DD238697A1

DD238697A1 - Schaltungsanordnung zur erhaltung der maximalen bandbreite bei operationsverstaerkern

Info

Publication number: DD238697A1
Application number: DD27758185A
Authority: DD
Inventors: Manfred Gadau; Frank Sichla
Original assignee: Inst Prueffeld Elekt
Priority date: 1985-06-20
Filing date: 1985-06-20
Publication date: 1986-08-27

Abstract

Die Erfindung ist anwendbar bei Operationsverstaerkern. Es soll fuer diese mit einfacher Schaltungstechnik eine Schaltungsanordnung mit angepasster Frequenzkompensation aufgebaut werden, mit der Gleich- bzw. Wechselspannungen mit unterschiedlicher Verstaerkung bei optimalen Bedingungen verarbeitet werden koennen. Dieses wird dadurch erreicht, dass bei einem Operationsverstaerker (OP) der positive Eingang an Masse liegt und der Ausgang (Uo; uo) ueber einen hochohmigen Widerstand (R3) an den negativen Eingang rueckgekoppelt ist und dieser ueber eine erste Reihenschaltung aus einem niederohmigen Widerstand (R2) und einem Kondensator (C1) mittlerer bis hoher Kapazitaet mit Masse verbunden ist, wobei fuer die Wechselspannungsverarbeitung zwischen die zugehoerige Anschlussklemme (ui) und den negativen Eingang eine weitere Reihenschaltung aus einem Kondensator (C2) hoher Kapazitaet und einem Widerstand (R2) mit einem mittleren Widerstandswert liegt und fuer die Gleichsignalverarbeitung zwischen der zugehoerigen Anschlussklemme (Ui) und dem Verbindungspunkt von Widerstand (R1) angeordnet ist. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar bei Operationsverstärkern und betrifft das Problem der Erhaltung der Bandbreite durch Erhaltung der oberen Grenzfrequenz bei Operationsverstärkerschaltungen, welche vorzugsweise gleichzeitig als Gleich- und Wechselspannungsverstärker, aber auch als Wechselspannungsverstärker mit verschiedenen Verstärkungsfaktoren eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Realisierung von Meßverstärkern, die die genannten Forderungen erfüllen sollen, und die z. B. als universelle Vorverstärker für passive Meßgeräte zum Einsatz kommen, wird gegenwärtig eine Schaltungstechnik benutzt, die sich folgender zwei Prinzipien bedient:

1) Invertierende oder nichtinvertierende Grundschaltung mit Operationsverstärkern mit universeller oder einfacher Frequenzkompensation

2) Invertierende oder nichtinvertierende Grundschaltung mit angepaßter Frequenzkompensation, wobei diese für den kleinsten Meßbereich gewählt ist.

Betreffs Prinzip 1 ist hinsichtlich der Bandbreite zu bemerken, daß diese bei der genannten Frequenzkompensation indirekt proportional der Verstärkung bei Wechselspannung ist. Dazu ist weiter zu sagen, daß bei beiden Typen der Frequenzkompensation diese relativ kräftig ist und bei Meßverstärkern nur 10% des theoretischen Wertes der — 3dB-Grenzfrequenz ausgenutzt werden kann (Problem exakter Linearität).

Bei Verstärkungswerten ä 2OdB sind diese Operationsverstärker daher für Wechselspannungsmeßzwecke nicht einsetzbar. Zum Prinzip 2 ist zu sagen, daß durch angepaßte Frequenzkompensation für jeden Verstärkungswert eine sehr hohe obere Grenzfrequenz erzielt werden kann. Wird jedoch ein Operationsverstärker für Gleich- und Wechselspannung eingesetzt, so muß die Frequenzkompensation jeweils für die geringste Verstärkung eingesetzt werden.

