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Analoarechenverstärker mit kapazitiver C
Rückkopplung
Die Erfindung betrifft einentransistorisierten Analogrechenverstärker hoher innerer
Verstärkung mit kapazitiver Rückkopplung, der Schaltmittel aufweist, die nach jedem
Rechenschritt einen definierten Rechenanfangszustand herstellen.
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Solche Rechenverstärker dienen in Analogrechenanlagen als Integratoren.
Die Ausgangsspannung entspricht dem zeitlichen Integral der Eingangsspannung während
eines Rechenschritts.Aus Gründen besserer Beobachtbarkeit wiederholtman einen Rechenschritt
gerne mehrf ach mit den gleichen Parametern und legt zwischen zwei Rechenschritte
eine Pausenzeit ein, Endzustand in der die in ganze einen Anlage definierten aus
Anfangszustand dem Rechenschritt- zu- «
rückgebracht wird (iterierendes Rechnen).
Insbesondere müssen in der Pause speichernde Elemente wie Kondensatoren entladen
werden. Wegen der hohen inneren Verstärkung der Rechenverstärker (etwa
101)
müssen die Rückkopplungskondensatoren von Integratoren besonders genau
entladen werden. Dies erfolgt in bekannten Anlagen durch die Kondensatorplatten
überbrückende Relaiskontakte oder durch zusätzliche Spannungsquellen, die während
der Pausenzeit zu dem Kondensator parallel geschaltet werden.
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Derartige Integratoren sind z. B. beschrieben in der deutschen Auslegeschrift
1038 798, in dem Aufsatz »Die elektronische Analogie-Rechenmaschine«, Elektronik,
1956, Nr. 11, S. 295 bis 300, und in dem Buch von
C. A. A. W a a s »Introduction to Electronic Analogue Computers«, Pergamon
Press Ltd., London, 1955, auf den Seiten 165 bis 167.
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Es ist nun ein allgemeiner Wunsch, bei derartigen Schaltungen die
mechanischen Relaiskontakte durch moderne elektronische Schaltmittel zu ersetzen.
Der Übergang von mechanischen Kontakten, wie z. B. Relaiskontakten, zu elektronischen
Schaltmitteln wird jedoch durch die nicht idealen Schaltungseigenschaften dieser
Mittel erschwert. Während der Rechenschritte machen sich Restströme dieser Schaltmittel
in den Integratoren unangenehm bemerkbar, und in den Pausenzeiten bewirken Restspannungen,
daß die Kondensatoren nicht völlig entladen werden.
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Die Erfindung betrifft diese Schaltmittel zum Herstellen eines definierten
Rechen-Anfangszustandes -von Analogintegratoren und besteht darin, daß ein Transistor
vorgesehen ist, über dessen Schaltstrecke in Ab-
hängigkeit von einem an seiner
Steuerstrecke angelegten Schaltimpuls der Rückkopplungskondensator geladen wird,
und daß parallel zum Rückkopplungskondensator ein nichthnearer Zweipol geschaltet
ist, der die Kondensatorspannung auf einen definierten Rechen-Anfangszustand begrenzt.
Auf diese Weise läßt sich ein definierter Anfangszustand leichter einstellen als
z. B. durch Überbrücken des Integrierkondensators und auch leichter als mit den
bekannten angeführten Schaltungen. Durch die hohe innere Verstärkung des Integrierverstärkers
und den durch dieselbe bedingten hohen Eingangswiderstand desselben wird bewirkt,
daß ein durch den Transistor gegebener Stromimpuls voll zur Kondensatorauf- bzw.
-umladung ausgenutzt wird, während die Begrenzung der Verstärkerausgangsspannung
auf den definierten Anfangswert durch den nichtlinearen Zweipol erfolgt. Somit ist
eine genaue Einstellung des Anfangswertes bei kürzester End- bzw. Umladezeit des
Kondensators gewährleistet.
