Differenzverstärker

Differenzverstärker
© Roland Küng, 2009
1
Wozu?
Differentielle Sensoren: Verarbeitung mit Instrumentenverstärker
oder diskreten Differenzverstärkern
2
Instrumentenverstärker
V+
x
Vin
 2 ⋅ R1 
( v in1 − v in2 )
v out = 1 +
R
G 

3
Differentieller Verstärker
2 gleiche Emitterstufen mit gemeinsamen Emitterwiderstand
4
Arbeitspunkt
IE =
I
2
re =
VT 2 ⋅ VT
1
=
≈
IE
I
gm
• Emitterstrom (z.B. Stromquelle) wird auf beide Stufen gleich verteilt
• vCM kann beliebig gross sein und hat keinen Einfluss
5
Single-ended Input
Signal: Single-Ended Q1
Q1 Emitterstufe:
- verstärkt
- invertierend
Q2 wirkt wie Basisstufe: - verstärkt
- nicht invertierend
Signal: Single-Ended Q2
Q2 Emitterstufe:
- verstärkt
- invertierend
Q1 wirkt wie Basisstufe: - verstärkt
- nicht invertierend
Adiff _ out =
RC
re
6
Differential Input
vin = vin1 - vin2
0V
Differential Input: Eingangsspannung aufteilen vin1, vin2
Betrachtung mit korrekter Phasenlage notwendig!
Superposition der Single-ended Input Quellen bestimmen
7
Diff Input Diff Output
Vin wird halbiert
mit RC/re verstärkt
und durch differentiellen Ausgang verdoppelt
Adiff = Ad =
RC
re
8
Einfache AC- Analyse
AC- Betrachtung:
DC-Spannungen werden kurzgeschlossen
Stufen lassen sich in Halbstufen aufteilen
9
Halb-Ersatzbild
Differenzstufe
Gleiche Behandlung wie Kleinsignalersatzbild Emitterstufe
inkl. Miller Effekt, Koppel-C etc.
Ridiff = 2 ⋅ Ri
Ro diff = 2 ⋅ R C
A diff = −gmR C = −
RC
re
10
1. Beispiel
Io = ?
IE = ?
re =?
β = 100
Ridiff =?
Rodiff = ?
Avodiff =?
L: Io = 6.5 mA, re = 7.7 Ω,
Avo = 429, Ri = 1.5 k Ro = 6.6 k
11
2. Beispiel
Ridiff =?
Rodiff = ?
Avodiff =?
500 Ω
β = 100
500 Ω
L: IE = 0.5 mA, re = 50 Ω,
Avo = 10k/200 = 50, Ri = 40 k Ro = 20 k
12
Single-Ended Ausgang
Verstärkung halbiert sich
A diff _ in =
RC
2 ⋅ re
Einfachste Variante: RD (RC) in einem Zweig weglassen und am anderen
Drain- (Kollektor) Spannung abgreifen.
Nachteile: - Bei grossen Verstärkungen RD gross Hohe Speisespannung nötig
- Hälfte der Verstärkung verschenkt
13
Aktive Last
• Strom im Q1 Zweig wird durch Stromspiegel
in Q2 Zweig gespiegelt.
• Wiederum Single-ended Output als Ziel (hochohmig)
Arbeitspunktstrom
Integrationstechnik: Widerstände schlecht, Stromquellen gut
Signalstrom
14
Aktive Last
Signalströme:
Am Ausgang fliessen gmvd
durch eine angeschlossene Last RL
vo = gmRL
Q3 und Q4 sind sehr hochohmig
(Stromquellen)
Sie benötigen aber nur wenige Volt DC
Die Verstärkung der Stufe kann sehr
hoch sein, 1000 und mehr
15
Anwendungen
Sensoren basierend auf Messbrücke (Wheatstone Bridge)
Druck, Feuchte, Temperatur, Vibration, Beschleunigung, chem. Konzentration…
16
Anwendungen
Single-ended Input to differential Output, z.B. viele schnelle A/D-Wandler
17
Simple OpAmp
18
741
A component level diagram of the common 741 op-amp.
Dotted lines outline: current mirrors (red); differential amplifier (blue);
class A gain stage (magenta); voltage level shifter (green); output stage (cyan).
19
Dehnmesstreifen
Anregung mit DC oder AC möglich
VB~
VB~ ⋅ ∆R
V0 =
~ ∆R
2R
Linearity Error
Offset Error
0
0
20
Design und Simulation
Testen sie: DC ?, Av ?, Signalpegel pro Ω Variation ?, Frequenzgang ?
Ersetze sie IS1:
a) 6.8 kΩ Widerstand b) diskrete 2 mA Stromquelle von 0V gegen -15 V
21