Entwurf eines praktischen Differenzverstärkers mit einstellbarer Verstärkung

Differenz‑Op‑Amp‑Schaltungen

Ein Op‑Amp ohne Rückkopplung ist bereits ein Differenzverstärker, der die Spannungsdifferenz zwischen seinen beiden Eingängen verstärkt. Seine Verstärkung lässt sich jedoch nicht kontrollieren und ist generell zu hoch für praktische Zwecke. Bisher führte unsere Anwendung negativer Rückkopplung auf Op‑Amps zum praktischen Verlust eines Eingangs – der resultierende Verstärker war nur für ein einzelnes Spannungssignal gut. Mit etwas Einfallsreichtum lässt sich jedoch ein Op‑Amp‑Schaltkreis bauen, der beide Spannungseingänge beibehält, aber eine durch externe Widerstände festgelegte, kontrollierte Verstärkung besitzt.

Sind alle Widerstandswerte gleich, hat dieser Verstärker eine differentielle Spannungsverstärkung von 1. Die Analyse entspricht im Wesentlichen der eines invertierenden Verstärkers, mit dem Unterschied, dass der nicht‑invertierende Eingang (+) des Op‑Amps auf einer Spannung liegt, die einem Bruchteil von V₂ entspricht, statt direkt an Masse zu liegen. Wie zu erwarten, fungiert V₂ als nicht‑invertierender und V₁ als invertierender Eingang des endgültigen Verstärkerschaltkreises. Daher gilt:

Wollte man eine differentielle Verstärkung ungleich 1 erreichen, müsste man die Widerstände in beiden oberen und unteren Spannungsteilern anpassen, was mehrere Widerstandsänderungen und ein Abgleichen zwischen den beiden Teilern für symmetrischen Betrieb erfordert. Das ist nicht immer praktikabel.

Eingangsspannungssignal puffern

Eine weitere Einschränkung dieses Verstärkerdesigns ist der vergleichsweise niedrige Eingangswiderstand im Vergleich zu anderen Op‑Amp‑Konfigurationen, insbesondere dem nicht‑invertierenden (eingängigen) Verstärker. Jede Eingangsspannungsquelle muss Strom durch einen Widerstand treiben, was weit weniger Impedanz darstellt als der bloße Eingang eines Op‑Amps allein. Die Lösung ist glücklicherweise einfach: Man „puffert“ jedes Eingangsspannungssignal durch einen Spannungsfolger wie folgt:

Nun sind die V₁‑ und V₂‑Eingangsleitungen direkt mit den Eingängen zweier Spannungsfolger‑Op‑Amps verbunden, was sehr hohen Eingangswiderstand bietet. Die beiden linken Op‑Amps übernehmen nun das Treiben des Stroms durch die Widerstände, statt die Eingangsspannungsquellen (was auch immer sie sein mögen) damit zu belasten. Der erhöhte Schaltungsaufwand ist minimal für einen erheblichen Nutzen.

ZUGEHÖRIGE ARBEITSBLÄTTER:

• Summer und Subtrahierer OpAmp‑Schaltungen Arbeitsblatt

• Grundlagen Operationsverstärker Arbeitsblatt