DE1275615B - Anordnung zur Verstaerkung elektrischer Signale mit einem gegengekoppelten Verstaerker, insbesondere fuer die Verwendung als Praezisionsverstaerker und in Regelkreisen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2 -18/05

Nummer: 1 275 615

Aktenzeichen: P 12 75 615.9-31 (J 32069)

Anmeldetag: 21. Oktober 1966

Auslegetag: 22. August 1968

Beim Entwurf von Präzisionsverstärkern und Verstärkern für Servomechanismen können die Wirkungen sowohl von Verzerrungen als auch des Verstärkerrauschens durch Anwenden von Gegenkopplung auf Kosten einer verringerten Verstärkung in starkem Maße vermindert werden. Normalerweise ist die Schleifen verstärkung viel größer als 1, so daß die Annahme berechtigt ist, daß die Verstärkung der geschlossenen Schleife nur eine Funktion des Gegenkopplungsfaktors ist. Es wird daher angestrebt, daß die Verstärkung dann nur von den Eigenschaften der Gegenkopplungsschaltungen abhängt. In der Praxis unterscheidet sich das tatsächliche Ausgangssignal von dem idealen, weil die Leerlaufverstärkung nicht unendlich ist und weil Fehlspannungen im Verstärker erzeugt werden. Für eine gewünschte Erhöhung der Genauigkeit der Verstärkung, ist die Größe des Verstärkungsfaktors A, die gemäß der obigen Annahme erforderlich ist, so groß, daß Stabilitätsprobleme auftreten. Darüber hinaus stellt eine Komponente der Fehlspannung, die in der Praxis vorhanden ist, alle Regelrestspannungen in dem Verstärker dar, wodurch ein Fehlersignal unabhängig vom Wert des Verstärkungsfaktors A übrigbleibt.

Während es selbstverständlich nicht möglich ist, einen Verstärker mit der Leerlaufverstärkung unendlich zu bauen, ist es das Ziel der Erfindung, eine Verstärkeranordnung anzugeben, durch die eine Leerlaufverstärkung mit dem Wert Unendlich simuliert wird und bei der die Genauigkeit der Verstärkung verbessert wird, ohne daß die Stabilität der Anordnung und der Frequenzgang der Anordnung ungebührlich beeinträchtigt wird.

Das gesteckte Ziel wird bei einer Anordnung zur Verstärkung elektrischer Signale mit einem gegengekoppelten Verstärker, insbesondere für die Verwendung als Präzisionsverstärker und in Regelkreisen, dadurch erreicht, daß gemäß der Erfindung mit dem Eingang des gegengekoppelten Verstärkers auch der Eingang eines Hilfsverstärkers verbunden ist, dessen Ausgang an die Eingangsklemme der gesamten Anordnung angeschlossen ist derart, daß sich sein Ausgangssignal zu dem an der Eingangsklemme anliegenden Eingangssignal addiert. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besitzt der Hilfsverstärker einen Verstärkungsfaktor von nahezu 1.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen, von denen zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild eines Systems gemäß der Erfindung,

Anordnung zur Verstärkung elektrischer Signale
mit einem gegengekoppelten Verstärker,
insbesondere für die Verwendung als
Präzisionsverstärker und in Regelkreisen

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Busch, Patentanwalt,

7030 Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:
Carl Paul Hollstein jun.,
Campbell, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. Oktober 1965
(504455)

F i g. 2 das Blockschaltbild eines üblichen rückgekoppelten Verstärkers,

F i g. 3 ein anderes Blockschaltbild einer gemäß der Erfindung stabilisierten Verstärkeranordnung,

F i g. 4 das Schaltbild einer Verstärkeranordnung, die gemäß der Erfindung gegenüber Nullpunktsverschiebungen stabilisiert ist,

F i g. 5 ein Blockdiagramm der in F i g. 4 dargestellten Verstärkeranordnung,

F i g. 6 ein anderes Blockdiagramm einer praktischen Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 7 ein Blockdiagramm eines stabilisierten Servosystems gemäß der Erfindung,

F i g. 8 das Schaltbild eines Servosystems, bei dem die Erfindung anwendbar ist, und

F i g. 9 ein Blockdiagramm einer Anordnung gemäß der Erfindung, das für das Verständnis der Fehlerkorrekturfähigkeit der Anordnung nach der Erfindung nützlich ist.

