Differenzverstärker: Wie Sie die Gleichtaktunterdrückung verbessern

| Autor / Redakteur: Thomas Brand * / Kristin Rinortner

Differenzverstärker: Was präzise angepasste Widerstandsnetzwerke für die Gleichtaktunterdrückung bringen.
Differenzverstärker: Was präzise angepasste Widerstandsnetzwerke für die Gleichtaktunterdrückung bringen. (Bild: VCG)

Dieser Analogtipp beschreibt, wie Sie die Gleichtaktunterdrückung von Differenzverstärkern durch präzise angepasste Widerstandsnetzwerke erhöhen können.

Differenzverstärkerschaltungen wie in Bild 1 werden in der Analogtechnik für unterschiedliche Anwendungen benötigt. Beispielsweise in der Messtechnik, wo u.a. eine extreme Genauigkeit gefordert wird. Damit Sie diese Genauigkeit erreichen, sind neben hochpräzisen Operationsverstärkern auch abgestimmte Widerstände für die Beschaltung entscheidend.

Idealerweise werden die Widerstände bei Differenzverstärkerschaltungen so gewählt, dass deren Verhältnis zueinander identisch ist (R2 / R1 = R4 / R3). Jede Abweichung zwischen diesen Verhältnissen führt zu einem unerwünschten Gleichtaktfehler. Die Fähigkeit eines Differenzverstärkers, diesem Gleichtaktfehler entgegenzuwirken, wird als Gleichtaktunterdrückung (engl. Common Mode Rejection Ratio, CMRR) bezeichnet.

Die Gleichtaktunterdrückung gibt somit an, wie sich die Ausgangsspannung ändert, wenn sich die beiden Eingangsspannungen um den gleichen Betrag ändern. Im besten Fall sollte sich die Ausgangsspannung hierbei nicht ändern, da sie nur von der Differenz der beiden Eingangsspannungen abhängt. In der Praxis sieht es jedoch anders aus. Die Gleichtaktunterdrückung ist also eine wichtige Kennzahl bei Differenzverstärkerschaltungen und wird meist in dB angegeben.

Bei Differenzverstärkerschaltungen wie in Bild 1 wird die Gleichtaktunterdrückung zum einen durch den Verstärker selbst, zum anderen durch die extern beschalteten Widerstände bestimmt. Diese durch die Widerstände bedingte CMRR wird nach Gleichung 1 berechnet.

(Gl. 1)
(Gl. 1)

Wenn Sie Widerstände mit einer Toleranz von 1% (d.h., abgestimmt auf 2%) bei einer Verstärkung von G = 1 verwenden, ergibt sich eine relativ geringe Gleichtaktunterdrückung von 34 dB. Das bedeutet, in diesem Fall kann auch bei einer sehr guten CMRR des Verstärkers keine hohe Genauigkeit erreicht werden, da sich die Kette immer nach ihrem schwächsten Glied richtet. Demzufolge sollten Sie auf die Genauigkeit der gewählten Widerstände achten.

Herkömmliche Widerstände zeigen im praktischen Einsatz keine konstanten Werte. Sie unterliegen mechanischen Belastungen und Temperatureinflüssen. Je nach Anforderung werden Widerstände mit unterschiedlichen Toleranzen oder auch aufeinander abgestimmte Widerstandspaare bzw. -netzwerke eingesetzt, die meist in Dünnschichttechnik gefertigt werden und eine präzise ratiometrische Stabilität bieten.

Mithilfe derartig angepasster Widerstandsnetzwerke wie dem Vierfach-Widerstandsnetzwerk LT5400 kann die Gleichtaktunterdrückung entscheidend verbessert werden. Dieses abgestimmte Widerstandsnetzwerk garantiert durch seine Anpassung über den gesamten Temperaturbereich (engl. Matching) vor allem in Kombination mit Differenzverstärkerschaltungen eine bis zu zwei Mal bessere Gleichtaktunterdrückung als unabhängig angepasste Widerstände. So beträgt das Matching beim LT5400 0,005%, was in einem CMRRR von 86 dB resultiert.

Zur durch die Widerstände bedingten
CMRRR kommt die Gleichtaktunterdrückung des Operationsverstärkers hinzu (CMRROP). Die Gesamt-Gleichtaktunterdrückung CMRRTotal wird bei Differenzverstärkern nach Gleichung 2 berechnet.

(Gl. 2)
(Gl. 2)

Alternativ können auch integrierte Differenzverstärker eingesetzt werden. Diese enthalten den eigentlichen Verstärker und optimal aufeinander abgestimmte Widerstände bereits auf einem Chip. Sie eliminieren alle oben genannten Probleme und bieten eine garantierte Leistungsfähigkeit.

Fazit: Abhängig von den Anforderungen an die Genauigkeit der Differenzverstärkerschaltung sollten Sie die externe Widerstandsbeschaltung sorgfältig auswählen, damit Sie eine möglichst hohe Leistungsfähigkeit ihrer Schaltung erreichen.

* Thomas Brand arbeitet als Field Applications Engineer bei Analog Devices in München.

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Hallo Nostromo, vielen Dank für die weitere Erklärung zu den Kondensatoren. Diese sind...  lesen
posted am 09.02.2019 um 16:08 von Unregistriert

Hallo LH, vielen Dank für Ihren Hinweis. Sie haben Recht, es fehlt die GND-Verbindung zum...  lesen
posted am 08.02.2019 um 15:24 von Unregistriert

Hersteller z. B. Uni-Ohm Bourns KOA Vishay ROHM Yageo IRC  lesen
posted am 08.02.2019 um 10:13 von Unregistriert

Naja, wenn man das Erdungssymbol als Bezugsmasse (Ground) ansieht liegt R4 doch auf GND. Also wird...  lesen
posted am 08.02.2019 um 09:17 von Nostromo

zur Info: ... die Schaltung in Bild 2 besitzt einen Bug! Der Widerstand R4 sollte sicherlich...  lesen
posted am 06.02.2019 um 18:02 von lhow


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