DE102019103015A1

DE102019103015A1 - Verfahren und Schaltung zu einem biasstromunempfindlichen Hochimpedanzmessverstärker

Info

Publication number: DE102019103015A1
Application number: DE102019103015.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2020-08-13
Anticipated expiration: 2039-02-08
Also published as: DE102019103015B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Hochimpedanzmessverstärkers, bei dem der Hochimpedanzmessverstärker mindestens einen ersten Verstärker (122) mit einem nichtinvertierenden bzw. positiven Eingang (120), einem invertierenden bzw. negativen Eingang (118) und einem Ausgang (124) umfasst, bei dem ein gegenüber einer Masse als ein Bezugspotential (102) von einer eine Quellimpedanz (106) aufweisenden Quelle (104) gebildetes Signal mit dem nichtinvertierenden Eingang (120) des ersten Verstärkers (122) verbunden wird, bei dem der invertierende Eingang (118) des ersten Verstärkers (122) über eine Reihenschaltung aus einem Bias-Kondensator (114, 414) und einem Kopplungswiderstand (112) mit dem Bezugspotential (102) verbunden wird, bei dem der Ausgang (124) des ersten Verstärkers (122) über einen Rückkopplungswiderstand (116) mit dem invertierenden Eingang (118) des ersten Verstärkers (122) verbunden wird, wobei durch den Hochimpedanzmessverstärker ein single-ended Ausgangssignal (124) bereitgestellt wird, welches bias-stromunempfindlich ist und auf Grund des Bias-Kondensators (114) eine Hochpasskopplung bewirkt. Ferner wird eine zugehörige Schaltung (100) offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Hochimpedanzmessverstärkers, dessen Ausgangssignal biasstromunempfindlich ist. Ferner wird eine Schaltung zu dem bereitgestellten Hochimpedanzmessverstärker vorgestellt.
Betrachtet werden Messverstärker für eine Signalquelle mit einer extrem hohen Impedanz bei einer kleinen Spannung bzw. einer niedrigen Spannungsamplitude und einem schwachen Strom. Solche Messverstärker sind insbesondere für elektrochemische Sensoren relevant, wie sie bspw. in Abgassonden oder Empfangssonden für niederfrequente elektromagnetische Wellen, abgekürzt mit EM-Wellen, verwendet werden. Besondere Aufmerksamkeit gilt einem Frequenzbereich von 1 Hz bis 50 kHz, darin vor allem dem Frequenzbereich von 10 Hz bis 10 kHz, wie er bspw. von ungewollten EM-Emissionen in leistungselektronischen Schaltungen aufgewiesen wird. Ebenfalls können derartige Sensoren auch zu einer berührungslosen Spannungsdetektion von leistungselektronischen Schaltungen herangezogen werden.
In einem elektrochemischen Sensor werden meist metallisch oder ionisch beschichtete Elektroden und Elektrodenpaare eingesetzt, die durch elektrochemische Reaktionen in einem flüssigen, gasförmigen, seltener auch festen Dielektrikum kleinste Spannungssignale erzeugen, die bspw. abhängig von einer Stoffkonzentration im Dielektrikum sind. Eine elektrische Leitung zwischen einer Elektrode und einer Masse oder zwischen Elektrodenpaaren ist dabei gewollt sehr niedrig, um eine ein elektrisches Spannungssignal bildende Ladung nicht durch einen noch so geringen Stromfluss wieder abzubauen. Typische Impedanzen liegen dabei im Bereich von 100 kOhm bis oft über 1 MOhm. Gerade bei Mikroelektroden werden dabei die Elektroden und die benötigte Stoffkonzentration immer kleiner, wodurch die Impedanz ansteigt und die Signalstärke meist absinkt.
Bei derartigen elektrochemischen Sensoren muss der Messverstärker eine offene Elektrodenstrecke messen, die ferner an ihren Enden elektrochemischen Reaktionen ausgesetzt ist. Die Folge sind Aufladungen und Elektrodendrift, da wegen der hohen Impedanz keine Entladung stattfindet. Beide Störungen sind oft deutlich stärker als das Messsignal und deren Behebung erfordert eine hochwertige, entsprechend teure erste Verstärkerstufe, um extrem schwache Signale mit einem Dynamikbereich von mehreren Größenordnungen zu verstärken und dabei das Signal der Elektroden nicht selbst zu stören. Darüber hinaus müssen meist Verstärker mit hohem Spannungsbereich, bspw. bis zu 15 V, eingesetzt werden, um auch im Falle großer Störungen, bspw. durch Interferenzen bei elektromagnetischen Störungen, und Beeinträchtigungen eines Ausgangsignals noch abbilden zu können. Derartige Verstärker entsprechen nicht mehr der heutigen Massenanfertigung von Verstärkern in einem Bereich von 5 V oder weniger und sind damit seltener und entsprechend teurer.
Die Druckschrift DE 195 31 386 A1 offenbart eine Auswerteschaltung für einen eine ohmsche Messbrücke aufweisenden Dickfilm-Drucksensor, die die Impedanz messen kann und das zu messende Signal auf den jeweils nichtinvertierenden Eingang zweier Verstärker anwendet. Eine Ausgangsspannung wird einem Analog-Digital-Wandler ebenso zugeführt wie das Ausgangssignal der Verstärker, woraufhin der Analog-Digital-Wandler Schwankungen oder Störungen in der Ausgangsspannung berücksichtigen kann.
Die US-amerikanische Druckschrift US 2015/0091656 A1 beschreibt einen Hochimpedanz-Messverstärker, bei dem eine bestimmte Zahl von Verstärkersegmenten zu- oder weggeschaltet werden können. Die jeweilige Zahl an aktiven Verstärkersegmenten kann so gestaltet werden, dass die Impedanz des Messverstärkers der Impedanz eines an den Messverstärker angeschlossenen Schaltkreises entspricht.
