DD140100A1 - Schaltungsanordnung zur steuerung einer verstaerkung - Google Patents

Abstract

Die Schaltungsanordnurig dient zur stufenlosen Steuerung einer Verstärkung durch eine physikalische Größe, z.B. eine Spannung oder eine Strahlung. Dazu liegt ein Bauelement R5, dessen Widerstand in Abhängigkeit dieser physikalischen Größe veränderlich ist, am invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers. Es sind weiterhin ein Eingangswiderstand R2 und ein Gegenkopplungswiderstand R4 vorhanden sowie ein aus zwei Widerständen R-j und K3 bestehender, ebenfalls an der EingangsSpannung liegender Spannungsteiler, an dessen Abgriff der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers liegt. Die Art der Zusammenschaltung gestattet eine Verstärkungsänderung in mittels der Dimensionierung der Widerstände R-] bis R4 frei wählbaren Grenzen, einschließlich einer Verstärkungsumkehrung.Gleichzeitig wird durch die Dimensionierung gewährleistet, daß auch bei hohen Eingangsspannungan an den Eingängen des Operationsverstärkers und damit am Bauelement R5 keine unzulässigen oder die Funktion beeinträchtigenden Spannungen auftreten können. Die Schaltung ist anhand weniger Gleichungen einfach zu dimensionieren, sie kann überall dort angewendet werden, wo eine Verstärkung X&.Abhängigkeit einer physikalischen Größe geändert werden muß» - Fig.1 -

Description

Titel der Erfindung

Schaltungsanordnung zur Steuerung einer Verstärkung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die erfindiingsgemäße Schaltungsanordnung dient zur stufenlosen Steuerung einer Verstärkung durch eine physikalische Größe (Steuergröße)« Sie kann überall dort angewendet werden, wo eine Verstärkung in Abhängigkeit von einer physikalischen Größe (z, B_e Spannung, Strahlung) geändert werden muß_β

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist eine Vielzahl von Schaltungsanordnungen zur Verstärkungssteuerung bekannt. Die meisten von ihnen wurden für spezielle elektronische Problemstellungen, z« B, zur Verstärkungsregelung in Übertragungskanälen, entwickelt und sind deshalb im allgemeinen nicht für andere Zwecke einsetzbar» Als Steuergrößen dienen meist Strom oder Spannungj die Verstärkungsänderujig erfolgt durch Verschiebung des Arbeitspunktes einer Verstärkerstufe (ζ. B₆ Transistors) die durch Veränderung des Widerstandes eines Bauelementes _P das entweder innerhalb eines Spannungsteilers oder innerhalb der verstärkuD^sbestimmenden Widerstands~BeSchaffung eines Operationsverstärkers eingesetzt ist«

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Beim Einsatz des Bauelements als Teil eines Spannungsteilers ist die Verstärkung immer kleiner eins, deshalb muß meist noch eine Verstärkerstufe nachgeschaltet werden. Als Bauelemente mit veränderbarem Widerstand werden hauptsächlich Dioden und !Transistoren eingesetzt. Bei Dioden wird der unterschiedliche differentielle Widerstand im nichtlinearen Teil der Diodenkennlinie ausgenutzt, bei Transistoren der in Abhängigkeit vom Basisstrom veränderliche Kollektor-Emitter-Widerstand. Feldeffekttransistoren weisen dabei gegenüber Bipolartransistoren Vorteile auf.

Bei ihnen ist der Drain-Source-Widerstand über die Gate spannung nahezu leistungslos, rückwirkungsfrei und in einem sehr weiten Bereich steuerbar· Schaltungen mit Dioden haben generell den Nachteil, daß sie nur Wechselspannungen verarbeiten können. Sowohl bei Dioden als auch bei Transistoren darf die anliegende Nutzspannung nicht zu hoch sein, da sie ebenfalls, wenn auch in geringerem Maße als die Steuergröße, Einfluß auf·, den wirkenden Widerstand hat, was zu Verzerrungen führen kann·

Die bekannten Schaltungen gestatten vorwiegend eine Verstärkungsänderung von Null oder annähernd Null bis zu einem Höchstwert. Es konnten keine Schaltungen ermittelt werden, die eine Verstärkungsänderung über Null hinaus, also eine Verstärkungsumkehrung allein durch eine Änderung der Steuergröße ermöglichen.

Ziel der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Schaltungsanordnung, welche in Abhängigkeit einer physikalischen Größe eine beliebige Verstärkungsänderung einschließlich einer Verstärkungsuiakehrung gestattet, dabei einfach zu dimensionieren und für eine Vielzahl von Anwendungsfällen geeignet ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Für die Erreichung des obengenannten Zieles ist ein Bauelement

mit in Abhängigkeit einer physikalischen Größe veränderbarem Y/iderstand so in die Beschaltung eines Operationsverstärkers einzuordnen, daß an ihm keine zu hohen, zu Verzerrungen führenden Spannungen anliegen, andererseits aber hohe Eingangsspannungen zugelassen werden können, die Verarbeitung von Gleich- und Wechselspannungen möglich, ist und die Bedingungen hinsichtlich der Verstärkungsänderung erfüllt werden. Diese Aufgabenstellung wird durch die erfindungsgeniäße Schaltungsanordnung gelöst.