F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Verstärkung elektrischer Energie im Gegensatz zu einem ähnlichen Blockschaltbild einer üblichen rückgekoppelten Verstärkeranordnung nach F i g. 2. Die Ausgangsspannung der

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letzteren Anordnung wird gewöhnlich ausgedrückt:

Ei = ^₁-. (D

A'

Bei solch einer. Anordnung ist die Schleifenverstärkung A' ■ ß' üblicherweise viel größer als 1, wobei der Verstärkungsfaktor A' genügend groß ist, so daß sein Kehrwert im Vergleich zu dem Rückkopplungsverhältnis ß' vernachlässigbar klein ist. Für praktische Zwecke wurde die Ausgangsspannung gleich der durch den Rückkopplungsfaktor/?' dividierten Eingangsspannung angesetzt.

Bei einer Anordnung bei der β = 0,01 und ein Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsspannung von 100 ± 0,01 vorliegt, muß der Verstärkungsfaktor A' zumindest 10⁶ betragen. Es ist leicht zu sehen, daß das Herstellen eines Verstärkers, der eine so hohe Leerlaufverstärkung aufweist, zumindest schwierig ist. Wenn auch bei einem gegengekoppelten Verstärker mit vorgegebener Verstärkung der Wert des Gegenkopplungsfaktors β so gewählt werden kann, daß die gewünschte, Verstärkung bei einem Verstärkungsfaktor A' gegeben ist, der nur genügend groß sein muß, um die Abweichungen innerhalb vorgegebener Grenzen zu halten, so würde das obengenannte Verhältnis doch einen Verstärkungsfaktor A' von 10⁵ ± 10% erfordern. Dieses Verfahren ist auf Verstärker mit veränderbarer Verstärkung oder auf Operationsverstärker nicht einfach anzuwenden, bei denen es erwünscht ist, daß die Bauelemente im Gegenkopplungszweig die Verstärkung bestimmen.

Es sei bemerkt, daß die elektrische Energie bei all den dargestellten und zu beschreibenden Anordnungen an verschiedenen Punkten entweder als Spannung oder als Strom oder als beides in Erscheinung tritt, aber um das Erklären zu erleichtern, wird angenommen, daß die elektrische Energie nur in Form von elektrischen Spannungen in Erscheinung tritt, die auf das gleiche Bezugspotential bezogen sind, als das häufig, aber nicht notwendigerweise, das Erdpotential dient. In F i g. 1 ist ein Verstärker 10 mit einer Eingangsklemme 12 und einer Ausgangsklemme 14 dargestellt. Es ist erwünscht, daß eine Ausgangsspannung £(i an der Ausgangsklemme 14 nach Verstärkung einer Eingangsspannung E\ erzeugt wird, die der in F i g. 1 dargestellten Anordnung an deren Eingangsklemme 22 zugeführt wird, über einen Gegenkopplungskanal 20 wird eine aus der Ausgangsspannung abgeleitete Spannung Ei dem Punkt 24 der Anordnung zugeleitet, um an der Eingangsklemme 12 des Verstärkers eine Differenzspannung £3 zu erzeugen. Gemäß der Erfindung wird diese Differenzspannung £3 auch einem Hilfsverstärker 30 zugeführt, um eine Korrekturspannung £4 zu erzeugen, die dem Punkt 34 zugeleitet wird, wo sie sich zu der Eingangsspannung £1 zur Bildung einer Summenspannung

addiert.

