DE1113008B - Gegengekoppelter Gleichspannungsverstaerker mit Driftkompensation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft gegengekoppelte Verstärker hoher Eingangsimpedanz mit Driftfreiheit. Solche Verstärker sind gewöhnlich mit Reihengegenkopplung ausgebildet, d. h., die Gegenkopplungsspannung ist in Reihe mit der Signalspannung geschaltet. Eine Eingangsklemme des Verstärkers liegt z. B. an Erde, während die Signalquelle zwischen die andere Eingangsklemme des Verstärkers und seinen Ausgang geschaltet ist. Verstärker dieses Typs haben negative Verstärkung, wobei das tatsächlich an den Verstärkerklemmen liegende Signal (das Fehlersignal) die Differenz zwischen dem Gegenkopplungssignal und dem Quellensignal ist; wegen der bekannten Eigenschaften der Gegenkopplung ist dieses Fehlersignal um so kleiner, je höher die Verstärkung ist. Der Eingangsstrom ist nämlich gleich dem Fehlersignal geteilt durch die Impedanz zwischen den Eingangsklemmen, und der in der Eingangsschleife tatsächlich fließende Strom kann dadurch auf ein Minimum gebracht werden, daß das Fehlersignal klein oder, was dasselbe ist, die Verstärkung sehr groß gemacht wird.

Bei der Parallelgegenkopplung ist die Signalquelle gewöhnlich zwischen Erde und die ungeerdete Verstärkereingangsklemme geschaltet, während die Gegenkopplungsspannung an denselben Eingang über eine Impedanz angelegt wird, die den Ausgang mit dem Eingang verbindet. In diesem Falle kann wie bei Reihengegenkopplung die Verstärkerfunktion darauf gerichtet werden, die Fehlerspannung niedrig zu halten. Jedoch wird bei Parallelgegenkopplung der Signalquellenpol, der an den Verstärkereingang geschaltet ist, über die Gegenkopplungsimpedanz auch mit dem Ausgang (niedriger Impedanz) verbunden. Infolgedessen wird der in dem Eingangskreis fließende Strom wesentlich von dem tatsächlichen Wert der Eingangsimpedanz bestimmt und durch die Verstärkung nicht vermindert. Parallelgegenkopplung kann somit nur dort verwendet werden, wo die Signalquelle in gewissem Maße belastet werden kann. Reihengegenkopplung dagegen ist dann erforderlich, wenn die Signalquelle selbst eine hohe Impedanz aufweist. In diesem Fall würde jeder merkliche Eingangsstromfluß eine genaue Messung illusorisch machen.

Verstärkung von Gleichstromsignalen kann mittels Zerhackerverstärkern erfolgen, in denen das Signal mittels Zerhacker oder Modulatoren in ein Wechselstromsignal umgewandelt, danach in einem Wechselstromverstärker verstärkt und, falls ein Gleichstromausgangssignal erforderlich ist, demoduliert wird, z. B. durch Anwendung eines mechanischen Zerhackers mit einem doppelten Kontaktsatz. Zerhackerverstärker müssen, wenn sie gut gebaut sind, Gegengekoppelter Gleichspannungsverstärker mit Driftkompensation

Anmelder:

Beckman Instruments, Inc.,
Fullerton, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau, Lauterstr. 37, und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg, München 27,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 22. Januar 1957

Noel Bennett Braymer, Garden Grove, CaHf.,
und Everett Winton Molloy, Fullerton, Calif.

(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

eine sehr große Genauigkeit aufweisen. Im besonderen, wenn eine hohe Eingangsimpedanz verlangt wird, müssen sie große Verstärkung haben, so daß sie teuer werden. Wenn im Gegensatz dazu galvanisch gekoppelte Gleichstromverstärker benutzt werden, kann das Ausgangssignal von dem Verstärkungsfaktor durch die Anwendung von Gegenkopplung unabhängig werden. Jedoch muß dabei das Problem der Verstärkerdrift gelöst werden.