In der Praxis ist die Verstärkung bei Gleichspannungen klein (Hauptproblem hier: hochohmiger Eingang I), während bei Wechselspannung hohe Verstärkungswerte gewünscht werden (Hauptproblem hier: Beseitigung des Einflusses der zur Gleichrichtung eingesetzten Bauelemente mit nichtlinearer Kennlinie und somit hoher Ungenauigkeit im Anfangsbereich). Daraus folgt, daß die Frequenzkompension entsprechend der bei Gleichspannung vorliegenden Verstärkung eingesetzt werden muß. Für Wechselspannung wird folglich sehr viel Bandbreite verschenkt, da die Frequenzkompensation unangemessen stark gemacht werden muß. Praktisch werden Gleichspannungsverstärkungee von 0...2OdB gebraucht, während Wechselspannungsverstärkungen bis zu 6OdB erforderlich sind. Analog verhält es sich mit Wechselspannungsverstärkern, die über die Gegenkopplung auf verschiedene Verstärkungswerte programmiert werden sollen. Hier liegt nur bei der kleinsten Verstärkung die maximal erreichbare Bandbreite vor

Angesichts dieser Tatsache findet man gegenwärtig Schaltungen

1. mit zwei getrennten Operationsverstärkern (für Gleich-und Wechselspannungen), > .

2. mit (aufwendiger) Umschaltung der Frequenzkompensation,

3. mit Teiler für Gleichspannung und entsprechender Umschaltung bzw. Umstecken für beide Betriebsarten,

4. mit gemäß obigen Tatbestand entsprechend geringer oberer Grenzfrequenz,

5. die zwarfür Gleich- und Wechselspannung mit unterschiedlichen Verstärkungswerten arbeiten, bei denen aber die Differenz der Verstärkungswerte äußerst gering ist (z.B. Präzisions- Instrumentengleichrichter mit Faktor 1,11 für Darstellung des Effektivwertes statt des arithmetischen Mittelwertes)

Die einzelnen Schaltungen weisen folgende Nachteile auf: zu1.

— erhöhter ökonomischer Aufwand

— Gleich- und Wechselsignal liegen getrennt vor

— Aufwand an Umschaltern erforderlich

— bei hoher Verstärkung kritischer Aufbau zu 3.

— Aufwand an Umschaltern bzw. Steckbuchsen erforderlich

— bei Gleichsignalverarbeitung ist der durch Offset verursachte Fehler etwa proportional zum Teilerfaktor! zu5.

— nur geringe Unterschiede in den Verstärkungswerten realisierbar

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat die Beseitigung der Mängel der bekannten Schaltungen durch eine entsprechend einfache Schaltungstechnik zum Ziel.

Wesen der Erfindung

Die technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für Operationsverstärker mit angepaßter Frequenzkompensation — nur diese erlauben hohe Grenzfrequenzen bei hoher Verstärkung — zu entwickeln, bei der erstens Gleichspannungen mit geringerer, Wechselspannungen mit hoher Verstärkung verarbeitet werden können, wobei die Frequenzkompensation für den Verstärkungswert für Wechselspannung eingesetzt werden soll und damit deren Bandbreite erreicht wird

Merkmale der Erfindung

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Operationsverstärker der positive Eingang an Masse liegt und der Ausgang über einen hochohmigen Widerstand an den negativen Eingang rückgekoppelt ist und dieser über eine Reihenschaltung aus einem niederohmigen Widerstand und einem Kondensator mittlerer bis hoher Kapazität mit Masse verbunden ist, wobei für die Wechselspannungsverarbeitung zwischen die zugehörige Anschlußklemme und den negativen Eingang eine weitere Reihenschaltung aus einem Kondensator hoher Kapazität und einem Widerstand mit einem mittleren Widerstandswert liegt und für die Gleichsignalverarbeitung zwischen der zugehörigen Anschlußklemme und dem Verbindungspunktvon Widerstand und Kondensator der ersten Reihenschaltung ein hochohmiger Widerstand angeordnet ist. Vorteilhafterweise sind die Anschlußklemmen für Gleich- bzw. Wechselspannungsverarbeitung mit den freien Polen eines Umschalters verbunden, dessen Umschaltpol mit einer für beide Spannungsarten gemeinsamen Anschlußklemme verbunden ist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, daß bei Gleichsignalverarbeitung die Verstärkung der Schaltung mindestens auf den Wert der Verstärkung bei Wechselspannung gebracht ist, und daher ein sicheres Arbeiten bei niedrigen Verstärkungswerten für Gleichspannung mit jedoch entsprechend der Wechselspannungsverstärkung eingesetzter Frequenzkompensation ermöglicht wird. Die Schaltung ist somit für Meßverstärker für Gleich-und Wechselspannung gleichermaßen geeignet.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in