An der Eingangsklemme 12 des Verstärkers beträgt die effektive Differenzspannung

Bezeichnet man das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung des Gegenkopplungskanals 20 als R, so gilt

E₂ *= R ■ £0 -

Bezeichnet man die Verstärkung des Hilfsverstärkers 30 mit g, so gilt

E₄ = g ■ E₃ . (6)

Die Ausgangsspannung der gesamten Verstärkeranordnung läßt sich jetzt ausdrücken als

E₀ =

R +

Erfindungsgemäß wird die Verstärkung g des Hilfsverstärkers 30 vorzugsweise gleich 1 gemacht, wodurch der Zähler des zweiten Summanden in der Formel (7) zu 0 wird. Auf diese Weise ist die Ausgangsspannung Eq nur noch' eine Funktion der Eingangsspannung £1 und des Gegenkopplungsfaktors R, und die effektive Leerlaufverstärkung beträgt unendlich.
In der Praxis kann die Verstärkung g des Hilfsverstärkers 30 sehr nahe an den Wert 1 herankommen, wird aber innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen von diesem Wert abweichen, und die effektive Leerlaufverstärkung beträgt

^Aeff ⁼

1-0'

£3 = Ei -

(3)

Bei einem Verstärkungsfaktor A des Verstärkers 10 beträgt die Ausgangsspannung

£« = A ■ Ea .

Wenn die Verstärkung g 1 ± 0,01⁽⁾/o betrüge, betrüge der Minimalwert für die effektive Leerlaufverstärkung A ■ 10⁴.

F i g. 3 ist ein Blockschaltbild eines stabilisierten Verstärkersystems, bei dem die Spannung Ei am Ausgang des Gegenkopplungskanals 20 der Ausgangsspannung £0 proportional ist, und zwar um den Faktor ß, und der Verstärker 10' ist ein Differenzverstärker. Die Signalspannung E\ wird (mittels geeigneter mit dem Ausgang des Hilfsverstärkers 30', der später beschrieben wird, verbundener und in Reihe geschalteter Bauelemente) der einen Eingangsklemme des Differenzverstärkers 10' zugeführt, und die Gegenkopplungsspannung £> wird der anderen Eingangsklemme zugeleitet. Die Differenzspannung £3, die zwischen den beiden Eingangsklemmen des Differenzverstärkers 10' liegt, wird auch den Eingangsklemmen des Hilfsverstärkers 30' zugeführt, dessen Eingangsschaltung für das Anlegen von Spannungsdifferenzen ausgebildet und von der Ausgangsschaltung entkoppelt ist. so daß die letztere bezüglich des als Bezugspotential dienenden Erdpotentials ein gleitendes Potential aufweist. Wie vorher schon kurz erwähnt, wird die Korrekturspannung £4 zwischen der Eingangsklemme 22 und der Eingangsklemme des Differenzverstärkers 10' angelegt. Der Gegenkopplungskanal 20' kann ein Paar von Widerstands-Spannungsteilern und einen'Autotransformator oder einen Transformator mit zwei Wicklungen oder irgendeine andere bekannte Schaltung zur Erzeugung oder Ableitung einer Gegenkopplungsspannung enthalten.
Fig. 4 zeigt das Schaltbild eines Präzisionsverstärkers gemäß der Erfindung. Der Verstärker 10" ist ein Differenzverstärker mit unsymmetrischem Ausgang. Ein Gegenkopplungsnetzwerk, das aus der Serienschaltung des Widerstandes 42. Potentiometer