Bei der berührungslosen Spannungsdetektion in einer leistungselektronischen Schaltung wird in der Regel galvanisch verbunden mit Prüfspitzen gemessen. Für hohe Spannungen besitzt eine solche Messmethode einen wesentlichen Sicherheitsaspekt und gehört zum messtechnischen Standard. Für niedrige Spannungen und niedrige Frequenzen ist das berührungslos ermittelte Spannungssignal nur sehr schwach. Bei einem in der Regel kapazitiven Abgriff des Signals an einer Leitung ergibt sich bei geringer Fläche und zumeist hohem Abstand über eine Leiterisolierung hinweg nunmehr eine niedrige Kapazität, eine kleine Signalstärke und eine hohe Impedanz. Dies bedeutet, dass das Signal durch kleinste Ströme entladen werden kann. Ebenso könnte auch bereits der kleinste Strom des Verstärkers durch dessen Eingänge in das Messsystem die Elektroden aufladen.
Zwischen Eingängen eines Operationsverstärkers, bspw. einem positiven nichtinvertierenden Eingang und einem negativen invertierenden Eingang, hat in einem idealen Fall die Spannung einen Wert von 0 V und in die Eingänge fließt kein Strom bzw. der Strom ist zumindest in der Summe 0 A. In der Regel liegt jedoch kein idealer Zustand vor und der Operationsverstärker verfügt über mindestens einen sogenannten Eingangsspannungsoffset oder mindestens einen sogenannten Eingangsfehler. Neben einem Eingangsspannungsoffset gibt es auch einen sogenannten Bias-Strom I_B und meist ist die Summe der Ströme in den invertierenden und den nichtinvertierenden Eingang nicht 0 A. Derartige Bias-Ströme in einer Eingangsverstärkerstufe eines für Signale mit hoher Quellimpedanz, bspw. R_source = 1 MOhm oder höher, ausgelegten Messverstärkers würden sich jedoch einen Strompfad über vorhandene Widerstände suchen und müssen durch gesondert angeordnete Widerstände abgeleitet werden. Dabei entsteht gemäß einem Produkt R mal I_B ein Spannungsabfall, der zu einem Signalfehler führt. Bei einer Quellimpedanz von 1 MOhm oder höher kann bereits ein Bias-Strom von 1 pA zu ungewollten Spannungen von 1 Mikrovolt am Eingang führen. Darüber hinaus kann der Bias-Strom bspw. in die Signalquelle fließen und diese gegebenenfalls stören. Viele weit verbreitete, für extrem schwache Signalquellen ausgelegte Operationsverstärkerschaltungen weisen Bias-Ströme auf, die für sogenannte commonmode-freie Eingänge bis den nA-Bereich reichen und bei steigenden common-mode-Spannungen weiter ansteigen.
In der Druckschrift US 2012/0218042 A1 wird ein Verfahren und ein Stromerzeuger offenbart, wobei auf Wechselwirkungen zwischen einer Last und dem Stromerzeuger Einfluss genommen wird. Der Stromerzeuger weist ein kompensierendes Subsystem auf, das an den Leistungsverstärker gekoppelt ist und ermöglicht, die Sensitivität des Leistungsverstärkers anzupassen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bereitstellung eines Hochimpedanzmessverstärker zur Verfügung zu stellen, bei dem Bias-Ströme weitestgehend unterdrückt sind. Es sollen dabei gewöhnliche, in der Herstellung günstige elektronische Bauteile zum Einsatz kommen. Ferner soll eine den Hochimpedanzmessverstärker realisierende Schaltung offenbart werden.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Bereitstellung eines Hochimpedanzmessverstärker vorgeschlagen, bei dem der Hochimpedanzmessverstärker mindestens einen ersten Verstärker mit einem nichtinvertierenden bzw. positiven Eingang, einen invertierenden bzw. negativen Eingang und einen Ausgang umfasst. Ein gegenüber einer Masse als ein Bezugspotential von einer eine Quellimpedanz aufweisenden Quelle gebildetes Signal, bei dem es sich um ein Wechselspannungssignal mit einer Frequenz ω handeln kann, wird mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers verbunden. Der invertierende Eingang des ersten Verstärkers wird über eine Reihenschaltung aus einem Bias-Kondensator und einem Kopplungswiderstand mit dem Bezugspotential verbunden. Der Ausgang des ersten Verstärkers wird über einen Rückkopplungswiderstand mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers verbunden, wobei der Hochimpedanzmessverstärker an diesem Ausgang ein single-ended Ausgangssignal bereitstellt, welches bias-stromunempfindlich ist. Außerdem wird auf Grund des Bias-Kondensators eine Hochpasskopplung bzw. ein Hochpassverhalten bewirkt. Bei einem single-ended Signal einer Schaltung handelt es sich um ein Signal, das an einem ersten Anschluss vorliegt, und sich gegenüber einem zweiten Anschluss, welcher mit dem Bezugspotential, gemeinhin Masse, verbunden ist, definiert. Der invertierende Eingang des ersten Verstärkers kann dabei in einer ersten Ausgestaltung direkt mit dem Bias-Kondensator verbunden sein, wobei dann der Kopplungswiderstand direkt mit dem Bezugspotential verbunden ist. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Bias-Kondensator mit dem Bezugspotential verbunden sein, wobei dann der Kopplungswiderstand direkt mit dem invertierenden Eingang des ersten Verstärkers verbunden ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um einen single-ended-Verstärkeransatz mit positiver Verstärkung, bei dem das Signal, welches nachfolgend gemessen wird, auf den nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers bzw. Operationsverstärkers gelegt wird. Demgegenüber wird der invertierende Eingang des ersten Verstärkers durch den Bias-Kondensator, der eine Kapazität C_bias aufweist, von dem Bezugspotential entkoppelt. Ein störender Bias-Strom führt nunmehr dazu, dass vorteilhaft der Bias-Kondensator aufgeladen wird, und nicht, wie im Stand der Technik, in dem zumeist günstige, nicht kompensierte Operationsverstärkerschaltungen eingesetzt werden, der Bias-Strom in eine Spannung zwischen den beiden Eingängen des Verstärkers umgesetzt werden würde, wobei diese Spannung nachteilig den Verstärker sättigen würde.