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Aus den eingangs genannten Literaturstellen ist es zwar bekannt, zur
Einstellung eines Integrationsanfangswertes an den Verstärkereingang' eines Integrators
über Schalter ein Bezugspotential zu legen. Die Größe des Bezugspotentials ist aber
dort eine abgeleitete Größe und bestimmt unmittelbar die Höhe der Integrationsanfangsspannung.
Bei der Erfindung hingegen ist zur genauen Einstellung der Höhe der Integrationsanfangsspannung
ein nichtlinearer Zweipol vorgesehen, der in Weiterbildung der Erfindung aus der
Serienschaltung zweier Zenerdioden besteht. Aus der USA.-Patentschrift 2
966 307 ist es zwar für als Summierer geschaltete Rechenverstärker bekannt,
zum Zwecke der Rückkopplungsbegrenzung zwei gegensinnig gepolte Zenerdioden zwischen
den Verstärkereingang und -ausgang zu legen. Diese Maßnahme
konnte
jedoch keine Hinweise für eine günstige Schaltung zur Gewinnung einer Integrieranfangsspannung
bei Integrierern geben.
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Die Erfindung eignet sich besonders gut für solche Integratoren, deren
definierter Anfangszustand bei einer Ausgangsspannung gewählt ist, die an der oberen
oder unteren Grenze des Spannungsbereichs für die Rechnung liegt, da hierbei der
Rechen-Endzustand den RÜckstellvorgang nicht beeinflußt , und der Schaltimpuls eine
ausreichend große Energie aufweisen kann, durch die der Verstärkerausgang sicher
in den Anfangszustand gelangt.
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Soll aber ein Anfangszustand erreicht werden, der zwischen den Rechenbereichsgrenzen
-liegt, dann empfiehlt es sich, die Kondensatorspannung im Rechen-Endzustand selbst
zur Formung eines jeweils geeigneten Rückstellimpulses auszuwerten.
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Das folgende Beispiel, an dem die Erfindung erläutert werden soll,
geht aber davon aus, daß die Verstärkerausgangsspannung zu Beginn einer Rechnung
stets einer Rechenbereichsgrenze, beispielsweise der negativen Grenze entspricht.
Die Integrationsrichtung ist dann stets positiv.
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In der einzigen Figur ist ein Rechenverstärker 1
mit dem in
der Analogrechentechnik gebräuchlichen Symbol, einem gleichschenkligen Dreieck mit
bogenförinig gekrümmter Basis, dargestellt. Die Verwendung des Symbols soll zeigen,
daß an den inneren Auf-
bau dieses Verstärkers keine über die allgemein üblichen
hinausgehenden Forderungen gestellt werden. Der Verstärkungsfaktor soll groß, z.
B. 101 und der Eingang soll beliebig hochohmig ausgebildet sein. Zwischen
dem Ausgang 2 dieses Verstärkers und dem Eingang 3
ist ein Rückkopplungskondensator
4 angeordnet, durch den der Verstärker zu einem Integrator wird, wenn man dem Verstärkereingang
3 eine Eingangsspannung über einen Widerstand 5 zuführt. Eine solche
Eingangsspannung wird auf ein festes Potential, z. B. auf ein am Anschluß
6 anliegendes Erdpotential bezogen, das auch die Referenzspannung für den
Ausgang bildet.
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Parallel zu dem Rückkopplungskondensator ist die Serienschaltung zweier
derartiger Zenerdioden 7 und-8 vorgesehen, daß die Spannung an dem Kondensator
einen bestimmten Bereich weder in positiver noch in negativer Richtung überschreiten
kann. Diese Zenerdioden bilden also gemeinsam einen nichtlinearen Zweipol, der die
Rechenbereichsgrenzen festlegt. Da ,dieser Zweipol im allgemeinen eine Kennlinie
aufweist, die im Anlaufgebiet, d. h. bei kleinen Spannungen, unerwünschte
Verzerrungen erzeugt, die die Ausgangsspannung verfälschen, empfiehlt es sich, diese
Verzerrungen zu verringern, was im vorliegenden Beispiel durch ein zeitabhängiges
Glied, ein RC-Ghed, bestehend aus einem Widerstand 9 und einem Kon-.densator
10, erfolgt. Dieses Glied liegt entweder vor .dem Eingangswiderstand
5 oder, wie gezeichnet, zwischen dem Ausgang 2 des eigentlichen Verstärkers
-und dein Ausgang 11 der Anordnung.