43 und dem Widerstand 44 besteht, erlaubt das Einstellen des Verstärkungsfaktors durch Ändern der Stellung des Schleifers 45 des Potentiometers 43. Nullpunktskorrektur wird durch ein Potentiometer 46 ermöglicht, das in der Schaltung, die die Vorspannung für die Emitter der Eingangstransistoren 48 und 49 des Verstärkers 10" erzeugt, angeordnet ist. Der Hilfsverstärker 30" enthält die Eingangstransistoren 52 und 53 und die Ausgangstransistoren 54 und 55. Die Differenzspannung £3 wird dem Eingang der Eingangstransistoren des Hilfsverstärkers 30" mittels eines Modulators 60" zugeführt, der vier als Schalter dienende Feldeffekt-Transistoren 62, 63, 64 und 65 enthält, die entsprechend einer rechteckförmigen Impulsfolge, deren Impulsfrequenz wenigstens das Zweifache der höchsten bedeutsamen Signalfrequenz beträgt, die an den Klemmen 66 und 67 von Trenn- und Treibertransformatoren angelegt wird. Ein Demodulator 70", der die beiden Feldeffekt-Transistoren 72 und 73 enthält, wird durch Anlegen der gleichen rechteckförmigen Impulsfolge an die Klemme 75 synchron mit den- Transistoren des Modulators geschaltet. In der Praxis wird vorzugsweise ein Transformator mit einer Primärwicklung und drei Sekundärwicklungen, von denen jede eine Mittelanzapfung aufweist, benutzt. Das Ausgangssignal des Hilfsverstärkers 30" entsteht in der Primärwicklung 82 eines Transformators 80 und erscheint über die Sekundärwicklungen 84 und 85 zwischen der Eingangsklemme 22 und der Basis des Eingangstransistors 48 des Verstärkers 10". Ein Glättungskondensator 78 ist zwischen die Eingangsklemme 22 und den Verbindungspunkt der Sekundärwicklungen 84 und 85 geschaltet. Eine dritte Wicklung 86 des Transformators 80 ist so angeordnet, daß ein Teil der Ausgangsenergie auf den Eingangstransistor 53 über den Festwiderstand 88 und einen veränderbaren Widerstand 89 gegengekoppelt wird, wobei der letztere Widerstand dazu benutzt wird, um die Verstärkung des Hilfsverstärkers 30" etwa auf den Wert 1 einzustellen.

Der Charakter des Hilfsverstärkers 30", dessen Schaltbild in F i g. 4 dargestellt ist, ergibt sich deutlicher aus dem Blockschaltbild nach F i g. 5, aus dem ersichtlich ist, daß irgendein bekannter Modulator 60" und ein Demodulator 70" verwendet werden können. Beispielsweise können zusätzlich zu der in F i g. 4 im einzelnen dargestellten Schalteranordnung aus Feldeffekt-Transistoren Schalter aus Vierschichtdioden, elektrooptische Zerhacker, Relais- oder mechanische Zerhacker, Modulatoren und Demodulatoren mit unterdrücktem Träger u. dgl. mit gleicher Wirkung verwendet werden, wobei das Modulator-Demodulator-System keinen Teil der Erfindung bildet. Im Interesse der Klarheit der Zeichnung ist in F i g. 5 nur eine Sekundärwindung 83" dargestellt, aber es sollte festgehalten werden, daß die Korrekturspannung £.) in der Weise durch den Ausgangstransformator 80" eingefügt wird, daß die Sekundärwicklungen 84 und 85 in entgegengesetzter Polarität miteinander verbunden werden. Durch die Verwendung eines Transformators 80" wird eine wirksame Trennung und Widerstandsanpassung bewirkt, wobei die Gegenkopplungsspannung, die die Verstärkung des Hilfsverstärkers bestimmt, durch Verändern des Widerstandes 89 beeinflußt wird.