Das Signal der Quelle mit einer Spannung V_source wird vom erfindungsgemäßen Verfahren gemäß folgender Formel auf das Ausgangssignal mit einer Spannung Vout verstärkt: $V_{o u t} = (1 + \frac{R_{f}}{R_{g} + \frac{1}{j ω c_{bias}}}) V_{source},$
wobei R_f einem Wert des Rückkopplungswiderstandes und R_g einem Wert des Kopplungswiderstandes entspricht.
Im Gegensatz zu anderen Kompensationsmethoden aus dem Stand der Technik ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren für den Bias-Kondensator vorteilhaft ein in der Herstellung günstiges, nicht sonderlich hochwertiges Modell. Bspw. kann auf teure und platzeinnehmende Filmkondensatoren verzichtet werden. Selbst Nichtlinearitäten des Bias-Kondensators sind tolerabel. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Bias-Kondensator daher durch einen Keramikkondensator realisiert, der normalerweise in Verstärkerschaltungen auf Grund dessen Nichtlinearität gemieden wird.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Bias-Kondensator durch einen Elektrolytkondensator realisiert. Bei gepolten Kondensatoren ist eine Polung bei einem jeweiligen Anschluss zu beachten, wobei ein positiver Anschluss zumindest mittelbar, d. h. unter Umständen über weitere elektronische Bauteile, mit dem invertierenden Eingang des ersten Verstärkers verbunden wird und ein negativer Anschluss zumindest mittelbar mit der Masse verbunden wird. Da der Bias-Kondensator und der Kopplungswiderstand in ihrer Reihenschaltung zwischen dem Bezugspotential und dem invertierenden Eingang des ersten Verstärkers umgeordnet werden können, bedeutet in diesem Zusammenhang der Begriff einer mittelbaren Verbindung, dass zwischen den jeweiligen Anschlüssen noch der Kopplungswiderstand angeordnet sein kann.
Der Bias-Kondensator sollte als Wert C_bias mindestens einige 100 nF, vorzugsweise mindestens einige Mikrofarad aufweisen. Abhängig vom zu erwartenden Bias-Strom ist der jeweilige Wert linear zu erhöhen. Ferner wird durch eine Wahl einer hohen Kapazität ein elektrisches Potential stabilisiert. Vorteilhaft ist eine solche hohe Kapazität mit Keramikkondensatoren einfach zu erreichen.
Durch die Wahl einer hohen Kapazität C_bias weist der Hochimpedanzverstärker ein Hochpassverhalten auf, wobei eine Eckfrequenz des Hochpassverhaltens des Bias-Kondensators zu niedrigen Frequenzen verschoben wird. Niedrige Frequenzen und ein Gleichspannungsanteil bzw. ein Gleichanteil werden jedoch nicht vollständig eliminiert, sondern lediglich mit Verstärkung 1 übertragen. Vorteilhaft wird damit nicht nur das Bias-Stromproblem eliminiert, sondern auch vermieden, dass durch die Verstärkung der meist großen Gleichanteile von Elektroden, bspw. von Energiezellen einer Traktionsbatterie, der Ausgang des Hochimpedanzverstärkers nicht in eine Sättigungsgrenze läuft. Ansonsten führen typische Verstärkungen des ersten Verstärkers von 50-fach bis 1000-fach nachteilig bereits bei einem Offset von 100 mV in heutigen Niederspannungsverstärkern mit nur 5 V Betriebsbereich zu einer Absättigung.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der nichtinvertierende Eingang des ersten Verstärkers mit einem hochohmigen gegen das Bezugspotential geschalteten Bias-Widerstand mit Wert R_bias verbunden. Durch den Bias-Widerstand wird der nichtinvertierende Eingang stabilisiert. Optional kann zur weiteren Stabilisierung zwischen der Quelle und dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers ein Serienwiderstand angeordnet werden. Ein Wert des Bias-Widerstandes sollte allerdings deutlich höher ausfallen als die Quellimpedanz.
In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der hochohmige Bias-Widerstand mindestens um einen Faktor 500 höher als die Quellimpedanz gewählt. Bei einer Quellimpedanz von bspw. 1 MOhm soll damit der Bias-Widerstand einen Wert von 500 MOhm oder höher, bspw. mehr als 1 GOhm, aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für eine zusätzliche Hochpasskopplung bzw. ein zusätzliches Hochpassverhalten zwischen der Quelle und dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers ein Serienkondensator mit einer Kapazität C_DC angeordnet. Ein solches zusätzliches Hochpassverhalten ist bspw. bei Wechselstrom-Spannungssensoren von Vorteil. Ferner unterbindet ein solcher Serienkondensator eine Entladung des Bias-Stromes in die Quelle.