Ein Weg zur Lösung dieses Problems ist z. B. in dem britischen Patent 620 140 gezeigt worden. Dieses Patent betrifft gegengekoppelte Verstärker, bei denen die Gegenkopplungsimpedanz von einem Schalter periodisch kurzgeschlossen wird, während das Signal an den Verstärkereingang über einen Kondensator als Eingangsimpedanz angelegt wird. Dabei kann der Eingangskondensator auf eine der Drift entgegenwirkende Spannung geladen werden, da der Gesamtverstärkungsfaktor gleich dem Quotienten der Gegenkopplung und der Eingangsimpedanz ist und da während des Kurzschlusses die Gesamtverstärkung Null und infolgedessen der Ausgang unterbrochen ist. Während des Zeitraums, in dem der Ausgang mit dem Eingang des Verstärkers durch den Schalter ver-

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bunden ist, wird der Kondensator auf eine Spannung geladen, die gleich der Driftspannung ist. Bei der nächsten Wiederanschaltung der Gegenkopplung wird diese Ladung auf dem Kondensator beibehalten und bewirkt einen Ausgleich der Drift. Jedoch ist erstens die Unterbrechung des Ausgangs unzweckmäßig, wenn eine kontinuierliche Aufzeichnung der Signalspannung erforderlich ist, und zweitens handelt es sich um eine Parallelschaltung, die nicht für Signalquellen mit hoher innerer Impedanz verwendet werden kann.

Das britische Patent 633 551 zeigt eine Schaltung, bei der die Signalspannung in Reihe mit der Ausgangsspannung des Verstärkers liegt und dieser entgegenwirkt. Daher ist diese Schaltung zwar zur Ver-Stärkung von Signalen aus Quellen mit hoher innerer Impedanz geeignet. Jedoch wird der Ausgang wie in dem vorgenannten Patent auch während des Verbindungszustandes unterbrochen.

Der Verstärker gemäß der Erfindung ist wegen seiner Reihengegenkopplung für Signalquellen hohen Innenwiderstandes geeignet und unterscheidet sich von den bisher bekannten Verstärkeranordnungen dieser Art durch die besondere Ausbildung der Driftkorrektur. Das Ziel der Erfindung wird dadurch erreicht, daß während der Meßphase verhältnismäßig langer Dauer der Eingangs- oder Speicherkondensator mittels einer ersten Kontaktgruppe abwechselnd mit der Reihenschaltung der Signalquelle und wenigstens eines Teiles der Ausgleichssignalspannung in Gegenkopplung und während der Korrekturphase verhältnismäßig kurzer Dauer mit einem Bezugspunkt verbunden ist und daß der Verstärkerausgang während der Korrekturphase mittels einer zweiten Kontaktgruppe über den Ausgangs- oder Korrekturkondensator mit dem Verstärkereingang verbunden ist, so daß am Speicherkondensator eine Ladung aufgebaut wird, die der etwa im Verstärker erzeugten Driftspannung entgegenwirkt.

Die Erfindung wird im Laufe der weiteren Be-Schreibung vollständig erörtert werden. Die Zeichnungen enthalten bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, die als Beispiele erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer vollständigen Ausführungsform des Verstärkers nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild der abgeänderten Ausführungsform eines Teiles des Verstärkers nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer abgeänderten Ausführungsform des Verstärkers nach Fig. 1,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer vereinfachten Ausführungsform des Verstärkers nach Fig. 1 und

Fig. 5 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, die zur Verwendung in einem p_H-Meßgerät geeignet ist.

Die vollständige Ausführungsform des Verstärkers nach der Erfindung ist in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellt. Die Signalspannung El, die verstärkt werden soll, ist an die Eingangsklemmen 10 und 11 geschaltet. Ein fester Kontakt 12 eines geeigneten Relais oder Schalters 13 ist mit der Klemme 10 verbunden, und ein weiterer fester Kontakt 14 der Kontaktgruppe 13 ist an Erde geführt. Der bewegliche Kontakt 15 ist an eine Elektrode eines Kondensators Cl geschaltet, der als Speichereinheit dient. Die andere Elektrode des Kondensators liegt über eine Leitung 16 am Eingang des Verstärkers. Der Verstärker dieser Ausführungsform ist mit zwei Abschnitten versehen, die im folgenden als »Gegenkopplungsverstärker« A1 bzw. »Korrekturverstärker« A 2 bezeichnet werden.

