<Desc/Clms Page number 1>
Schaltungsanordnung zur Kompensation der Fehlereingangsströme mehrerer gleichartig aufgebauter Gleichspannungs-, vorzugsweise Operationsverstärker
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Kompensation der Fehlereingangsströme mehrerer gleichartig aufgebauter Gleichspannungs-, vorzugsweise Operationsverstärker bei gleichen Temperatur-und Betriebsspannungsschwankungen.
Operations-Verstärker, die in der analogen Rechentechnik oder in industriellen Datenverarbei- tungs-Systemen eingesetzt werden, haben zwei grundsätzliche Fehlerquellen, u. zw. die auf den Eingang bezogene Fehler-Driftspannung und als zweite den Fehlereingangsstrom selbst. Beide Fehlerquel- len bestimmen massgeblich die Funktionsgenauigkeit des Operationsverstärkers. Es müssen daher für beide Fehlerquellen besondere schaltungstechnische Vorkehrungen getroffen werden, die die unvermeidlichen Fehler auf eine zulässige Grösse eindämmen.
Der unvermeidliche Fehlereingangsstrom eines Operationsverstärkers ist durch die physikalische Wirkungsweise der in ihm enthaltenen aktiven Verstärkerelemente bedingt. Im Prinzip jedoch weisen alle bekannten aktiven Verstärkerbauelemente, wie Verstärkerröhren und die verschiedenen HalbleiterBauelemente Fehlereingangsströme auf, die sich nur jeweils nach dem verwendeten Bauelementetyp in der absoluten Grösse des Fehlereingangsstroms unterscheiden. Der Fehlereingangsstrom eines Operationsverstärkers erzeugt eine Fehlerausgangsspannung UA, die dem Produkt aus Rückführwiderstand RK und Fehlereingangsstrom iF gleich ist.
EMI1.1
Besonders kritisch ist der Effekt des Fehlereingangsstromes bei einem Operationsverstärker in Integratorschaltung ; hiebei wird die Fehlerspannung am Ausgang mit dem Fehlerstrom iF und der Rückführkapazität C :
EMI1.2
DieFehlerspannung uA am Ausgang ist also eine von der Zeit t abhängige Grösse und kann daher bei einer längeren Integrationszeit beträchtliche Werte annehmen.
<Desc/Clms Page number 2>
Nach dem Stand der Technik gibt es mehrere Methoden der Fehlereingangsstromkompensation.
Z. B. wird einem Operationsverstärker über einen konstanten Widerstand, der an einer konstanten Spannung liegt, ein Strom auf die Eingangsklemme zugeführt, der dem Betrag des Fehlers gleich, in seiner Richtung aber umgekehrt ist, so dass eine Kompensation des Fehlerstromes erfolgt.
Nach einer weiteren bekannten Methode wird bei Operationsverstärkern mit Differential-Eingangsstufe die positive Eingangsklemme über einen Widerstand RK an Erde gelegt, der den Wert
EMI2.1
hat, wobei Ro die Rückführimpedanz im Gegenkopplungszweig und Ri die Eingangsimpedanz des Ge- genkopplungs-Netzwerkes darstellt. Bei diesem Verfahren wird die Voraussetzung gemacht, dass der Fehlereingangsstrom derbeiden aktiven Verstärkerelemente der Eingangsverstärkerstufe annähernd gleich ist.
Nach einem weiteren bekannten Verfahren wird der Operationsverstärker durch einen RC-Hochpass gleichstrommässig von seiner Eingangsklemme durch einen hochwertigen Koppel-Kondensator isoliert, so dass kein Fehlerstrom auf die Eingangsklemme gelangen kann. Es muss dann ein zusätzlicher Gleich- spannungskanal durch einen Modulationsverstärker mit niedriger Grenzfrequenz geschaffen werden, in der Art der bekannten zerhackerstabilisierten Gleichspannungsverstärker in Goldbergschaltung. Der Ein- gangsmodulator solch eines zusätzlichen Modulationsverstärker ist dabei so ausgelegt, dass er einen vertretbar kleinen Fehlerstrom auf die Verstärkereingangsklemme fliessen lässt.
Die Methode der Einspeisung eines konstanten Kompensationsstromes auf den Verstärkereingang kann nicht durch schwankende Betriebsspannungen oder Umgebungstemperaturen hervorgerufene Ände- rungen des Fehlereingangsstromes berücksichtigen. Die indirekte Methode der Fehlerstromkompensation durchdieErdung der zweiten Eingangsklemme einer Differential-Eingangsstufe mittels eines Kompensa- tionswiderstandes RK hat den Nachteil, dass der Widerstand RK von der Eingangs- und Rückführimpe- danz abhängt. Solch ein Verstärker ist nicht ohne weiteres frei programmierbar, es sei denn, man verwendet jeweils die doppelte Anzahl von Rechenimpedanzen, einmal für den Gegenkopplungszweig und einmal zur Fehlerstromkompensation.
