DE1299729B

DE1299729B - Schaltungsanordnung zum Einstellen des Verstaerkungsgrades einer Verstaerkeranordnung mit einem Differentialverstaerker

Info

Publication number: DE1299729B
Application number: DEP1762309.5A
Authority: DE
Inventors: Grangard Jun Orrin H
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1967-05-29
Filing date: 1968-05-22
Publication date: 1969-07-24
Also published as: GB1157520A; US3451006A; FR1567544A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Einstellen des Verstärkungsgrades einer Verstärkeranordnung mit einem Differentialverstärker. Aufgabe der Erfindung ist es, die Schaltung derart auszubilden, daß die Verstärkung erforderlichenfalls auf positive Werte, den Wert Null oder negative Werte eingestellt werden kann, mit anderen Worten, der Verstärkungsgrad soll nicht nur größer oder kleiner als 1 sein, sondern sogar verschiedenes Vorzeichen haben können. Bei bekannten Verstärkerschaltungen läßt sich zwar auch der Betrag des Verstärkungsgrades einstellen, er liegt aber immer entweder nur zwischen 0 und positiven Werten oder nur zwischen 0 und negativen Werten. Die Erfindung offenbart eine Verstärkerschaltung, die derart ausgelegt ist, daß allein durch Bemessung einer bestimmten Impedanz die Schaltung mit positivem oder negativem Verstärkungsgrad oder dem Verstärkungsgrad Null arbeiten kann.

umfaßt ferner einen Spannungsteiler 18 mit den Anschlußklemmen 20, 22 und 24, welcher zwei Widerstände 19 und 21 enthält, aber auch anders aufgebaut sein kann und nicht unbedingt aus ohmsehen Widerständen bestehen muß. Die Eingangsspannung C₁ wird von der Eingangsspannungsquelle 25 an die Reihenschaltung der beiden Widerstände 19 und 21 gelegt. Die Klemme 24 zwischen diesen beiden Widerständen ist mit der einen Eingangsklemme 12 des Differentialverstärkers 10 verbunden. Die Spannung an der Klemme 24 ist mit Ae₁ bezeichnet, wobei der Proportionalitätsfaktor

A =

■21

R₂₁ + R

19

ist. Die Plus- und Minuszeichen im Differentialverstärker 10 sollen andeuten, daß das Signal an der Klemme 14 vom Signal an der Klemme 12 ab-

Die Erfindung besteht darin, daß der Eingang der 20 gezogen wird und ein Ausgangssignal entsteht,

Verstärkeranordnung über eine erste Impedanz mit dem einen Eingang und über eine zweite Impedanz mit dem zweiten Eingang des Differentialverstärkers verbunden ist, daß ein Rückkopplungsnetzwerk zwischen den Verstärkerausgang und den zweiten Verstärkereingang eingeschaltet ist und daß die Einstellung des Verstärkungsgrades durch Wahl des Wertes eines Schaltelements der zweiten Impedanz erfolgt. Dies kann dadurch geschehen, daß entweder das genannte Schaltelement in bestimmter Weise dimensioniert oder selbst einstellbar ist. Im letztgenannten Fall ist der Einstellbereich der Impedanz vorzugsweise so groß, daß der Verstärkungsgrad von Werten kleiner als 1 bis zu Werten größer als 1 veränderbar ist.

Bei einer besonders einfachen Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung sind die erste und zweite Impedanz sowie das Rückkopplungsnetzwerk aus ohmschen Widerständen aufgebaut. Bei einer anderen Ausführungsform ist die einstellbare Impedanz zumindest teilweise durch die Quelle-Senke-Strecke eines Feldeffekttransistors gebildet, dem zwischen Steuerelektrode und Quellelektrode eine geeignete Steuerspannung zugeführt wird.

Unter einem Differentialverstärker soll ein Verstärker mit zwei Eingängen verstanden werden, dessen Ausgangssignal im Normalbetrieb von der algebraischen Differenz der beiden Eingangssignale abhängt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einiger in den Zeichnungen wiedergegebener Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert. Hierin zeigt

F i g. 1 das Grundschaltbild der Verstärkeranordnung,

F i g. 2 eine abgewandelte Ausfuhrungsform,

F i g. 3 eine als steuerbarer Widerstand verwendbare Schaltung und

F i g. 4 die Anwendung der Schaltung nach F i g. 3 in der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung.