Die Ausgangsspannung El des Gegenkopplungsverstärkers A1 trifft am Belastungswiderstand 20 auf und kann mit jeder üblichen Spannungsmeßvorrichtung gemessen und/oder aufgezeichnet werden; sie ist demnach die Nutzausgangsspannung der Verstärkeranordnung. Der Ausgang des Gegenkopplungsverstärkers A1 ist direkt mit der Eingangsklemme 11 über den Leiter 21 verbunden, wodurch eine 100°/oige Gegenkopplung des Verstärkers A1 bewirkt wird.

Der Ausgang des Gegenkopplungsverstärkers A1 ist ferner an den Eingang des Korrekturverstärkers A 2 gekoppelt, der ein üblicher Spannungsverstärker sein kann, dessen Verstärkung vorzugsweise das Mehrfache der Verstärkung des Verstärkers A1 beträgt. Ein Korrekturkondensator C 2 ist an den Ausgang E 3 des Korrekturverstärkers A 2 in Reihe mit dem beweglichen Kontakt 22 einer Kontaktgruppe 24 geschaltet, die der Kontaktgruppe 13 entspricht, während ein fester Kontakt 23 an der anderen Ausgangsklemme liegt. Ein weiterer fester Kontakt 25 ist über einen Leiter 26 mit derjenigen Elektrode des Speicherkondensators Cl verbunden, die an den Verstärkereingang 16 angeschlossen ist.

Beim Betrieb des Verstärkers nach der Erfindung werden die Kontaktgruppen 13 und 24 aus den in Fig. 1 dargestellten Stellungen, welche die Meßphase kennzeichnen, in die entgegengesetzten Stellungen, d. h. die Korrekturphase, geschaltet, und umgekehrt. Dieses Schalten erfolgt vorzugsweise periodisch und selbsttätig etwa durch einen Motorantrieb oder eine Oszillatorschaltung. Die Dauer der Korrekturphase braucht nur ein sehr kleiner Teil des gesamten Schaltzyklus zu sein, und beispielsweise ist ein Schaltzyklus in der Größenordnung von einer Periode pro Sekunde für die pg-Meßeinrichtung geeignet, die nach dieser Erfindung erläutert wird.

Der Hauptzweck des Verstärkers nach der Erfindung besteht darin, Änderungen der Ausgangsspannung E 2, die nicht Änderungen der Eingangsspannung El entsprechen, zu beseitigen oder weitgehend zu vermindern. Solche Änderungen werden durch Störungen in dem Gegenkopplungsverstärker A1 veranlaßt und sind in Fig. 1 durch das Signal E₀ dargestellt, das am Verstärkereingang hinzugefügt ist. In der Korrekturphase, d. h. wenn die Kontaktgruppen 13, 24 die umgekehrte Stellung als in Fig. 1 haben, ist der Eingang des Gegenkopplungsverstärkers A1 über den Kondensator C1 mit Erde verbunden, und der Speicherkondensator wird von dem Korrekturkondensator C 2 über den Leiter 26 geladen. Während dieser Betriebsphase ändert sich die Ausgangsspannung E2 um einen Betrag, der angenähert gleich dem Driftsignal E₀ geteilt durch die Verstärkung des Korrekturverstärkers A 2 ist. Da dessen Verstärkung gewöhnlich ziemlich hoch ist, ist diese Änderung der Ausgangsspannung sehr klein, und in den meisten Fällen wird sie im wesentlichen Null sein.