Die dritte Methode, die Verwendung eines abgeblockten Gleichspannungsverstärkers mit einem zusätzlichen Zerhackerverstärker in Goldbergschaltung hat vom technischen Standpunkt keine der oben dargestellten Nachteile. Hier liegt der Nachteil mehr auf ökonomischem Gebiet, da sich der technische Aufwand gegenüber einem einfachen Verstärker annähernd verdoppelt.
Zweck der Erfindung ist die Herabsetzung des technischen Aufwandes und des Preises bei der Erzielung einer freien Programmierbarkeit mehrerer gleichartig aufgebauter Gleichspannungs- vorzugsweise Operationsverstärker.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kompensation des Fehlereingangsstromes für gleichzeitig mehrere Verstärker zu schaffen, bei dem sowohl temperatur- wie auch betriebsspannungsbedingte Änderungen des Fehlereingangsstromes berücksichtigt werden, wobei die freie Programmierbarkeit der stromkompensierten Verstärker voll erhalten bleiben soll und dabei der zusätzliche technische Aufwand pro Verstärker gering bleibt.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Ausgang eines gleichen zusätzlichen Verstärkers mit seinem Eingang durch einen Rückführwiderstand verbunden ist, und dass Summierpunkt mehrerer Operationsverstärker durch jeweils einen Kompensationswiderstand mit dem Ausgang des glei- chen zusätzlichen Verstärkers verbunden sind. Hiebei wird der zusätzliche Verstärker durch einen reellen Widerstand vom Ausgang auf die Eingangsklemme überbrückt. Der Fehlereingangsstrom der Zusatzver- stärkererzeugt am Ausgang desselben eine Spannung, die dem Produkt aus Rückführwiderstand mit Fehlerstrom proportional ist.
Verbindet man die Eingangsklemmen der übrigen Verstärker mit dem Ausgang des Zusatzverstärkers überjeweils einem Kompensationswiderstand, der die Grösse des Rückführwiderstandes des Zusatzverstärkers hat, dann fliesst auf die Eingangsklemmen der einzelnen Verstärker ein Kompensationsstrom, der dem Fehlereingangsstrom des jeweiligen Verstärkers gleich ist, aber die entgegengesetzte Stromrichtung hat, und somit den ursprünglichen Fehlerstrom kompensiert.
Die erfindungsgemässe Lösung der Fehlereingangsstrom-Kompensation hat zur Voraussetzung, dass die Fehlereingangsstrom-Grundwerte der einzelnen Verstärker absolut gleich sind, was in der Praxis schwererfüllbar ist. Nach einem weiteren Merkmal der erfindungsgemässen Lösung sind daher die Kom-
<Desc/Clms Page number 3>
pensationswiderstände der einzelnen Verstärker nicht gleich dem Festwert des Rückführwiderstandes des
Zusatzverstärkers sondern regelbar und grösser oder kleiner als der Rückführwiderstand des Zusatzverstär- kers einstellbar, je nachdem ob der Fehlereingangsstrom des jeweiligen Verstärkers grösser oder kleiner als der Fehlereingangsstrom der Zusatzverstärker ist.
Nach einem weiteren erfindungsgemässen Merkmal i kann der Kompensationsabgleich des Fehlereingangsstroms der einzelnen Verstärker auch dadurch vor- genommen werden, dass die Ausgangsspannung des Zusatzverstärkers für jeden Einzelverstärker überet- nen einstellbaren Spannungsteiler mit nachgeschaltetem festen Kompensationswiderstand eingestellt wer- den kann.
Die verschiedenen Fehlereingangsströme z. B. bei Transistor-Operationsverstärkern sind auf die un- ) terschiedliche Stromverstärkung--B-der Eingangstransistoren zurückzuführen. Nach einem weiteren er- findungsgemässen Merkmal ist der Kollektorwiderstand des jeweiligen Eingangstransistors reziprok zu seiner Stromverstärkungsabweichung --B-- zum Eingangstransistor der Zusatzverstärker einstellbar.
Durch diese Massnahme ist auch bei Eingangstransistoren mit unterschiedlicher Stromverstärkung ein gleicher Fehlereingangsstrom erzielbar. In diesem Fall kann der individuelle Fehlerstromabgleich ausserhalb des Verstärkers entfallen.
Um bei Transistor-Operationsverstärkern auch bei verschiedenen Umgebungstemperaturen eine ge- naue Fehlereingangsstrom-Kompensation zu erhalten, muss der Zusatzverstärker mit dem kompensierten
Verstärker so räumlich angeordnet sein, dass alle Eingangsstufentransistoren den gleichen Temperatur- schwankungen unterliegen. Bei sehr genauer Fehlereingangsstrom-Kompensation ist es daher notwendig, dass alle Eingangstransistoren in einen gemeinsamen Metallblock angeordnet sind, damit eine genaue
Temperaturgleichheit aller Eingangsstufen gewährleistet ist. Eine noch weitere Verbesserung der Feh- lereingangsstrom-Kompensation lässt sich dadurch erreichen, dass man zu der Bedingung der Tempera- turgleichheit noch die Bedingung der Temperaturkonstanzhinzufügt.
