Differenzverstärker mit komplementären Transistoren In der Meßtechnik
tritt häufig die Aufgabe auf, eine elektrische Spannung zwischen zwei Punkten zu
messen, die beide gegen Erde Spannungen besitzen, die groß sind gegenüber der zu
messenden Spannung. Diese tritt dann also als Differenz zweier Potentiale auf. Soll
z. B. die Spannung an einer Stelle gemessen werden, die nur über lange Leitungen
zu erreichen ist, beispielsweise in der Elektromedizin an einem schwer'zugänglichen
Punkt mit Hilfe einer Sonde, bedient man sich vorteilhafterweise eines Differenzverstärkers.
Es werden nämlich fast immer in den die Sonde und den Differenzverstärker verbindenden
Leitungen Störspannungen induziert, die viel größer sein können als die zu messenden
Spannungen. Werden die beiden Drähte nahe genug nebeneinander verlegt, dann wird
die Störspannung an den beiden Eingangs-Idemmen des Verstärkers phasengleich auftreten.
Hier bietet ein Differenzverstärker die Möglichkeit, die Spannungsdifferenz trotz
einer hohen induzierten Störspannung zu verstärken und zu messen.Differential amplifier with complementary transistors in measurement technology
often occurs the task of applying an electrical voltage between two points
measure both of which have voltages to earth that are large compared to to
measuring voltage. This then appears as the difference between two potentials. Intended to
z. B. the voltage can be measured at one point, which is only possible over long lines
can be reached, for example in electromedicine at a difficult to access
Point with the help of a probe, it is advantageous to use a differential amplifier.
There are almost always in the connecting the probe and the differential amplifier
Lines induce interference voltages that can be much greater than those to be measured
Tensions. If the two wires are laid close enough to each other, then will
the interference voltage at the two input idems of the amplifier occur in phase.
Here, a differential amplifier offers the possibility of reducing the voltage difference despite
to amplify and measure a high induced interference voltage.
Eine bekannte Ausführung eines Differenzverstärkers ist in F i
g. 1 gezeigt. Die beiden Spannungen ul und ug, deren Differenz verstärkt
werden soll, werden den Transistoren Tl bzw. T2 über die Kondensatoren CB, bzw.
CB, zugeführt. Sind diese beiden Signale u, und U,' gleich groß und gleichphasig
(u, = u, = u), so tritt an den beiden Emitterwiderständen RE,
der beiden Transistoren Tl und T2 eine Spannung uR, = uE, = uE
-- u auf. Diese Spannung bewirkt in beiden Transistoren eine Emitterstromänderung
iE1 = j_P, = 1 . E uE . Da Kollektorstrom- und
Emit-RE1 terstromänderung-etwa gleich groß sind, ergibt sich die Ausgangsspannung:
ua = -ic - Rc #e -iE - Rc -UE _U
* RC REi RE1 Die Verstärkung der gleichphasig auftretenden Signale ist deshalb
ungefähr gleich dem Verhältnis des Kollektorwiderstandes RC zum Emitterwiderstand
R_w,. Da bei einem Differenzverstärker die Forderung besteht, daß gleichphasig auftretende
Signale möglichst wenig verstärkt werden sollen, müssen also die Emitterwiderstände
REI groß sein. Das bedeutet, daß bei gegebenen Emittergleichstrom eine große Speisespannung
- UE benötigt wird. Diese erzeugt aber in den großen Widerständen RE, eine
hohe Verlustleistung. Da die Betriebsspannungen von Transistorschaltungen normalerweise
niedrig sind, kann es auch technisch schwierig sein, eine Spannungsquelle bereitzustellen,
die die erforderliche hohe Spannung UE liefert. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde,
einen Differenzverstärker zu schaffen, der die oben angeführten Nachteile vermeidet.A known embodiment of a differential amplifier is shown in FIG. 1 shown. The two voltages ul and ug, the difference of which is to be amplified, are fed to the transistors T1 and T2 via the capacitors CB and CB, respectively. If these two signals u, and U, 'are of the same size and in phase (u, = u, = u), then a voltage uR, = uE, = uE - u occurs at the two emitter resistors RE, the two transistors T1 and T2 on. This voltage causes a change in the emitter current iE1 = j_P, = 1 in both transistors. E uE . Since the change in collector current and Emit-RE1 are about the same, the output voltage is: ua = -ic - Rc #e -iE - Rc -UE _U * RC REi RE1 The amplification of the signals occurring in phase is therefore approximately equal to the ratio of the collector resistance RC to the emitter resistance R_w ,. Since there is a requirement in a differential amplifier that signals occurring in phase should be amplified as little as possible, the emitter resistors REI must therefore be large. This means that a large supply voltage - UE is required for a given direct emitter current. However, this generates a high power loss in the large resistors RE. Since the operating voltages of transistor circuits are normally low, it can also be technically difficult to provide a voltage source which supplies the required high voltage UE. The invention was based on the object of creating a differential amplifier which avoids the disadvantages mentioned above.