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Man legt die Zeitkonstante dieses Gliedes so, daß .der statische Anlauffehler
bei einer mittleren Integrationsgeschwindigkeit dynamisch gerade kompensiert wird,
wohingegen bei anderen Integrationsgeschwindigkeiten mehr oder weniger große
Ab-
weichungen zugelassen bleiben. Dieses Zeitglied kann .auch zur Realisierung
eines komplizierten Zeitverlaufs und zur besseren Anpassung an den Anlauffehler
parallel zu dem Widerstand 9 einen, weiteren Konden-;sator enthalten, der
hier jedoch nicht gezeichnet ist. Das Rückstellen desKondensätois 4 in den Rechenanfangszustand
erfolgt nach jeder Rechenperiode gemäß der Erfindung, indem dem Eingang
3 des Verstärkers, ein Str&mstoß. -zugeführt - wirdv, -Da. der
Verstärkereingang sehr, hobhohmig ist, kann dieser Strom nur dem Rückkopplungskondensätof
47 zugeleitet werden und bewirkt, daß die Ladung des Kondensators auf einen Wert
normiert wird, der durch den nichtlinearen Zweipol 7, 8 bestimmt ist. Dieser
Stroniimpuls muß also so groß sein, daß auch die größte während einer Rechenperiode
erfolgte Ladungsänderung des Kondensators 4 durch ihn wieder kompensiert werden
kann. Eine an sich bekannte monostabile Kippstufe, bestehend aus zwei Transistoren
12 und 13, bemißt die Größe dieses Stromstoßes im Zusammenhang mi# einer
Verstärkerstufe, bestehend aus einem Widerstand 14 und einem weiteren Transistor
15, dessen Wirkausgang mit dem Eingang 3
des Verstärkers verbunden ist. Die
Kippstufe besitzt einen Eingang 16, an dem ein weitgehend beliebig geformter
Impuls anlegbar ist. Dieser Impuls wird zu Beginn jeder Pause zwischen zweier Rechenperioden
angelegt und bewirkt, daß ein Stromstoß ausreichender Größe dem Rückkopplungskondensator
zugeführt wird.
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Dieselbe Kippstüfe kann auch dazu verwendet werden, das im Ausgang
des Verstärkers liegende Zeitglied 9, 10 in den Pausen in einen Ruhezgstand
zu versetzen. Zu diesem Zweck ist der Kippstufenausgang über einen weiteren Transistor
17 mit dem erdfernen Anschluß des zum Zeitglied gehörenden Kondensators
10 verbunden.
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Für die Erfindung ist jedoch das Zeitglied grundsätzlich nicht notwendig,
wenn man den Anlauffehler in Kauf nimmt oder auf statischem Wege kompensiert. In
die sein Fall entfällt auch der Transistor 17, durch den das Zeitgli#d in
den Anfangszustand versetzt wird.
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Der Reststrom, der durch den Transistor 15 im gesperrten Zustand
fließt und bei Verwendung von Germaniumtransistoren erhebliche Werte annehmen kann,
läßt sich wesentlich verringern durch eine Siliziumdiode 18, die gleichsinnig
wie die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 15 gepolt und zwischen dieser
und dem Eingang 3 des Verstärkers eingeschoben ist.
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Schließlich sei noch betont, daß die Erfindung nicht in allen Einzelheiten
auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, insbesondere was die Polarität
der Spannungen, der Integrationsrichtung und die Einzelheiten der Kippstufe betrifft.
Letztere kann sogar völlig entfallen, wenn der Steuerimpuls für den Eingang
16 bereits die geeignete Form aufweist.