In der Meßphase, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, wird die infolge der Ladung des Speicherkondensators C1 vorhandene Spannung mit dem Eingangssignal El kombiniert, um dem Driftsignal E₀ am Eingang des Gegenkopplungsverstärkers A1 entgegenzuwirken, während der Korrekturkondensator C 2 auf das Ausgangspotential E 3 des Korrekturverstärkers A 2 geladen wird. Somit ist während dieser Arbeitsphase

die Ausgangsspannung E 1 im wesentlichen gleich der Eingangsspannung El, wobei diese Beziehung eine Funktion der Verstärkungen von Al und Al ist. Selbstverständlich gilt das Verhältnis 1:1 nur, wenn eine Gegenkopplung von praktisch 100% vorhanden ist, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Andere Gegenkopplungswerte bewirken andere Verhältnisse zwischen den Ausgangs- und Eingangssignalen. Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird somit die Beziehung des Ausgangssignals El zu dem Eingangssignal El über lange Zeiträume konstant gehalten, ohne eine Nachprüfung oder Nachstellung von außen zu erfordern.

Eine Analyse der Schaltung ergibt, daß sich während der Korrekturphase die Ausgangsspannung El des Gegenkopplungsverstärkers A1 von ihrem Wert am Ende der Meßphase nur um einen Betrag ändert, der im wesentlichen gleich der Größe des Signals E_D geteilt durch die Verstärkung des Korrekturverstärkers A 2 ist. Diese Änderung wird ziemlich klein sein, da dessen Verstärkung verhältnismäßig groß gemacht ist. Während der Meßphase liefert die Schaltung nach der Erfindung eine Driftverminderung, die im wesentlichen gleich dem Produkt der Verstärkungen der beiden Verstärker ist, und die Genauigkeit der Meßschaltung entspricht dem Produkt der Verstärkung des Korrekturverstärkers und des Quadrates der Verstärkung des Gegenkopplungsverstärkers.

Beispielsweise soll eine Schaltung mit einer Gesamtverstärkung von 1000 betrachtet werden, wobei der Gegenkopplungsverstärker eine Verstärkung von 10 und der Korrekturverstärker eine Verstärkung von 100 hat. Die Änderung der Ausgangsspannung während der Korrekturphase beträgt E₀IlUO und ist somit vernachlässigbar, wogegen die Genauigkeit während der Meßphase gleich der Genauigkeit eines einfachen Verstärkers mit der Verstärkung 10 000 ist.

Natürlich können Änderungen in den Schaltungseinzelheiten vorgenommen werden, ohne die Arbeitsweise des Verstärkers zu beeinflussen. Einige solcher Änderungen sind im folgenden beschrieben. Beispielsweise braucht das Korrektursignal nicht über die Eingangsleitung in den Gegenkopplungsverstärker eingeführt zu werden, sondern kann auch an einem anderen geeigneten Punkt zugeleitet werden. In Fig. 2 ist der Gegenkopplungsverstärkereingang 16 einerseits direkt mit dem beweglichen Kontakt 15 der Kontaktgruppe 13 und andererseits mit einem Gitter einer Verstärkerröhre 30 verbunden. Der Speicherkondensator C1 wird von dem Korrekturkondensator Cl über den Leiter 16, einen beweglichen Kontak 31 und einen festen Kontakt 32 eines Schalters 33 geladen, der während der Meßphase offen (wie in Fig. 2 dargestellt ist) und während der Korrekturphase geschlossen ist. Das Signal von dem Speicherkondensator wird in den Verstärker A1 an ein zweites Gitter der Verstärkerröhre 30 über einen Kathodenverstärker 34 eingeführt. In allen anderen Beziehungen kann die Schaltung nach Fig. 2 identisch mit der Schaltung nach Fig. 1 sein.