In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden sowohl zwischen der Quelle und dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers der Serienkondensator als auch an dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers der Bias-Widerstand angeordnet. Hierdurch wird vorteilhaft ein Frequenzverhalten der Hochpasskopplung festgelegt. Des Weiteren stabilisiert der Bias-Widerstand, optional auch in Verbindung mit dem ebenfalls zusätzlich zwischen Serienkondensator und nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers angeordneten Serienwiderstand ein Potential des Serienkondensators auf Seiten dessen Anschlusses Richtung erstem Verstärker. Das single-ended Ausgangssignal wird nun gegenüber dem Signal der Quelle verstärkt mit: $V_{out} = \frac{R_{b i a s}}{R_{s o u r c e} + R_{b i a s} + \frac{1}{j ω C_{DC}}} \cdot (1 + \frac{R_{f}}{R_{g} + \frac{1}{j ω C_{bias}}}) V_{source} .$
Mit Serienkondensator, aber ohne zusätzlich angeordneten Bias-Widerstand, floatet das Potential des Anschlusses des Serienkondensators auf Seiten Richtung ersten Verstärker an einen Potentialpunkt, bei dem der Bias-Strom des nichtinvertierenden Eingangs des ersten Verstärkers einen Nulldurchgang aufweist. Der zumeist von einer Spannung an einem Verstärkereingang abhängende Bias-Strom treibt das Potential dieses Anschlusses des Serienkondensators stets zu diesem, wenn auch gegenüber 0 V, bezogen auf Masse als Bezugspotential, verschobenen Potentialpunkt zurück, da er für gegenüber diesem Potentialpunkt positive Spannungen ansteigt und für gegenüber diesem Potentialpunkt negative Spannungen ins Negative absinkt, was in Anwendungen vorteilhaft genutzt werden kann. Da der Nulldurchgang des Bias-Stroms bei den vorkommenden Spannungen unter Umständen sehr nah an den Sättigungsgrenzen liegt, kann vorteilhaft die Wahl des Bias-Widerstandswertes genutzt werden, um den Potentialpunkt gezielt Richtung 0 V zu verschieben. Vorteilhaft zeigt das Frequenzverhalten des Hochimpedanzverstärkers nun starkes Hochpassverhalten durch den Serienkondensator und den Bias-Kondensator.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der Reihenschaltung aus Bias-Kondensator und Kopplungswiderstand ein Anschluss des Bias-Kondensators mit dem Bezugspotential verbunden und ein Anschluss des Kopplungswiderstandes mit dem invertierenden Eingang des ersten Verstärkers verbunden. Zwischen Bias-Kondensator und Kopplungswiderstand wird ein nichtinvertierender Eingang eines zweiten Verstärkers angeschlossen und ein Ausgang des zweiten Verstärkers über einen zweiten Rückkopplungswiderstand mit einem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers verbunden. Der Ausgang des ersten Verstärkers wird über einen ersten Ausgangswiderstand und der Ausgang des zweiten Verstärkers über einen zweiten Ausgangswiderstand zusammen mit einem invertierenden Eingang eines dritten Verstärkers verbunden. Ein nichtinvertierender Eingang des dritten Verstärkers wird mit dem Bezugspotential verbunden und ein Ausgang des dritten Verstärkers wird über einen dritten Rückkopplungswiderstand mit dem invertierenden Eingang des dritten Verstärkers verbunden. Dadurch wird am Ausgang des dritten Verstärkers ein single-ended Ausgangssignal bereitgestellt, welches vorteilhaft eine Gleichanteilinformation des Signals der Quelle aufweist, und trotzdem von dem den Bias-Strom eliminierenden Ansatz des erfindungsgemäßen Verfahrens profitiert.
Der durch die Anordnung des Bias-Kondensators verlorene Gleichanteil wird vorteilhaft am Bias-Kondensator auf der Seite zum ersten Verstärker hin mit hoher Impedanz abgegriffen. Vorzugsweise wird dies durch Anschluss an den nichtinvertierenden Eingang des zweiten Verstärkers erreicht. Die gegenüber dem Ausgangssignal des ersten Verstärkers fehlende Verstärkung, d. h. Verstärkung des ersten Verstärkers abzüglich dem Wert eins, wird durch den zweiten Verstärker auf den abgegriffenen Gleichanteil angewendet und der nun verstärkte Gleichanteil auf das Ausgangssignal des ersten Verstärkers aufaddiert. Vorteilhaft ist hierzu der Bias-Kondensator direkt an seiner anderen Seite mit der das Bezugspotential aufweisenden Masse verbunden und erfindungsgemäß mit dem Kopplungswiderstand in der Reihenfolge zwischen Anschluss ans Bezugspotential und Anschluss an den invertierenden Eingang des ersten Verstärkers ausgetauscht. Hierdurch wird im Gegensatz zu der bzgl. Kopplungswiderstand und Bias-Kondensator unvertauschten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht, mit dem zweiten Verstärker, der wie der erste Verstärker ebenfalls einen single-ended Verstärker darstellt, den Gleichanteil gegen das Bezugspotential zu messen.
Die Messung des Gleichanteils am Bias-Kondensator bietet gegenüber einem Abgriff am invertierenden Eingang des ersten Verstärkers die Möglichkeit, vorteilhaft eine maximal stabilisierte Gleichspannung abzugreifen, welche im Gegensatz zum Gleichspannungsanteil des Signals der Quelle eine sehr niedrige Quellimpedanz am Abgriff aufweist. Je höher die Kapazität C_bias des Bias-Kondensators gewählt wird, desto niedriger ist diese Quellimpedanz am Abgriff. Vorteilhaft kann daher auf ein hochwertiges Verstärkermodell verzichtet werden und der Gleichanteil bereits mit einem einfachen, günstig in der Herstellung gehaltenen Verstärker gemessen werden.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen dem Bias-Kondensator und seinem Anschluss zum Bezugspotential ein Eingangswiderstand mit dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers verbunden. Parallel zum zweiten Rückkopplungswiderstand des zweiten Verstärkers wird ein Tiefpasskondensator geschaltet. Dadurch wird ein Tiefpassverhalten bewirkt, welches das Hochpassverhalten des Bias-Kondensators in einem Frequenzgang kompensiert.
