzw. den Werten vorrechnen könntest, würde ich es vermutlich verstehen.

PS: Ich glaube ich habe jetzt kapiert, dass doch nur Kollektorwiderstände für den Ruhestrom bzw. Arbeitspunkteinstellung reichen.
Auf der von mir zitierten Seite http://www.elektroniktutor.de/analog/diffampl.html findet man weiter unten auch einen Differenzverstärker mit einer besseren Konstantstromquelle wie sie im Buche (auch dem "Tietze") steht. Es werden da auch alle Werte genau vorgerechnet und erklärt und nachher etwaige Abweichungen bei einer Messung erklärt.

[Calvin]

Hi,

der Knackpunkt im Verständnis könnte sein, daß Du bestimmte Werte als konstant annimmst, die es nicht sind. Konkret: der Knotenpunkt der Emitter von V1 und V2 mit dem Kollektor von V3 (bzw. 6,8kOhm). Dieser Punkt liegt spannungsmäßig nur DC-mäßig fest, nicht jedoch AC-mäßig, wie die Angabe -0,734V suggerieren mag. Bei einem bestimmten Strom durch V1/V2 stellt sich eine bestimmte Ube ein. Bei Ansteuerung mit einem Signal reitet der Knotenpunkt V1-V2-V3 synchron mit dem Signal um diesen Ube-Wert.

jauu
Calvin

[ChPuls]

@Calvin
Was ist eigentlich die Stromstärke I"0" die unter der Abbildung mit der Kennlinie angegeben ist?
Ja, du hast recht mich macht der Ube stutzig, da er ja normalerweise die Schwellenspannung angibt und bei einem Bipolaren-Transistor ca. 0,7 Volt beträgt, also mindestens 0,7 Volt an der Basis anliegen müssen damit sich der Transistor nur ein wenig öffnet. Offenbar ändert hier die Stromquellen den Ube.
Die Ube ändert sich doch nicht bei Wechselspannung, die ist doch immer gleich?!

Calvin, Du schriebst ja auch:

"An den 2* 750Ohmern fällt eine Spannung ab, die dafür sorgt, daß der Sourceanschlusss positiver als das Gate ist, weil das Gate über die 100kOhm quasi Masse sieht. Die in den Datenblättern genannte Ugs (Gate-Source-Spannung) ist also negativ."

Also wird die Kennlinie des Verstärkers in den negative Bereich gezogen?
Das würde alles erklären!

[Calvin]

Hi,

I0 sollte der Ruhestrom sein, entsprechend Ie.
Genau genommen müssen nicht 0,7V an der Basis anliegen sondern eine Spannungsdifferenz von 0,7V gemessen von der Basis zum Emitter. Die Spannung von der Basis nach Masse kann ja eine gänzlich andere sein.
Die Ube oder Ugs gibt ausschließlich die Spannung zwischen Basis und Emitter bzw. Gate und Source an, die nötig ist, damit der Transistor aufsteuert. Die kann positiv oder negativ sein, je nach Typ (bei FETs muss zusätzlich beachtet werden, daß es Anreicherungs- und Verarmungs-Typen gibt). Eine negative Ugs bedeutet bspweise bei einem N-channel JFET, daß die Source positiv gegenüber der Gate-Spannung ´reitet´.
Zum Verständnis hilft es wirklich sehr sowas in LTSpice o.Ä. zu simulieren

jauu
Calvin

Hier das LTC-script für die Schaltung (in Editor kopieren und als Differenzverstärker.asc speichern und mit LTC öffnen)

Version 4
SHEET 1 2124 680
WIRE 384 -96 176 -96
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WIRE 176 -64 176 -96
WIRE 384 -64 384 -96
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WIRE 176 112 176 16
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WIRE 1120 112 1120 16
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WIRE 1872 112 1872 16
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WIRE 112 160 0 160
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WIRE 1616 176 1504 176
WIRE 1984 176 1920 176
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[ChPuls]

Danke Calvin, dass Du Dir die Mühe gemacht hast.

Ich habe mir alles in LTSpice jetzt angeschaut. Jedoch sieht man wieder nur Zahlenwerte, die ich mir größtenteils auch schon vorher ausrechen konnte.

Ich glaube, ich könnte es mit dem "Bändermodell" verstehen, also mit dem Valenzband und Leitungsband, und wie diese sich bei einem anliegendem Strom verändern.
Damit kann man dann auch zB Ube erklären und warum man dann keine positive "Mindest-Spannung" mehr braucht.

[Calvin]

Hi,

wenn Du die Transientenanalyse bei LTC wählst und Dir dann mal anschaust, wie sich die Basis-, die Emitter- und die Kollektorspannungen (resp. Gate-, Source- und Drain-Spannung) verhalten, siehst Du wenig Zahlen, dafür mehr Kurven
Dann sollte Dir schnell klar werden, wie sich das mit der Ube verhält. Insbeondere bei dem Vergleich zwischen bipolarem und JFETDiff-amp (hier positive Ube -->Ue negativer als Ub bzw. negative Ugs -->Us positiver als Ug)

Bild1: Schaltplan. a) bipolarer Diff-Amp mit Transistorstromquelle | b) bipolarer Diff-Amp mit Widerstandsstromquelle | c) JFET-Diff-Amp mit Transistorstromquelle
Bild2: Ub (Vin), Ue und Uc von Schaltung a), sowie Ug (Vin), Us und Ud von Schaltung c) | Die Emitter von a) liegen negativer als Ub, die Sources von c) positiver | Es ist auch deutlich die geringere Steilheit der JFETs zu erkennen an dem kleineren Verstärkungsfaktor (geringere Amplitude von Ud verglichen mit Uc)
Bild 3: Nochmal Ub,bzw. Ug (Vin), sowie Ue und Us Es ist deutlich das synchrone um Ube bzw Ugs versetzte Verhalten von Ue und Ug im Verhältnis zur Ub/Ug (Vin) zu sehen
Bild4: Die Sröme der Stromquellen von a) und c) sind nahezu identisch. Unterschiede sind hier durch den anderen Transistortyp bedingt. Deutlich zu erkennen, daß der Strom im Widerstand von b) stärker schwankt, also keine so gute Konstantstromquelle darstellt, wie die transistorisierten Quellen.

Anm. Indizes: b-Basis e-Emitter c-Kollector g-Gate s-Source d-Drain

jauu
Calvin