Die Grundschaltung der Verstärkeranordnung zeigt F i g. 1. Sie enthält einen Differentialverstärker 10 mit zwei Eingangsklemmen 12 und 14 welches von der algebraischen Differenz dieser beiden Signale abhängt. Das Ausgangssignal ist positiv, wenn der Betrag des Signals an der Klemme 12 größer ist als der des Signals an der Klemme 14.

Die Spannung e_t der Spannungsquelle 25 wird ferner über eine zweite Impedanz, nämlich den Widerstand 26, der anderen Eingangsklemme 14 des Differentialverstärkers 10 zugeleitet. Zu diesem Zweck steht sowohl die Anschlußklemme 20 des Widerstands 19 als auch die Anschlußklemme 28 des Widerstands 26 mit dem Verbindungspunkt 72 am Ausgang der Spannungsquelle 25 in Verbindung. Die andere Anschlußklemme 30 des Widerstands 26 ist an einen Verzweigungspunkt 38 geführt, an welchem der andere Eingang 14 des Differentialverstärkers 10 angeschlossen ist. Ein weiterer Spannungsteiler, bestehend aus der Reihenschaltung der beiden Widerstände 32 und 40, ist zwischen die Ausgangsklemme 16 des Differentialverstärkers 10 und Masse eingeschaltet. Die Anschlußklemme 34 des Widerstands 32 liegt am Verstärkerausgang 16, während die Anschlußklemme 36 des Widerstands 32 ebenso wie die Anschlußklemme 42 des Widerstands 40 mit dem Schaltungspunkt 38 verbunden ist. Die andere Anschlußklemme 44 des Widerstands 40 Hegt an Masse. Die Widerstände 32 und 40 bilden einen Spannungsteiler, um ein Rückkopplungssignal vom Ausgang 16 des Verstärkers 10 zu dessen Ein= gangsklemme 14 zurückzuführen.

Zur Erläuterung der Betriebsweise der Verstärkeranordnung gemäß F i g. 1 sei angenommen, daß vier Ströme I₁, /₂, i₃ und /₄ in den Verbindungspunkt 38 fließen. Der Strom I₁ kommt vom Widerstand 32, der Strom i₂ vom Widerstand 26, der Strom /₃ von der Klemme 14 und der Strom i\ vom Widerstand 40. Die angenommenen Stromrichtungen sind durch Pfeile angegeben. Nach dem Kirchhoffschen Gesetz ist die algebraische Summe all dieser Ströme zum Verbindungspunkt 38 gleich 0, d. h.

Von der Klemme 14 her gesehen, ist die Eingangsimpedanz des Verstärkers 10 sehr hoch. Deshalb kann mit guter Annäherung davon ausgegangen

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sowie einer Ausgangsklemme 16, die jeweils die eine ⁶5 werden, daß der Strom /₃ gleich 0 ist. In ähnlicher Klemme eines Klemmenpaares darstellen, dessen Weise ist auch von der Klemme 12 her gesehen die andere Klemme auf einem Bezugspotential, bei- Eingangsimpedanz des Verstärkers 10 sehr hoch, so spielsweise Massepotential, liegt. Die Anordnung daß ein nur sehr geringer Strom über die Klemme 12

fließt. Die Spannung an der Klemme 12 ist gleich Ae₁, wobei A der vom Spannungsteiler 18 herrührende Teilerfaktor ist, welcher je nach dem Größenverhältnis der Widerstände 19 und 21 gleich oder kleiner als 1 ist. Ist der Widerstand 19 gleich 0, so ist A gleich 1, und die Spannung an der Klemme 12 ist gleich C₁. Im folgenden wird jedoch davon ausgegangen, daß der Widerstand 19 nicht gleich 0 ist und daß deshalb A kleiner als 1 ist.

