Differentialverstärker

TEILE UND MATERIALIEN

• Zwei 6-Volt-Batterien
• Zwei NPN-Transistoren – Modelle 2N2222 oder 2N3403 empfohlen (Radio Shack-Katalog Nr. 276-1617 ist ein Paket von fünfzehn NPN-Transistoren, ideal für dieses und andere Experimente)
• Zwei 10 kΩ Potentiometer, Singleturn, Linearkegel (Radio Shack Katalog # 271-1715)
• Zwei 22-kΩ-Widerstände
• Zwei 10 kΩ Widerstände
• Ein 100-kΩ-Widerstand
• Ein 1,5 kΩ Widerstand

Widerstandswerte sind in diesem Experiment nicht besonders kritisch, wurden jedoch gewählt, um eine hohe Spannungsverstärkung für ein „komparatorähnliches“ Differenzverstärkerverhalten bereitzustellen.

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 3, Kapitel 4:„Bipolar-Junction-Transistoren“ Lektionen in elektrischen Schaltungen , Band 3, Kapitel 8:„Operationsverstärker“

LERNZIELE

• Grundlegender Aufbau einer Differenzverstärkerschaltung.
• Arbeitsdefinitionen von Differential und Common-Mode Spannungen

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Diese Schaltung bildet das Herz der meisten Operationsverstärkerschaltungen:das Differentialpaar . In der hier gezeigten Form handelt es sich um einen eher groben Differenzverstärker, ziemlich nichtlinear und unsymmetrisch bezüglich Ausgangsspannung/Eingangsspannung(en).

Mit einer hohen Spannungsverstärkung, die durch ein großes Kollektor-Emitter-Widerstandsverhältnis (100 kΩ/1,5 kΩ) erzeugt wird, fungiert es jedoch hauptsächlich als Komparator:Der Wert der Ausgangsspannung ändert sich schnell, wenn sich die beiden Eingangsspannungssignale der Gleichheit nähern. Messen Sie die Ausgangsspannung (Spannung am Kollektor von Q₂ gegen Masse), da die Eingangsspannungen variiert werden.

Beachten Sie, dass die beiden Potentiometer unterschiedliche Auswirkungen auf die Ausgangsspannung haben:Ein Eingang treibt die Ausgangsspannung tendenziell in die gleiche Richtung (nicht invertierend), während der andere die Ausgangsspannung in die entgegengesetzte Richtung treibt (invertiert). Dies ist die wesentliche Natur eines Differenzverstärkers :zwei komplementäre Eingänge, mit gegensätzlichen Auswirkungen auf das Ausgangssignal.

Idealerweise ist die Ausgangsspannung eines solchen Verstärkers streng eine Funktion der Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen. Diese Schaltung bleibt deutlich hinter dem Ideal zurück, wie selbst ein oberflächlicher Test zeigen wird.

Ein idealer Differenzverstärker ignoriert alle Gleichtaktspannungen , das ist der Spannungspegel, der beiden Eingängen gemeinsam ist. Wenn beispielsweise der invertierende Eingang 3 Volt und der nichtinvertierende Eingang 2,5 Volt beträgt, beträgt die Differenzspannung 0,5 Volt (3 - 2,5), aber die Gleichtaktspannung beträgt 2,5 Volt, da dies der niedrigste Eingangssignalpegel ist.

Idealerweise sollte dieser Zustand die gleiche Ausgangssignalspannung erzeugen, als ob die Eingänge auf 3,5 bzw. 3 Volt eingestellt wären (0,5 Volt Differenz bei einer Gleichtaktspannung von 3 Volt). Diese Schaltung funktioniert jedoch nicht ergeben das gleiche Ergebnis für die beiden unterschiedlichen Eingangssignalszenarien. Mit anderen Worten, seine Ausgangsspannung hängt sowohl von der Differenzspannung und die Gleichtaktspannung.

So unvollkommen dieser Differenzverstärker auch ist, sein Verhalten könnte schlechter sein. Beachten Sie, dass die Eingangssignalpotentiometer durch 22 kΩ-Widerstände auf einen einstellbaren Bereich von ungefähr 0 bis 4 Volt begrenzt wurden, bei einer Versorgungsspannung von 12 Volt.

Wenn Sie sehen möchten, wie sich diese Schaltung ohne Eingangssignalbegrenzung verhält, umgehen Sie einfach die 22-kΩ-Widerstände mit Überbrückungsdrähten, um den vollen Einstellbereich von 0 bis 12 Volt von jedem Potentiometer aus zu ermöglichen. Machen Sie sich keine Sorgen über übermäßige Hitzeentwicklung beim Einstellen der Potentiometer in dieser Schaltung!

Im Gegensatz zur Stromspiegelschaltung ist diese Schaltung durch den Emitterwiderstand (1,5 kΩ) vor thermischem Durchgehen geschützt, der nicht genügend Transistorstrom zulässt, um Probleme zu verursachen.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt für Differenztransistorverstärker