Ferner wird eine Schaltung zu einem Hochimpedanzmessverstärker beansprucht, wobei die Schaltung mindestens einen Bias-Kondensator, einen Kopplungswiderstand, einen Rückkopplungswiderstand und einen ersten Verstärker umfasst. Der erste Verstärker weist einen nichtinvertierenden bzw. positiven Eingang, einen invertierenden bzw. negativen Eingang und einen Ausgang auf. Bei der Schaltung ist ein gegenüber einer Masse als ein Bezugspotential von einer eine Quellimpedanz aufweisenden Quelle gebildetes Signal mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers verbunden und der invertierende Eingang des ersten Verstärkers ist über eine Reihenschaltung aus einem Bias-Kondensator und einem Kopplungswiderstand mit dem Bezugspotential verbunden. Der Ausgang des ersten Verstärkers ist über den Rückkopplungswiderstand mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers verbunden. Schlussendlich ist durch den Hochimpedanzmessverstärker ein single-ended Ausgangssignal bereitgestellt.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung umfasst die Schaltung zusätzlich einen hochohmigen Bias-Widerstand, der zur einen Seite mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers und zur anderen Seite mit dem Bezugspotential verbunden ist.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung umfasst die Schaltung zusätzlich einen Serienkondensator, der zwischen dem von der Quelle gebildeten Signal und dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers angeordnet ist.
In noch weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung umfasst die Schaltung zusätzlich einen ersten Ausgangswiderstand, einen zweiten Verstärker, einen zweiten Rückkopplungswiderstand, einen zweiten Ausgangswiderstand, einen dritten Verstärker und einen dritten Rückkopplungswiderstand. In der Reihenschaltung aus Bias-Kondensator und Kopplungswiderstand ist ein Anschluss des Bias-Kondensators mit dem Bezugspotential verbunden und ein Anschluss des Kopplungswiderstandes mit dem invertierenden Eingang des ersten Verstärkers verbunden. Zwischen Bias-Kondensator und Kopplungswiderstand ist ein nichtinvertierender Eingang eines zweiten Verstärkers angeschlossen. Ein Ausgang des zweiten Verstärkers ist über einen zweiten Rückkopplungswiderstand mit einem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers verbunden. Der Ausgang des ersten Verstärkers ist über einen ersten Ausgangswiderstand und der Ausgang des zweiten Verstärkers ist über einen zweiten Ausgangswiderstand gemeinsam mit einem invertierenden Eingang eines dritten Verstärkers verbunden. Ein nichtinvertierender Eingang des dritten Verstärkers ist mit dem Bezugspotential verbunden und ein Ausgang des dritten Verstärkers ist über einen dritten Rückkopplungswiderstand mit dem invertierenden Eingang des dritten Verstärkers verbunden. Dadurch ist am Ausgang des dritten Verstärkers ein single-ended Ausgangssignal bereitgestellt, welches eine Gleichanteilinformation des Signals der Quelle aufweist.
Schließlich umfasst in fortgesetzt weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung die Schaltung zusätzlich einen Eingangswiderstand und einen Tiefpasskondensator. In der Schaltung ist zwischen dem Bias-Kondensator und seinem Anschluss zum Bezugspotential der Eingangswiderstand mit dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers verbunden und der Tiefpasskondensator ist parallel zum zweiten Rückkopplungswiderstand des zweiten Verstärkers geschaltet. Dadurch weist die Schaltung ein Tiefpassverhalten auf, welches das Hochpassverhalten des Bias-Kondensators in einem Frequenzgang kompensiert.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

1 zeigt eine erste Schaltungsanordnung zu einem Hochimpedanzmessverstärker gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt ein Frequenzverhalten eines Verstärkungsfaktors für einen erfindungsgemäß bereitgestellten Hochimpedanzmessverstärker.
3 zeigt eine Schaltung zu einem verstärkten Hochpassverhalten einer Ausgestaltung des erfindungsgemäß bereitgestellten Hochimpedanzmessverstärkers.
4 zeigt eine Schaltung zu einem Gleichanteilabgriff an einer Ausführungsform des erfindungsgemäß bereitgestellten Hochimpedanzmessverstärkers.
5 zeigt eine Schaltung zu einer Kompensierung des Hochpassverhaltens in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäß bereitgestellten Hochimpedanzmessverstärkers.