Unter normalen Betriebsbedingungen mit einer Rückkopplung zwischen der Ausgangsklemme 16 und der Eingangsklemme 14 des Verstärkers 10 steht zwischen den beiden Eingangsklemmen 12 und 14 nur eine sehr kleine Differenzspannung. Da der Verstärkungsgrad des Verstärkers 10 sehr hoch ist, beispielsweise zwischen 20 000 und 100 000 liegt, kann im Gleichgewichtszustand nur eine kleine Differenzspannung vorhanden sein. Man kann also mit guter Berechtigung für die weitere Berechnung davon ausgehen, daß die Spannung an der Klemme 14 und damit am Verbindungspunkt 38 etwa gleich groß ist wie die Spannung an der Klemme 12, d. h. gleich Ae₁. Dann können die Ströme I₁, i₂ und i₄ in Abhängigkeit von der Eingangsspannung e_x und der Ausgangsspannung e₂ wie folgt dargestellt werden:

(ID

(III)

(IV)

h —	{e₂ - Ae₁)
	R₃₂
*^l2*	(e_t - Ae₁)
	R₂₆
-Ae₁

R40

Setzt man diese Stromwerte in die Gleichung (I) ein und setzt den Strom /₃ gleich 0, so läßt sich zeigen, daß folgende Beziehung gilt:

■32

,ν,

■26

Der zweite Summand auf der rechten Seite der Gleichung (V) ist negativ, weil (A — 1) negativ ist. Es ist deshalb möglich, bei geeigneter Wahl des Widerstands R₂₆ den zweiten Summanden größer oder kleiner zu machen als den ersten. Das Verhältnis der Ausgangsspannung e₂ zur Eingangsspannung e_l5 d. h. der Verstärkungsgrad kann also nicht nur größer oder kleiner als 1 sein, sondern sogar positive oder negative Werte und auch dazwischen den Wert 0 annehmen. Hierfür ist es erforderlich, daß der Faktor A kleiner als 1 ist.

Die Schaltung gemäß F i g. 2 zeigt lediglich zwei Änderungen in bezug auf die Schaltung nach Fig. 1. Der Widerstand 40 fehlt, hat also den Wert Unendlich angenommen, so daß der Verstärkungsgrad gegeben ist durch

32

(VI)

'26

Die andere Änderung besteht darin, daß der Widerstand 26 einstellbar ist, so daß der Verstärkungsgrad ebenfalls verändert werden kann und nicht durch die Größe des Widerstands 26 fest vorgegeben ist wie in Fig. 1. Bei der Schaltung nach F i g. 1 erfolgt die Einstellung des Verstärkungsgrades durch entsprechende Bemessung des Widerstands 26, der erforderlichenfalls durch Widerstände mit anderen Werten ersetzt werden kann.
F i g. 3 zeigt eine Schaltung mit einem Feldeffekttransistor als spannungsgesteuertem Widerstand im Zweig der zweiten Impedanz. Er kann den veränderbaren Widerstand 26 in F i g. 2 ersetzen. In F i g. 3 ist die Klemme 28 an die Quellenelektrode 50 eines Feldeffekttransistors 51 angeschlossen. Die Senkenelektrode 52 ist mit der Klemme 30 verbunden. Die Steuerelektrode 54 des Feldeffekttransistors 51 ist mit dem Kollektoranschluß 58 des Flächentransistors 56 verbunden, dessen Basis 60 an die Klemme 70 geführt ist. Der Emitter 62 des Transistors 60 steht über einen Widerstand 64 mit der Klemme 66 in Verbindung, die auf einer negativen Spannung — V liegt. An die Klemmen 70 und 71 wird eine Steuerspannung angelegt, deren Höhe die Größe des Kollektorstromes <iurch den Transistor 56 bestimmt und damit die Spannung zwischen der Quellenelektrode und der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 51 steuert. Diese Spannung bestimmt damit den Widerstand zwischen den Klemmen 28 und 30. Durch Einstellen der Steuerspannung an den Klemmen 70 und 71 kann der Wert des Widerstands zwischen den Klemmen 28 und 30 elektronisch gesteuert werden. Ein Kondensator 86 ist der Elektrodenstrecke zwischen Quellen- und Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 51 parallel geschaltet und leitet etwa vorhandene Wechselstromkomponenten ab. Die Steuerelektrode 54 ist ferner über einen Widerstand 84 an die Klemme 85 angeschlossen, welche niederohmig mit Masse verbunden ist.