Die zu verstärkende Eingangs spannung U-g liegt an zwei Widerständen R₁ und R₂ an_s welche zum nichtinvertierenden bzw. zum invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers führen. Vom nichtinvertierenden Eingang führt ein weiterer Widerstand Ro nach Masse j dieser Widerstand bilde.t mit R₁ einen Span-» nungsteiler. Zwischen invertierendem Eingang und Ausgang des Operationsverstärkers liegt der Gegenkopplungswiderstand R^ « Das zwischen invertierendem Eingang und Masse liegende Bauelement Rr schließlich ist -das Bauelement, dessen ebenfalls mit Re bezeichneter Widerstand sich durch die Steuergröße im Intervall 'S-^_m^_IL^ R5 £ %_max verändern läßt. Es kann sich dabei zum Beispiel um einen (Transistor oder einen Fotowiderstand handeln, ^e nachdem, ob die Steuergröße eine Spannung oder eine optische Strahlung ist«

Der Operationsverstärker hat das Bestreben, die Spannungsdifferenz zwischen seinen beiden Eingängen zu null zu machen. Die Spannung am nichtinvertierenden Eingang ist ein durch R₁ und Ro festgelegter Teil der Eingangsspannimg U-go Zur Einstellung der gleichen Spannung am invertierenden Eingang muß der Operationsverstärker eine bestimmte, von der Größe der Widerstände R_x, bis Rr abhängige Ausgangsspannung V^ aufbringen,, Damit ist die Verstärkung festgelegt, für sie gilt bei Annahme eines idealen Verhaltens des Operationsverstärkers die Beziehung U, Ro Ry. 1 R

Durch geeignete Dimensionierung von R₁ bis R^ läßt sich ein Bereich V . £ V £ V„_Q__ festlegen, in dem die Verstärkung bei

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Änderung des Widerstandes Rc zwischen seinem Maximal- und Minimalwert veränderbar ist.

Ausführungsbeispiel

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dargestellt. Wenn die Verstärkung der Anordnung über eine Gleichspannung gesteuert werden soll, wird man zweckmäßigerweise als Bauelement R,- einen Feldeffekttransistor einsetzen. Für Feldeffekttransistoren existiert die Bedingung, daß zur Vermeidung von Verzerrungen die über der Drain-Source-Strecke liegende Spannung einen bestimmten Betrag nicht überschreiten darf. In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung darf dann die Eingangsspannung U-g um den Faktor

höher sein.

Die minimale Verstärkung V^^ wird bei Rc_max erreicht. Bei Feldeffekttransistoren ist dieser Wert so hoch, daß praktisch gilt ρ pt?

^min ~ R + R R

Die maximale Verstärkung wirkt beim kleinsten Wert von Rr:

Ro R^j. ί P-o

R₁ + R₃ R_5min R₁ R₃ c-xr

Wenn die minimale Verstärkung null sein soll, ergibt sich die Bedingung R₁ R₂

^{3 4} Ro ^{ü Λ}

Die maximale Verstärkung ist dann V__e„ = —^i-—

msix τ,

Mit Verwendung des Faktors k lassen sich schließlich drei Dimensionierungsgleichungen herleiten:

(k -

max ""-^mIn

k V^_ R_c

R~Ck~"1)R

In eineia anderen Fall soll der Minimalwert der Verstärkung V . betragsmäßig g3„eich dem Maximalwert V , aber negativ sein«, Für V_„„ ~ - V .„ lassen sich dann ebenfalls drei einfache Dimensionierungsgleichangen herleiten;

R₁ = (k - I)R₃

Ro = k - 1 ρ

Figur 2 zeigt den Verstärkungsverlauf im letztgenannten Fall in Abhängigkeit von der Gatespannung U^ des Feldeffekttransistors, Die Tatsache, daß der Widerstand Rj- der Verstärkung umgekehrt proportional ist, wirkt der starken Hichtlinearität der Kennlinie des Feldeffekttransistors gut entgegen, so daß sich der dargestellte nur schwach nichtlineare Verlauf ergibt.

Claims (1)

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   Erfindungsanspruch

   Schaltungsanordnung zur stufenlosen Steuerung einer Verstärkung, gekennzeichnet dadurch, daß ein Bauelement (Rc), dessen Widerstand durch eine physikalische Größe, vorzugsweise eine Spannung, veränderbar ist, am invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers und an Masse liegt, daß ein Gegenkopplungswiderstand (R^) zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und seinen. Ausgang liegt, daß ein Widerstand (R₂) von diesen Operationsverstärker-Eingang und ein Widerstand (R₁) vom nicht invertierenden Operationsverstärker-Eingang zum Eingang der Schaltung führen und daß vom nichtinvertxerenden Operationsverstärker-Eingang ein weiterer Widerstand (Rq) nach Masse führt, so daß für die Verstärkung der gesamten Anordnung bei Annahme eines idealen Verhaltens des Operationsverstärkers die Beziehung

   Ro R^, 1 Rq R/1 R/i y -..JLJt. + —£— -. gilt·

   R₂(R₁

   Bierzu__^i_Seiien Zeichnungen