F i g. 6 ist das Blockschaltbild einer zusammengesetzten Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung, in der ein Hilfsverstärker 30'" eine Stromversorgung 90 mit gleitendem Bezugspotential besitzt, bei der eine neutrale Klemme 92 mit einem das gleitende Bezugspotential aufweisenden Punkt 94 verbunden ist. Die Stromversorgung für den Verstärker 10'" weist eine neutrale Klemme 98 auf, die mit dem Erdpotential verbunden ist. Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung kann auch in der Schaltung nach F i g. 6 Verwendung finden. Als Alternativlösung kann der Hilfsverstärker 30'" ein Differenzverstärker sein, der einen Differenzeingang und einen Differenzausgang aufweist, wie später in Verbindung mit Fig. 8 noch näher erläutert wird.

Die Fehlerkorrektur gemäß der Erfindung ist nicht auf gegengekoppelte Präzisionsverstärker beschränkt, sondern ist auf jedes gegengekoppelte Steuersystem anwendbar. F i g. 7 zeigt das Blockschaltbild eines typischen gegengekoppelten Steuersystems, das einen Verstärker 110 aufweist, der mit einem Motor 116 zum Antrieb der gewünschten Vorrichtung 118 entsprechend einer der Eingangsklemme 122 zugeführten Spannung E\ verbunden ist. Eine Spannung £2, die hier als eine Spannung dargestellt ist, die durch einen Tachometer 120, der mit dem Antriebsmotor 116 gekoppelt ist, erzeugt wird, wird dem Punkt 124 gegenphasig zu der Spannung £5 zugeführt, die aus der Addition der Eingangsspannung £1 und der Korrekturspann 11 ng £4 resultiert. Der Hilfsverstärker 130 kann gleich aufgebaut sein wie die vorher beschriebenen Hilfsverstärker Und mit oder ohne Gegenkopplungskanal ausgerüstet sein, dessen Spannung dem Punkt 136 zugeführt wird.

Ein Beispiel eines Servomechanismus, der die in Verbindung mit der F i g. 7 erläuterten Prinzipien verwendet, ist schematisch in F i g. 8 dargestellt. Bei dieser Schaltung wird die Spannung des Tachometers 120' über das Potentiometer 150 auf das Erdpotential bezogen. Der Hilfsverstärker 130' ist ein Beispiel für einen Verstärker mit Differenzeingang und Differenzausgang, wodurch die Notwendigkeit eines gleitenden Bezugspotentials vermieden wird. Der Verstärker 110' ist ein Beispiel eines Verstärkers, bei dem die Endstufen so entworfen sind, daß sich die elektrische Energie in Form von Stromänderungen an Stelle von Spannungsänderungen manifestiert.

Die die Gegenkopplungsspannung erzeugende Vorrichtung 120 kann aus Potentiometerschaltungen bestehen, die der Potentiometerschaltung 150 ähneln, mit der Ausnahme, daß der Schleifer durch die Welle des Motors 116 bewegt wird. Gemäß der Erfindung wird ein gegengekoppelter Servomechanismus verbessert, wenn die Spannung £2 nicht genau dem Ausgangssignal des Verstärkers 110 proportional ist, da das Zuführen der Differenzspannung £3 zu dem Hilfsverstärker 130 dazu tendiert, den Einfluß des Kehrwertes des Verstärkungsfaktors A des Verstärkers 110 durch Einstellen der Verstärkung g des Verstärkers 130 auf nahezu 1 zu eliminieren.

Es gibt viele Fehlerquellen in Präzisionsverstärkern für Servomechanismen. Fig. 9 ist ein Blockdiagramm eines Präzisionsverstärkers, das dem Blockschaltbild des Verstärkers nach F i g. 1 weitgehend gleicht, mit der Ausnahme, daß ein Driftspannungsgenerator 210 zwischen den Ausgang des Verstärkers 10 und der Ausgangsklemme 74 eingeschaltet ist und daß ein weiterer Driftspannungsgenerator 30 an den Ausgang des Hilfsverstärkers 30 angeschlossen ist. Gemäß der Erfindung kann die Driftspannung £« des Hilfsverstärkers durch Steuern der Driftspan-

nung Εη beeinflußt werden. Dies läßt sich in folgender Weise zeigen:

E₀ = AE₃ + E₆ ,

E₀ = A(E₅-ßEo)+ E₆,

E₅ = E₁ + g (E₅ — ßEg) + E₁,

_{Es =} E_{1 +} E₇-ME₀^

/E₁ + E₁-gßE₀\ E₀-Ai^ — ) + E₆,

E₀ =

j _

(E_l + E₁-ßE₀) + E₆.