Das kann dadurch erreicht wer- den, dass man den gemeinsamen Metallblock der Eingangstransistoren durch eine zusätzliche in ihm befestigte temperaturempfindliche Halbleiteranordnung auf eine konstante Temperatur hält.
Die Erfindung soll an mehreren in den zugehörigen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen : Fig. l eine Schaltung zur Erzeugung mehrerer gleicher Kompensationsströme durch einen
Zusatzverstärker, Fig. 2 die Zusammenschaltung eines Zusatzverstärkers mit n Operationsverstärker,
Fig. 3 einen Schaltung für den individuellen Fehlerstrom-Abgleich der Einzel Verstärker durch einen ver- änderbaren Kompensations-Widerstand, Fig. 4 eine Schaltung für den individuellen Fehlerstrom-Ab- gleich der Einzelverstärker durch einen einstellbaren Spannungsteiler mit festem Kompensationswider- stand und Fig. 5 eine Transistor-Eingangsstufe mit variablem Kollektorwiderstand.
Ein gemäss Fig. l aufgebauter Zusatzverstärker -Ven+1-. ist durch einen Rückführwiderstand - von seiner Ausgangsklemme --A-- auf seine Eingenagsklemme --E-- gegengekoppelt. Aus der Eingangsklemme-E-- fliesst ein Fehlereingangsstrom --iF-- über den Rückführwiderstand-RK-zur
Ausgangsklemme --A-- und erzeugt eine Ausgangsspannung-uA-von der Grösse --iF RK--.
Schaltet
EMI3.1
Zusatzverstärkers-Ve ; y+i- die Widerstände-RRKn-, so erhält man n Stromkreise, in denen die Ströme--iK1, iK2 bis ! Kn- fliessen. Unter der Voraussetzung, dass-R bis RKn gleich RK-- ist, erhält man für --iKl bis iKn- :
EMI3.2
Das bedeutet, dass man durch die beschriebene Schaltung beliebig viele Stromkreise erhalt, in denen gegen Erde jeweils die Ströme bis in'"fliessen, die dem Fehlereingangsstrom mit entgegengesetzten Vorzeichen gleich sind.
InFig. 2ist die praktische Ausführung einer Fehlerstrom-Kompensation für mehrere gleichartig aufgebaute Operationsverstärker durch einen Zusatzverstärker dargestellt.
Entsprechend der Fig. l ist ein Zusatzverstärker --Ven+l-- mit einem Rückführwiderstand-RK-vom Ausgang-A-auf den Eingang --E-- gegengekoppelt, so dass der aus der Eingangsklemme-E- fliessende Fehlereingangsstrom --iF-- über den Rtickführwiderstand-RK-eine Ausgangsspannung
EMI3.3
Grösse-ip RVen-- dargestellt, deren Fehlereingangsstrom --iFl bis iFn-- durch den Zusatzverstärker--Ven+1--kompensiert werden soll.
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
bis Zin und Z01 bis Zon--stellen die Rechenimpedanzen der Operationsverstärker-Vel bis Vendar. Wegen der hohen inneren Verstärkung der Operationsverstärker liegen deren Summierpunktes
EMI4.2
pensiert.
Fig. 3 zeigt den Gesamtkompensationswiderstand --RKi-- zwischen dem Ausgang-A-des Zusatzverstärkers--Ven+1--und dem Summierpunkt--Si-- eines Operationsverstärkers --Vei--. Der Gesamtkompensationswiderstand --RKi-- besteht aus einem variablen Widerstand --Pi-- und einem Festwiderstand --Ri--. Diese Anordnung ermöglicht es, durch Verstärker des variablen Widerstandes-Pi-die
EMI4.3
Fehlereingangsstrom-ip-des Zusatzverstärkers-Vehiebei :
EMI4.4
Fig. 4 zeigt die zweite Möglichkeit eines Einzelabgleiches des Fehlereingangsstromes des Verstärkers--Vei-- bei unterschiedlichen Fehlereingangsstrom --iF--des Zusatzverstärkers --Ven+1-- und des Fehlerstromes --iFi--.
Ein veränderlicher Spannungsteiler-T-ist an die Ausgangsspannung-uAdes Zusatzverstärkers --Ven+1-- angeschlossen; zwischen dem Ausgang --TA-- des Spannungsteilers und dem Summierpunkt --Si-- des Verstärkers --Vei-- liegt ein Festwiderstand --R--. Unter der Bedingung, dass der Festwiderstand --R-- kleiner als der Rückführwiderstand--RK-ist, lässt sich durch Verändern des Spannungsteilers --T-- ein Kompensationsstrom --iKi-- einstellen, der grösser oder kleiner als der Fehlereingangsstrom --iF-- des Zusatzverstärkers --Ven+1-- sein kann.
Fig. 5 zeigt eine vereinfachte Transistoreingangsstufe eines Transistor-Operationsverstärkers in
EMI4.5
EMI4.6
EMI4.7
--Si--. --ven+I-- bezeichnet.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.