In 1 wird eine erste Schaltungsanordnung 100 zu einem Hochimpedanzmessverstärker gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Es gilt eine Wechselspannung bzw. ein Signal einer Quelle 104, welche an Masse als Bezugspotential 102 angeschlossen ist und eine hohe Quellimpedanz 106 aufweist, zu verstärken. Bei dem zu messenden Signal der Quelle 104 kann es sich dabei bspw. um eine Spannung bzw. Wechselspannung einer Frequenz ω in einer leistungselektronischen Schaltung handeln, wie sie bspw. zum Betrieb eines Traktionsmotors in einem Elektrofahrzeug Anwendung findet. Über einen Serienwiderstand 108 wird das Signal in einen nichtinvertierenden bzw. positiven Eingang 120 eines ersten Verstärkers bzw. Operationsverstärkers 122 geleitet. Zusätzlich ist an diesem nichtinvertierenden Eingang 120 auch ein Bias-Widerstand 110 mit einem Wert R_bias angeschlossen, der mit seinem anderen Ende an Masse als Bezugspotential 102 angeschlossen ist und auf den nichtinvertierenden Eingang 120 stabilisierend wirkt. Dieser Bias-Widerstand 110 sollte deutlich höher sein als die Quellimpedanz 106, bspw. mindestens um einen Faktor 500 größer, was bei einer Quellimpedanz 106 mit bspw. 1 MOhm einem Bias-Widerstand von bspw. 500 MOhm oder höher entspricht. Ein invertierender bzw. negativer Eingang 118 des ersten Verstärkers 122 wird vom Bezugspotential 102 durch einen Bias-Kondensator 114 mit Kapazität C_bias und einen Kopplungswiderstand 112 mit Wert R_g entkoppelt. Ein möglicherweise vorhandener, störender Bias-Strom kann nun vorteilhaft den Bias-Kondensator 114 aufladen, so dass der Bias-Strom nicht, wie es nachteilig im Stand der Technik beim Einsatz nicht oder nicht vollständig kompensierender Operationsverstärkerschaltungen geschieht, in eine Spannung zwischen den Eingängen 118 und 120 des ersten Verstärkers umgesetzt wird. Bei dem Bias-Kondensator 114 kann es sich dabei vorteilhaft um ein in der Herstellung günstiges Modell handeln. Sogar ein sonst aufgrund seiner Nichtlinearitäten gemiedener Keramikkondensator kann hierzu eingesetzt werden. Der erste Verstärker 122 stellt an seinem Ausgang 124 ein single-ended Ausgangssignal bereit, welches über einen ersten Rückkopplungswiderstand 116 mit Wert R_f mit dem invertierenden Eingang 118 verbunden ist.
In 2 wird ein Frequenzverhalten 200 eines Verstärkungsfaktors für einen erfindungsgemäß bereitgestellten Hochimpedanzmessverstärker gezeigt. Eine Frequenz ω ist entlang einer Frequenzachse 202 nach rechts, d. h. entlang einer Abszisse aufgetragen. Nach oben, d. h. entlang einer Ordinate ist ein Verstärkungsfaktor 204 aufgetragen, wobei die Frequenzachse 202 bei einem ersten Verstärkungswert 206 von 1 geschnitten wird und der Verstärkungsverlauf 210 für hohe Frequenzen eine höchste Schaltungsverstärkung 208 von 1 + R_f/R_g erreicht. Durch den Bias-Kondensator zeigt der erfindungsgemäße Hochimpedanzmessverstärker, insbesondere bei einer hohen Kapazität von bspw. einigen 100 nF und vorzugsweise bei einigen µF, ein Hochpassverhalten. Wie der Verstärkungsverlauf 210 darstellt, werden niedrige Frequenzen und Gleichanteile des zu messenden Signals der Quelle allerdings nicht vollständig eliminiert, nur eben lediglich mit einem Verstärkungswert 206 von 1 übertragen. Die hohe Kapazität des Bias-Kondensators stabilisiert ein elektrisches Potential auf Seiten des Anschlusses des Bias-Kondensators Richtung invertierendem Eingang des ersten Verstärkers und verschiebt eine Eckfrequenz des Hochpassverhaltens des Bias-Kondensators hin zu niedrigeren Frequenzen.
In 3 wird eine Schaltung 300 zu einem verstärkten Hochpassverhalten bzw. Hochpassfilter einer Ausführungsform des erfindungsgemäß bereitgestellten Hochimpedanzmessverstärkers gezeigt. Ein solches, verstärktes Hochpassverhalten ist bspw. bei einem Wechselstrom-Spannungssensor von Interesse und ist durch eine zusätzliche Anordnung eines Serienkondensators 324 mit einer Kapazität CDC zwischen der Quelle 104 des Signals und dem nichtinvertierenden Eingang 120 des ersten Verstärkers 122 umsetzbar. Optional können weiterhin der Serienwiderstand 108 und der Bias-Widerstand 110 angeordnet werden, welche einerseits ein Potential eines Anschlusses des Serienkondensators 324 auf Seiten hin zum nichtinvertierenden Eingang 120 stabilisieren, andererseits das Frequenzverhalten dieses zusätzlichen Hochpassfilters definieren (siehe Gleichung 2).