Weitere zweckmäßige Änderungen sind in Fig. 3 dargestellt. Der feste Kontakt 14 der Kontaktgruppe 13 ist mit einer Bezugsklemme 35 verbunden und nicht mehr an Erde, wie in Fig. 1, geführt. Eine Hilf sspannung E_R, die konstant sein oder sich im Vergleich zur Schaltperiode des Verstärkers langsam ändern kann, ist mit den Klemmen 35 und 36 verbunden und dient als Bezugswert, mit dem der Speicherkondensator C1 während der Korrekturphase verbunden ist. In einer solchen Schaltung dient der Verstärker als Differenzverstärker, wobei die Ausgangsspannung El eine Funktion der Differenz zwischen dem Bezugssignal E_R und dem Eingangssignal El ist. Ein Beispiel für die Anwendung dieser abgewandelten Schaltung ist, wenn der Eingang mit einer Photozelle verbunden ist und ihr Dunkelstrom ein Signal an der Klemme 35 zur Verwendung als Bezugsspannung liefert.

Ein Gegenkopplungsfaktor von weniger als 100 °/o wird in der Schaltung nach Fig. 3 dadurch erreicht, daß der Belastungswiderstand 20 durch ein Potentiometer 44 ersetzt und der Gegenkopplungsleiter 21 mit einem Abgriff 45 des Potentiometers anstatt mit dem Ausgang des Gegenkopplungsverstärkers Al verbunden wird. Der Gegenkopplungsfaktor kann auf Null vermindert werden, wenn der Abgriff zu dem unteren Ende des Potentiometers bewegt, d. h. die Eingangsklemme 11 an Erde geführt wird.

Der Korrekturkondensator Cl ist in Reihe mit einem Widerstand 40 zwischen die Ausgangsklemmen des Korrekturverstärkers A1 geschaltet, so daß ein fester Kontakt in einem Schalter 41 wegfällt, der den Korrekturkondensator C 2 mit dem Speicherkondensator Cl verbindet. Der Schalter 41 besteht aus einem an den Leiter 26 angeschlossenen beweglichen Kontakt 42 und einem festen Kontakt 43, der mit dem Widerstand 40 und dem Kondensator C 2 verbunden ist, wobei die Kontakte in Fig. 3 in der Meßphase dargestellt sind. Die an Hand der Fig. 3 erörterten Änderungen können in die Schaltung nach Fig. 1 entweder einzeln oder in jeder gewünschten Kombination eingeführt werden, ohne die Arbeitsweise des Verstärkers nach Fig. 1 zu ändern.

Eine vereinfachte Form der Schaltung nach Fig. 1 ist in Fig. 4 dargestellt, wo der Korrekturverstärker Al weggelassen ist und der Korrekturkondensator Cl sowie der Kontaktsatz 24 unmittelbar an den Ausgang des Verstärkers A1 geschaltet sind. Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist dieselbe wie die der Schaltung nach Fig. 1. Jedoch werden Änderungen, die in dem Ausgangswiderstand 20 während der Korrekturphase erzeugt werden, größer sein als bei der Schaltung nach Fig. 1 unter gleichwertigen Betriebsbedingungen. Die Schaltung nach Fig. 4 kann in Fällen benutzt werden, bei denen die Drift des Verstärkers klein gegen die Größe des zu messenden Signals ist.

Der sich selbst ausgleichende Verstärker nach der Erfindung ist im besonderen zur Verwendung mit einer p_H-Meßeinrichtung geeignet, die eine Glaselektrode und eine Bezugselektrode zum Einsetzen in die Lösung zwecks Bestimmung deren p_H-Wertes aufweist. Ein Schaltbild eines solchen Verstärkers ist in Fig. 5 dargestellt und enthält einen Eingangsteil 50, einen ersten oder Gegenkopplungsverstärkerteil 51, einen zweiten oder Korrekturverstärkerteil 52, einen Ausgangsteil 53 und einen Oszillatorteil 54. Die letzten zwei Teile sind nur angedeutet. Ein Eingangssignal wird an den Gegenkopplungsverstärker über eine Eingangsklinke 58, eine Kontaktgruppe 59 eines Relais 60, den Speicherkondensator C1 und einen Gitterwiderstand 61 gekoppelt. Ein fester Kontakt 62 ist über einen Widerstand 63 mit Erde verbunden, wobei der Kontakt 62 der Bezugspunkt ist, mit dem der Eingang des Gegenkopplungsverstärkers während der Korrekturphase verbunden ist. Eine weitere Kontaktgruppe 64 des Relais 60 sorgt für die Ladung des