Diese Nachteile werden dadurch beseitigt, daßl die beiden Transistoren
entgegengesetzte Leitfähigkeit besitzen, daß die Serienschaltung aus niederohmigem
Widerstand und Kondensator durch einen Widerstand zur Arbeitspunkteinstellung überbrückt
ist und dem einen der beiden Transistoren an der als Steuereingang dienenden Basis
eine Hilfsspannung zugeführt wird. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an
Hand der F i g. 2 gezeigt. Die Schaltung besteht im wesentlichen aus den
beiden komplementären Transistoren Tl und T2. Die Emitter sind durch die durch den
Widerstand RE, überbrückte Serienschaltung des Widerstandes RE, mit dem Kondensator
Qg verbunden. Am Widerstand Rc wird die verstärkte Differenz der beiden Eingangssignale
u, und u2 abgegriffen. Nimmt man an, daß beide Signale gleich groß und gleichphasig
sind, so sind auch die beiden Emitterwechselspannungen UE, und UE, gleich, so daß
am Widerstand RE, keine Wechselspannung zutritt. Somit ändert sich auch der Emitter-
und damit der Kollektorstrom nicht. Die Verstärkung gleichphasiger Signale ist daher
gleich Null. Die Verstärkung gegenphasiger Signale ist dagegen durch das Verhältnis
des Kollektorwiderstandes Rc zum Emitterwiderstand RE, gegeben (R-w2 «
REJ. Der beiden Transistoren gemeinsame Emitterwiderstand RE, dient in Verbindung
mit den beiden Basiswiderständen Rb, und Rb2 sowie der
Hilfsspannung
+ Ub für den Transistor, Tl zur Einstellung der Arbeitspunkte der Transistoren.
Da -der Verstärkungsgrad der Anordnung für gleichphasige Signale nicht mehr von
der Größe des Emitterwiderstandes R-wl abhängt, muß dieser Widerstand nur so groß
sein, daß bei zulässigen Abweichungen der Transistor-Kenndaten der Kollektorgleichstrom
(Arbeitspunkt) hinreichend konstant bleibt.These disadvantages are eliminated by the fact that the two transistors have opposite conductivity, that the series circuit of low resistance and capacitor is bridged by a resistor for setting the operating point and an auxiliary voltage is supplied to one of the two transistors at the base serving as a control input. An exemplary embodiment of the invention is illustrated with reference to FIGS. 2 shown. The circuit essentially consists of the two complementary transistors T1 and T2. The emitters are connected to the capacitor Qg through the series circuit of the resistor RE bridged by the resistor RE. The amplified difference between the two input signals u and u2 is tapped off at the resistor Rc. If it is assumed that both signals are of the same size and in phase, then the two alternating emitter voltages UE, and UE, are also the same, so that no alternating voltage appears at the resistor RE. This means that the emitter and thus the collector current do not change either. The gain of in-phase signals is therefore zero. The amplification of signals in antiphase, on the other hand, is given by the ratio of the collector resistance Rc to the emitter resistance RE, (R-w2 « REJ. The emitter resistance RE, common to both transistors, is used in conjunction with the two base resistors Rb, and Rb2 as well as the auxiliary voltage + Ub for the transistor , Tl for setting the operating points of the transistors. Since the gain of the arrangement for in-phase signals no longer depends on the size of the emitter resistor R-wl, this resistance only needs to be so large that the collector direct current (operating point ) remains sufficiently constant.
Dadurch läßt sich die Hilfsspannung Ub und damit die Verlustleistung
niedrig halten. Sämtliche Kondensatoren sind so groß gewählt, daß ihr Wechselstromwiderstand
im in Frage kommenden Frequenzbereich vernachlässigbar klein ist.As a result, the auxiliary voltage Ub and thus the power loss can be kept low. All capacitors are chosen so large that their alternating current resistance is negligibly small in the frequency range in question.