In 4 wird eine Schaltung 400 zu einem Gleichanteilabgriff einer Ausführungsform des erfindungsgemäß bereitgestellten Hochimpedanzmessverstärkers gezeigt. Gegenüber den Schaltungen in den 1 und 3 ist die Anordnung von Bias-Kondensator 414, hier als gepolter Elektrolytkondensator ausgestaltet, und Kopplungswiderstand 112 zwischen dem invertierenden Eingang 118 des ersten Verstärkers 122 und dem Bezugspotential 102 nun vertauscht. Zwischen Bias-Kondensator 414 und Kopplungswiderstand 112 ist ein nichtinvertierender Eingang 430 eines zweiten Verstärkers 432 angeschlossen und ein Ausgang 434 des zweiten Verstärkers 432 mit einem invertierenden Eingang 428 des zweiten Verstärkers 432 verbunden. Der Ausgang 124 des ersten Verstärkers 122 ist über einen ersten Ausgangswiderstand 426 und der Ausgang 434 des zweiten Verstärkers 432 ist zusammen über einen zweiten Ausgangswiderstand 436 mit einem invertierenden Eingang 438 eines dritten Verstärkers 442 verbunden. Ein nichtinvertierender Eingang 440 des dritten Verstärkers 442 ist mit dem Bezugspotential 102 verbunden und ein Ausgang 444 des dritten Verstärkers 442 ist über einen dritten Rückkopplungswiderstand 446 mit dem invertierenden Eingang 438 des dritten Verstärkers 442 verbunden. Dadurch ist am Ausgang 444 des dritten Verstärkers 442 ein single-ended Ausgangssignal bereitgestellt, welches vorteilhaft eine Gleichanteilinformation des Signals der Quelle 104 aufweist, und trotzdem von dem den Bias-Strom eliminierenden Ansatz des erfindungsgemäßen Verfahrens profitiert. Auf einen optionalen zweiten Rückkopplungswiderstand zwischen dem Ausgang 434 des zweiten Verstärkers 432 und dem invertierenden Eingang 428 des zweiten Verstärkers 432 wird in der gezeigten Schaltung 400 des erfindungsgemäßen Hochimpedanzverstärkers mit Gleichanteilabgriff verzichtet bzw. trägt einen Wert 0 Ohm. In der Schaltung 400 ist der Gleichteilabgriff mit einem nichtinvertierenden Folger, bzw. hier einem zweiten Verstärker 432 mit Verstärkungsfaktor 1, und einer anschließenden Addierstufe, hier dargestellt durch den dritten Verstärker 442, realisiert. Die Addierstufe 442 sieht eine Verstärkung für einen Hauptpfad des Signals, erhalten nach dem ersten Ausgangswiderstand 426 mit Widerstandswert R₁ und den nach dem Ausgang 434 des zweiten Verstärkers 432 bzw. nach dem zweiten Ausgangswiderstand 436 mit Widerstandswert R₂ erhaltenden Gleichanteil. Dabei ist eine Verstärkung des Gleichanteils vorteilhaft um einen Faktor von 1 + R₁/R_g - 1 = R_f/R_g größer, und damit folglich R₂/R₁ = R_f/R_g.
In 5 wird eine Schaltung 500 zu einer Kompensierung des Hochpassverhaltens in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hochimpedanzmessverstärkers gezeigt. Zwischen dem Bias-Elektrolytkondensator 414 und seinem Anschluss zum Bezugspotential 102 ist ein Eingangswiderstand 548 mit dem invertierenden Eingang 428 des zweiten Verstärkers 432 verbunden. Parallel zum zweiten Rückkopplungswiderstand 552 des zweiten Verstärkers 432 wird ein Tiefpasskondensator 550 geschaltet. Dadurch wird ein Tiefpassverhalten bewirkt, welches das Hochpassverhalten des Bias-Kondensators bzw. hier des Bias-Elektrolytkondensators 414 in einem Frequenzgang kompensiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19531386 A1 [0005]
US 2015/0091656 A1 [0006]
US 2012/0218042 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Bereitstellung eines Hochimpedanzmessverstärkers, bei dem der Hochimpedanzmessverstärker mindestens einen ersten Verstärker (122) mit einem nichtinvertierenden bzw. positiven Eingang (120), einem invertierenden bzw. negativen Eingang (118) und einem Ausgang (124) umfasst, bei dem ein gegenüber einer Masse als ein Bezugspotential (102) von einer eine Quellimpedanz (106) aufweisenden Quelle (104) gebildetes Signal mit dem nichtinvertierenden Eingang (120) des ersten Verstärkers (122) verbunden wird, bei dem der invertierende Eingang (118) des ersten Verstärkers (122) über eine Reihenschaltung aus einem Bias-Kondensator (114, 414) und einem Kopplungswiderstand (112) mit dem Bezugspotential (102) verbunden wird, bei dem der Ausgang (124) des ersten Verstärkers (122) über einen Rückkopplungswiderstand (116) mit dem invertierenden Eingang (118) des ersten Verstärkers (122) verbunden wird, wobei durch den Hochimpedanzmessverstärker ein single-ended Ausgangssignal (124) bereitgestellt wird, welches bias-stromunempfindlich ist und auf Grund des Bias-Kondensators (114, 414) eine Hochpasskopplung bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Bias-Kondensator (114) durch einen Keramikkondensator realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Bias-Kondensator (414) durch einen Elektrolytkondensator realisiert wird, dessen positiver Anschluss zumindest mittelbar mit dem invertierenden Eingang (118) des ersten Verstärkers (122) verbunden wird und dessen negativer Anschluss zumindest mittelbar mit der Masse (102) verbunden wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der nichtinvertierende Eingang (120) des ersten Verstärkers (122) mit einem hochohmigen gegen das Bezugspotential (102) geschalteten Bias-Widerstand (110) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der hochohmige Bias-Widerstand (110) mindestens um einen Faktor 500 höher als die Quellimpedanz (106) gewählt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zwischen der Quelle (104) und dem nichtinvertierenden Eingang (120) des ersten Verstärkers (122) ein Serienkondensator (324) angeordnet wird, wodurch eine zusätzliche Hochpasskopplung bewirkt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem in der Reihenschaltung aus Bias-Kondensator (414) und Kopplungswiderstand (112) ein Anschluss des Bias-Kondensators (414) mit dem Bezugspotential (102) verbunden wird und ein Anschluss des Kopplungswiderstandes (112) mit dem invertierenden Eingang (118) des ersten Verstärkers (122) verbunden wird, bei dem zwischen Bias-Kondensator (414) und Kopplungswiderstand (112) ein nichtinvertierender Eingang (430) eines zweiten Verstärkers (432) angeschlossen wird, bei dem ein Ausgang (434) des zweiten Verstärkers (432) über einen zweiten Rückkopplungswiderstand mit einem invertierenden Eingang (428) des zweiten Verstärkers (432) verbunden wird, bei dem der Ausgang (124) des ersten Verstärkers (122) über einen ersten Ausgangswiderstand (426) und der Ausgang (434) des zweiten Verstärkers (432) über einen zweiten Ausgangswiderstand (436) zusammen mit einem invertierenden Eingang (438) eines dritten Verstärkers (442) verbunden wird, bei dem ein nichtinvertierender Eingang (440) des dritten Verstärkers (442) mit dem Bezugspotential (102) verbunden wird, bei dem ein Ausgang (444) des dritten Verstärkers (442) über einen dritten Rückkopplungswiderstand (446) mit dem invertierenden Eingang (438) des dritten Verstärkers (442) verbunden wird, wobei am Ausgang (444) des dritten Verstärkers (442) ein single-ended Ausgangssignal bereitgestellt wird, welches eine Gleichanteilinformation des Signals der Quelle (104) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem zwischen dem Bias-Kondensator (414) und seinem Anschluss zum Bezugspotential (102) ein Eingangswiderstand (548) mit dem invertierenden Eingang (428) des zweiten Verstärkers (432) verbunden wird, bei dem ein Tiefpasskondensator (550) parallel zum zweiten Rückkopplungswiderstand (552) des zweiten Verstärkers (432) geschaltet wird, wobei dadurch ein Tiefpassverhalten bewirkt wird, welches das Hochpassverhalten des Bias-Kondensators (414) in einem Frequenzgang kompensiert.