Speicherkondensators Cl von dem Korrekturkondensator C 2 während der Korrekturphase. Da der Widerstand 63 in Reihe mit dem Speicherkondensator Cl geschaltet ist, wird dieser auf den Durchschnittswert des Ausgangs des Korrekturverstärkers während der Korrekturphase geladen mit dem Ziel, die Wirkungen des Hochfrequenzrauschens von der erzielten Driftkompensation zu eliminieren.

In Fig. 5 sind die Kontaktgruppen des Relais 60 in der Meßphase dargestellt; es wird von einem Niederfrequenzoszillator 54 betätigt, und zwar angenähert einmal pro Sekunde. Die Schaltung wird über eine Leitung B + gespeist, die an eine übliche Stromversorgung angeschlossen ist.

Der erste Verstärkerteil 51 ist der eigentliche p_H-Meßverstärker, der dem Verstärker A1 in Fig. 1 entspricht. Dieser Verstärkerteil umfaßt eine Verstärkerröhre 68 mit einem Symmetrieregler 69, eine Kathodenverstärkerstufe 70 und eine weitere Kathodenverstärkerstufe 71. Der Korrekturverstärker 52 besteht aus einer Doppelröhre 77, die als ein zweistufiger Verstärker mit einer Eingangsspannung gesteuert wird, die von der Kathodenverstärkersrufe 70 über eine Leitung 78 geliefert wird; der Ausgang liegt parallel zu dem Kondensator C 2 über einem Widerstand 79. Die Verstärkung des Verstärkerteils 51 wird durch eine Gegenkopplungsschleife über die Leitung 73 stabilisiert.

Der Ausgang des p_H-Meßverstärkerteils 51 ist über die Leitung 72, einen Strommesser und Widerstände an Erde geführt.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Gegengekoppelter Gleichspannungsverstärker mit Driftkompensation mit niedriger Ausgangsimpedanz und hoher Eingangsimpedanz, bei dem die Signalquelle über einen Kondensator angelegt ist, der ständig mit einer Eingangsklemme des Verstärkers verbunden ist, dadurch gekenn zeichnet, daß während der Meßphase verhältnismäßig langer Dauer der Eingangs- oder Speicherkondensator (Cl) mittels einer ersten Kontaktgruppe (13) abwechselnd mit der Reihenschaltung der Signalquelle und wenigstens eines Teiles der Ausgangssignalspannung in Gegenkopplung und während der Korrekturphase verhältnismäßig kurzer Dauer mit einem Bezugspunkt verbunden ist und daß der Verstärkerausgang während der Korrekturphase mittels einer zweiten Kontaktgruppe (24) über den Ausgangs- oder Korrekturkondensator (C 2) mit dem Verstärkereingang verbunden ist, so daß am Speicherkondensator eine Ladung aufgebaut wird, die der etwa im Verstärker erzeugten Driftspannung entgegenwirkt (Fig. 4).

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Kontaktgruppen gleichzeitig betätigt werden.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktgruppen von einem Oszillator periodisch betätigt werden.

4. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker einen Gegenkopplungsteil (A 1) und einen Korrekturteil (/42) in Hintereinanderschaltung aufweist (Fig. 1).

5. Verstärker anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Korrekturteils mit der Reihenschaltung des zweiten Korrekturkondensators (C 2) und eines Widerstandes (40) abgeschlossen ist und daß die zweite Kontaktgruppe (41) während der Korrekturphase den Knotenpunkt von Kondensator und Widerstand mit dem Speicherkondensator (Cl) verbindet (Fig. 3).

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 619 552;
britische Patentschriften Nr. 620 140, 633 551;
französische Patentschrift Nr. 1 011 936.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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