Hochverstärkender Differenzverstärker als Operationsverstärker (Op-Amp) aufbauen

Bauteile & Materialien

• Zwei 6-Volt-Batterien
• Vier NPN-Transistoren – Modelle 2N2222 oder 2N3403 (Radio Shack #276-1617 bietet praktisches 15er-Pack NPN)
• Zwei PNP-Transistoren – Modelle 2N2907 oder 2N3906 (Radio Shack #276-1604 bietet 15er-Pack PNP)
• Zwei 10-kΩ-Potentiometer, eingängig, linear (Radio Shack #271-1715)
• Ein 270-kΩ-Widerstand
• Drei 100-kΩ-Widerstände
• Ein 10-kΩ-Widerstand

Querverweise

Lessons In Electric Circuits, Band 3, Kapitel 4 „Bipolar Junction Transistors“ und 8 „Operational Amplifiers.“

Lernziele

• Einen Differenzverstärker entwerfen, der Stromspiegel nutzt
• Erforschen, wie negative Gegenkopplung das Verhalten eines hochverstärkenden Differenzverstärkers formt

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

Dieses Design verfeinert den früheren Differenzverstärker, indem es Spannungsfallwiderstände durch Stromspiegel-Netzwerke ersetzt, was höhere Spannungsverstärkung und vorhersehbarere Leistung liefert.

Mit seiner gesteigerten Verstärkung kann die Schaltung als funktionaler Operationsverstärker (Op-Amp) betrieben werden. Op-Amps sind der Grundstein moderner Analogelektronik, weshalb das Verständnis ihrer internen Struktur unschätzbar wertvoll ist.

Das PNP-Paar Q1 und Q2 bildet einen Stromspiegel, der die Ströme durch das Differentialpaar Q3 und Q4 balanciert. Das NPN-Paar Q5 und Q6 stellt einen zweiten Stromspiegel bereit, der den Gesamtdifferentialpaar-Strom über den programmierbaren Widerstand R_prg festlegt.

Messen Sie die Ausgangsspannung (Kollektor von Q4 relativ zur Masse) während Sie die beiden Eingangsspannungen variieren. Beachten Sie, dass ein Potentiometer als nicht-invertierender Eingang fungiert, das andere als invertierender Eingang.

Der Ausgang reagiert am stärksten, wenn die beiden Eingänge nahezu gleich sind – dies ist der Differenzmodus. Sobald dieses Verhalten bestätigt ist, kann die Schaltung als echter Op-Amp genutzt werden. Ein klassisches erstes Experiment ist die Spannungsfolger-(Puffer-)Konfiguration.

Für einen Spannungsfolger verbinden Sie den Ausgang des Verstärkers direkt mit seinem invertierenden Eingang – verbinden Sie also Kollektor und Basis von Q4 und ignorieren Sie das invertierende Potentiometer.

Das Op-Amp-Symbol zeigt den nicht-invertierenden (+) und invertierenden (−) Eingang sowie den Ausgangsscheitelpunkt. Die rote Spur repräsentiert die Rückführschleife. Im Spannungsfolger sollte der Ausgang dem Eingang auf wenige Hundertstel Volt genau folgen.

Eine anspruchsvollere Anordnung ist der nicht-invertierende Verstärker, bei dem zwei gleich große Widerstände in der Rückführung eine Verstärkung von genau zwei festlegen.

Beim Testen können Sie kleine Abweichungen zwischen gemessenem und erwartetem Ausgang sehen – meist wenige Hundertstel Volt. Diese resultieren aus Unvollkommenheiten im Differentialpaar und lassen sich durch zusätzliche Verstärkerstufen oder Feinabstimmung von R_prg reduzieren.

Probieren Sie verschiedene R_prg-Werte von 10 kΩ bis 1 MΩ. Vermeiden Sie Widerstände unter 10 kΩ, um Thermal Runaway in den Stromspiegel-Transistoren zu verhindern.

Einige kommerzielle Op-Amps legen einen programmierbaren Stromspiegel-Punkt frei, der es Nutzern erlaubt, den internen Bias genau wie R_prg einzustellen. Die meisten werksgefertigten Op-Amps haben diesen Bias jedoch durch einen präzise getrimmten Widerstand fixiert.