Differenzverstärker
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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