Schaltung (100) zu einem Hochimpedanzmessverstärker, welche mindestens einen Bias-Kondensator (114), einen Kopplungswiderstand (112), einen Rückkopplungswiderstand (116) und einen ersten Verstärker (122) umfasst, wobei der erste Verstärker (122) einen nichtinvertierenden bzw. positiven Eingang (120), einen invertierenden bzw. negativen Eingang (118) und einen Ausgang (124) aufweist, bei welcher ein gegenüber einer Masse als ein Bezugspotential (102) von einer eine Quellimpedanz (106) aufweisenden Quelle (104) gebildetes Signal mit dem nichtinvertierenden Eingang (120) des ersten Verstärkers (122) verbunden ist, bei welcher der invertierende Eingang (118) des ersten Verstärkers (122) über eine Reihenschaltung aus einem Bias-Kondensator (114) und einem Kopplungswiderstande (112) mit dem Bezugspotential (102) verbunden ist, bei welcher der Ausgang (124) des ersten Verstärkers (122) über den Rückkopplungswiderstand (116) mit dem invertierenden Eingang (118) des Verstärkers (122) verbunden ist, und bei welcher durch den Hochimpedanzmessverstärker ein single-ended Ausgangssignal (124) bereitgestellt ist, wobei die Schaltung dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auszuführen.
Schaltung (100) nach Anspruch 9, bei der die Schaltung (100) zusätzlich einen hochohmigen Bias-Widerstand (110) umfasst, der zur einen Seite mit dem nichtinvertierenden Eingang (120) des ersten Verstärkers (122) und zur anderen Seite mit dem Bezugspotential (102) verbunden ist.
Schaltung (300) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei der die Schaltung (100) zusätzlich einen Serienkondensator (324) umfasst, der zwischen dem von der Quelle (104) gebildeten Signal und dem nichtinvertierenden Eingang (120) des ersten Verstärkers (122) angeordnet ist.
Schaltung (400) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die Schaltung (100) zusätzlich einen ersten Ausgangswiderstand (426), einen zweiten Verstärker (432), einen zweiten Rückkopplungswiderstand, einen zweiten Ausgangswiderstand (436), einen dritten Verstärker (442) und einen dritten Rückkopplungswiderstand (446) umfasst, wobei in der Reihenschaltung aus Bias-Kondensator (414) und Kopplungswiderstand (112) ein Anschluss des Bias-Kondensators (414) mit dem Bezugspotential (102) verbunden wird und ein Anschluss des Kopplungswiderstandes (112) mit dem invertierenden Eingang (118) des ersten Verstärkers (122) verbunden wird, , bei dem zwischen Bias-Kondensator (414) und Kopplungswiderstand (112) ein nichtinvertierender Eingang (430) eines zweiten Verstärkers (432) angeschlossen ist, bei dem ein Ausgang (434) des zweiten Verstärkers (432) über einen zweiten Rückkopplungswiderstand mit einem invertierenden Eingang (428) des zweiten Verstärkers (432) verbunden ist, bei dem der Ausgang (124) des ersten Verstärkers (122) über einen ersten Ausgangswiderstand (426) und der Ausgang (434) des zweiten Verstärkers (432) über einen zweiten Ausgangswiderstand (436) zusammen mit einem invertierenden Eingang (438) eines dritten Verstärkers (442) verbunden sind, bei dem ein nichtinvertierender Eingang (440) des dritten Verstärkers (442) mit dem Bezugspotential (102) verbunden ist, bei dem ein Ausgang (444) des dritten Verstärkers (442) über einen dritten Rückkopplungswiderstand (446) mit dem invertierenden Eingang (438) des dritten Verstärkers (442) verbunden ist, wodurch am Ausgang (444) des dritten Verstärkers (442) ein single-ended Ausgangssignal bereitgestellt ist, welches eine Gleichanteilinformation des Signals der Quelle (104) aufweist.
Schaltung (500) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der die Schaltung (400) zusätzlich einen Eingangswiderstand (548) und einen Tiefpasskondensator (550) umfasst, wobei in der Schaltung (500) zwischen dem Bias-Kondensator (414) und seinem Anschluss zum Bezugspotential (102) der Eingangswiderstand (548) mit dem invertierenden Eingang (428) des zweiten Verstärkers (432) verbunden ist, wobei der Tiefpasskondensator (550) parallel zum zweiten Rückkopplungswiderstand (552) des zweiten Verstärkers (432) geschaltet ist, wodurch die Schaltung (500) ein Tiefpassverhalten aufweist, welches das Hochpassverhalten des Bias-Kondensators (414) in einem Frequenzgang kompensiert.