Fig. 1: die Grundschaltung mit getrennten Anschlußklemmen für Gleich- bzw. Wechselspannung, und in Fig. 2: die gleiche Schaltung, jedoch nur mit einer Anschlußklemme und einem Umschalter

Der positive Eingang eines Operationsverstärkers OP ist mit Masse verbunden, sein Ausgang U₀; U₀ ist über einen hochohmigen Widerstand R₃ an seinen negativen Eingang rückgekoppelt. Zwischen der Gleichspannungsanschlußklemme U₁ und dem negativen Eingang befindet sich eine Reihenschaltung aus einem hochohmigen Widerstand R-i und einem niederohmigen Widerstand R₂, von deren Vsrbindungspunkt ein Kondensator C₁ mittlerer bis hoher Kapazität gegen Masse geschaltet ist. Die Wechselspannungsanschlußklemme u-, ist über eine Reihenschaltung aus einem Kondensator C₂ hoher Kapazität und einem Widerstand R₂' mit einem mittleren Widerstandswert mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden.

Für die einzelnen Verstärkungen

V= ...Verstärkung für Gleichspannung,

V~ ...Verstärkung für Wechselspannung,

Vf ...Verstärkung,fürwelchedie Frequenzkompensation zu wählen ist,

lassen sich folgende Abhängigkeiten angeben:

ν- -- ^R3

^v~ R1 + R2

V- = ——

^R2' Die Differenz der Verstärkungswerte ist über R1 einstellbar

BeiR2>R2^r

R3 Vf =s^t\ R2 = R2' ist praktisch in jedem Falle günstig, weil dann

Bei R2'>R2 ^Vf ⁼ Ü ⁼ Ü ^gilt

V = —

Als Bedingung isteinzuhalten:x_ci <ξ RT

In Fig. 2 ist prinzipiell die gleiche Schaltung wie in Fig. 1 dargestellt, nur sind die Zweige für Gleich-bzw. Wechselspannungsverarbeitung wahlweise über die freien Pole 1,2 eines Umschalters S und dessen Umschaltpol 3 mit einer einzigen Anschlußklemme U₈ verbunden.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Schaltungsanordnung zur Erhaltung der maximalen Bandbreite bei Operationsverstärkern, gekennzeichnet dadurch, daß bei einem Operationsverstärker (OP) der positive Eingang an Masse liegt und der Ausgang (U₀; u₀) über einen hochohmigen Widerstand (R₃) an den negativen Eingang rückgekoppelt ist und dieser über eine erste Reihenschaltung aus einem niederohmigen Widerstand (R₂) und einem Kondensator (C 1) mittlerer bis hoher Kapazität mit Masse verbunden ist, wobei für die Wechselspannungsverarbeitung zwischen die zugehörige Anschlußklemme (U₁) und den negativen Eingang eine weitere Reihenschaltung aus einem Kondensator (C2) hoher Kapazität und einem Widerstand (R₂') mit einem mittleren Widerstandswert liegt und für die Gleichsignalverarbeitung zwischen der zugehörigen Anschlußklemme (U,) und dem Verbindungspunkt von Widerstand (R₂) und Kondensator (C 1) der ersten Reihenschaltung ein hochohmiger Widerstand (Ri) angeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anschlußklemmen (U, + U₁) für Gleich- bzw. Wechselspannungsverarbeitung mit den freien'Polen (1; 2) eines Umschalters (S) verbunden sind, dessen Umschaltpol (3) mit einer für beide Spannungsarten gemeinsamen Anschlußklemme (U_e) verbunden ist.

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