(9) (10) (H)

(12) (13) (14)

IO

15

Daraus folgt:

E₆

E —

E₁ + E₇

ß +

1-0

(15)

Indem daher die Driftspannung £7 des Hilfsverstärkers (welche als eine zusätzliche Eingangsspannung wirkt) möglichst klein gehalten wird, wird die Drift des Verstärkers verringert. Daher kann ein billigerer, einfacherer hochverstärkender Verstärker zusammen mit einem etwas kritischeren Hilfsverstärker, dessen Verstärkung 1 beträgt, verwendet werden, um das gewünschte Ausgangssignal bei verringerten Gesamtkosten zu erhalten.

Die bei dem Verstärker nach F i g. 4 benutzten Bauelemente besaßen die folgenden Werte, die auch für die Verstärkeranordnung nach F i g. 8 gelten:

35

40

45

Bezugsziffer	Bauelement.	Wert oder Type
42-44	Widerstände	5,IkQ
43	Potentiometer	500 Ω
46	Potentiometer	2OkQ
48-49	Transistor	2 N 2639
52-53	Transistor	2 N 3804
54-55	Transistor	2 N 1893
62-65, 72, 73	FE Transistor	2 N 2608
74	Dioden	FD 300
77	Widerstand	100 kQ
78	Kondensator
80	Transformer	Geringe Kapa
		zitäten der
		Wicklungen
		gegeneinander
88	Widerstand	10OkQ
89	Widerstand	IkQ
401	Transistor	2 N 1893
402	Transistor	2 N 2639
411	Widerstand	6,2 kQ

55

60

Bezugsziffer	Bauelement	Wert oder Type
412	Widerstand	6,8 kQ
413	Widerstand	16 kQ
414	Widerstand	1OkQ
415	Widerstand	20OkQ
416	Widerstand	500 Q
417	Potentiometer	100 Q
418	Widerstand	36 kQ
420	Widerstand	27 kQ
421	Widerstand	2,7 kQ
422	Widerstand	10OkQ
423	Widerstand	51OkQ
424	Widerstand	13OkQ
425	Widerstand	1,2 kQ
426	Kondensator	100 pF
427	Transistor	2 N 914
428	Transistor	2 N 2411
429	Transistor	FI 0019
430	Widerstand	15 kQ
431	Widerstand	2kQ
432	Widerstand	56 kQ
433	Widerstand	4,7 kQ

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Verstärkung elektrischer Signale mit einem gegengekoppelten Verstärker, insbesondere für die Verwendung als Präzisionsverstärker und in Regelkreisen, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Eingang (12; Fig. 1) des gegengekoppelten Verstärkers (10) auch der Eingang eines Hilfsverstärkers (30) verbunden ist, dessen Ausgang an die Eingangsklemme (22) der gesamten Anordnung angeschlossen ist, derart, daß sich sein Ausgangssignal zu dem an der Eingangsklemme anliegenden Eingangssignal (Ei) addiert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsverstärker (30) einen Verstärkungsfaktor von nahezu 1 besitzt.

3. Anordnungen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gegengekoppelte Verstärker (10) ein Differenzverstärker ist.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsverstärker (30) ein Differenzverstärker ist.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hilfsverstärker zur Driftkorrektur ein Modulator vor- und ein Demodulator nachgeschaltet ist.

6. Anordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung des Hilfsverstärkers an das gleiche Bezugspotential angeschlossen ist wie die des gegengekoppelten Verstärkers.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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