F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Verstärkeranordnung mit der Grundschaltung gemäß F i g. 1 . unter Verwendung eines spannungsgesteuerten Widerstands gemäß F i g. 3 an Stelle des in F i g. 1 vorgesehenen Widerstands 26. Die Spannungsquelle 25 enthält hier eine Gleichstromquelle e₃ in Reihe mit einem Widerstand 80 sowie eine Wechselstromquelle e₄ in Reihe mit einem Widerstand 82. Die beiden Widerstände 80 und 82 sind zusammen an den Punkt 72 geführt, an dem somit eine Eingangsspannung e_t steht, die sich aus einem Wechselstrom- und einem Gleichstromanteil zusammensetzt. Die Ausgangsklemme 16 des Differentialverstärkers 10 ist einerseits über einen Trennkondensator 100 an die Wechselstromausgangsklemme 101 und andererseits über ein Filter oder Siebglied 102 an die Gleichstromausgangsklemme 103 angeschlossen. Die Wechselstromkomponente des Verstärkerausgangssignals kann also zwischen der Klemme 101 und Masse und die Gleichstromkomponente zwischen der Klemme 103 und Masse abgenommen werden. Ist das Gleichstromeingangssignal e₃ fest vorgegeben, so kennzeichnet die Spannung an der Klemme 103 den Verstärkungsgrad e₂fe₃ der Schaltung, welcher auf das Wechselstromsignal e₄ einwirkt. Auf diese Weise kann der Verstärkungsgrad durch die an die Klemmen 70 und 71 gelegte Spannung bestimmt und gesteuert sowie überprüft und angezeigt werden.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Abwandlungen möglich. Die Spannungsteiler brauchen z. B. nicht rein ohmisch zu sein, insbesondere wenn die Anordnung für Wechselstromsignale verwendet

wird. Die Schaltung gemäß F i g. 4 kann beispielsweise als Abgleich- oder Rückführeinheit in einem Servosystem an Stelle eines Potentiometers eingesetzt werden. Hierbei läßt sich der Verstärkungsgrad C₂Je₁ zwischen einem negativen und einem positiven Wert durch Verändern der Steuerspannung an den Klemmen 70 und 71 variieren. Diese elektronische Anordnung hat außer dem Vorteil, daß die mechanischen Schwierigkeiten, wie Reibung und Abnutzung eines Potentiometers, vermieden werden, darüber hinaus noch den Vorzug, daß der Betrag des Verstärkungsgrades der Anordnung größer als 1 gemacht werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Einstellen des Verstärkungsgrades einer Verstärkeranordnung mit einem Differentialverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (72) der Verstärkeranordnung über eine erste Impedanz (18) mit dem einen Eingang (12) und über eine zweite Impedanz (26) mit dem zweiten Eingang (14) des Differentialverstärkers (10) verbunden ist, daß ein Rückkopplungsnetzwerk (32) zwischen den Verstärkerausgang (16) und den zweiten Verstärkereingang (14) eingeschaltet ist und daß die Einstellung des Verstärkungsgrades durch Wahl des Wertes eines Schaltelemente der zweiten Impedanz (26) erfolgt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement der zweiten Impedanz (26) einstellbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellbereich der Impedanz (26) so groß ist, daß der Verstärkungsgrad der Verstärkeranordnung zwischen positiven und negativen Werten veränderbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Impedanz sowie das Rückkopplungsnetzwerk aus ohmschen Widerständen aufgebaut sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Impedanz ein Reihenwiderstand (26) ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Impedanz zumindest teilweise durch die Quelle-Senke-Strecke eines Feldeffekttransistors (51) gebildet ist.

7. Schaltungsanordpung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung zwischen Steuerelektrode (54) und Quellenelektrode (50) des Feldeffekttransistors (51) über eine Steuerschaltung (56) in Abhängigkeit, von einem Steuersignal (70, 71) veränderbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen