DE1537606A1

DE1537606A1 - Gleichstromverstaerker mit Schaltung zur Driftkompensation

Info

Publication number: DE1537606A1
Application number: DE19671537606
Authority: DE
Inventors: Priddy Lloyd Wayne
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1966-07-27
Filing date: 1967-07-18
Publication date: 1969-08-21
Also published as: SE343443B; GB1127268A; DE1537606B2; NL6710411A

Description

Dipl. Ing. R. MerfenS Frankfurt' a/Haln, den 17. Juli 67

Patentanwalt ' H 31 P 47 B/I)e M, Neue Mainzersfr. 4IM2 ^pl ' '

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South
Minneapolis, Minn., '2ffi& γ.St·A.

Gleichstromverstärker rait Schaltung zur Driftkompensation.

Die Erfindung befaßt sich mit der Stabilisierung von Gleichstromverstärkern gegen Drifterscheinungen.' Unter einem Gleichstromverstärker soll hierbei ein Verstärker verstanden werden, der sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstromsignale verstärken kann. Zur Stabilisierung von Gleichstromverstärkern hat man sich des Wechselrichterprinzips bedient und einer sorgfältigen Auswahl und Anpassung der einzelnen Bauelemente. Die Grenzen eines Gleichstromverstärkers mit Wechselrichter werden durch die sich bei der Modulation und Demodulation ergebenden Fehler und die durch die Wechselrichtung auftretenden Störsignale begrenzt. In Verbindung mit der Anpassung der Bauelemente hat man vielfach bei GleichStroraverstärkern einen Differentialeingang vorgesehen, mit genau ausgesuchten zu einander passenden Bauelementen in den Eingangsstufen, obwohl man zur Signalverarbeitung nur einen der beiden Eingänge brauchte. Die genaue Anpassung des Verstärkers in Verbindung mit der kostspieligen Auswahl genau aufeinander abgestimmter Bauteile setzt dieser Technik ebenfalls Grenzen. Die Erfindung beschreitet deshalb einen anderen Weg.

Die Erfindung betrifft einen Gleichstromverstärker mit Schaltung zur Driftkorapensatio. η unter Verwendung einer zeitweise an einen Verstärkereingang anschließbaren Standardsignalquelle und einer aii den Verstärkerausgang anschließbaren Speichervorrichtung für ein aus dem Standardsignal abgeleitetes Gegenkopplungssignal. Gemäß der Erfindung verbindet eine erste Schaltvorrichtung den Verstärkerausgang'mit einer die Speichervorrichtung enthaltenden Korrekturschaltung und eine zweite Schaltvorrichtung verbindet eine Eingangsklemme sowie den Ausgang der Korrekturschaltung mit dem Verstärkereingang. Dabei werden beide Schaltvorrichtungen

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synchron depart gesteuert, daß jeweils die eine leitend und die . andere gesperrt ist. Das von der Korrekturschaltung dem Verstärkereingang zusätzlich zum eigentlichen Eingangssignal zugeleitete Gegenkopplungssignal wirkt jeglichen Drifterscheinungen im Verstärker entgegen und stabilisiert diesen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt eine dritte "ebenfalls sychrongesteuerte Schaltvorrichtung die Standardsignalquelle jeweils nur dann an den Verstärkereingang an, wenn auch die erste Schaltvorrichtung durchgeschaltet ist.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den ühteransprüchen gekennzeichnet und werden im folgenden anhand der in den Zeich-P nungen dargestellten Ausfiihrungsbeispiele beschrieben. Alle in den Zeichnungen dargestellten und/oder der Beschreibung erwähnten Merkmale sind als erfindungswesentlich zu betrachten.

Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform des Gleichstromverstärkers mit Driftkompensation nach der Erfindung.

Figur 2 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar*und

Figur 3 zeigt im Blockschaltbild einen Schaltungsteil, welcher bei den Schaltungen nach den Figuren 1 und 2 anstelle dort gezeigter Schaltungsteile eingesetzt werden kann.

In der Schaltung gemäß Figur 1 ist eine Signalquelle 10 an die Eingangskiemme 12 eines gegen Drift stabilisierten Gleichstromverstärkers angeschlossen, welcher die übrigen Schaltungsteile enthält. Die Eingangsklemme 12 ist mit dem Eingang 13 eines gesteuerten Schalters 14 über die Leitung 16 verbunden. Ein Verbindungspunkt 18 ist über die Leitung 20 an den Ausgang 19 der Schaltvorrichtung 14 angeschlossen. Er steht ferner über die Leitung 26 mit einer Eingangsklemme 22 eines Gleichstrorü'rsr'StErkers 24 und über eine Leitung 30 mit dem Ausgang 27 einer Standardsignalquelle 28 in Verbindung. An den Ausgang 34 des Versfcär» kers 24 ist über die Leitung 36 der Verbindungspunkt 32 3iigss,;hlossen, von dem eine Leitung 44 zum Eingang 41 der Fehlerkorrekturschaltung 42 führt. Die Ausgangsklemme 43 der Korrekturschaltung

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ist über die Leitung 46 an eine zweite Eingangsklemme 45 der Schaltvorrichtung 14 angeschlossen. Über die Leitung 40 und die Ausgangsklemme 38 ist der Verbraucher an die gesamte Verstärkeranordnung angeschlossen.

Das Wesen der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung besteht darin, daß dem Verstärkereingang ein Eingangsfehlersignal zugeleitet wird, welches der Drift des Verstärkerausgangssignals proportional ist. Dieses dem Eingang zugeleitete Kompensationssignal steht in Gegenphase zum Ausgangssignal und bildet somit eine Art Gegenkopplung. Das Eingangskorrektursignal wird mittels einer Prüf- oder Abtasttechnik aus dem Ausgangssignal des Verstärkers abgeleitet, so lange dessen Eingang anstelle des von Λ der Signalquelle 10 kommenden Signals für eine kurze Zeit ein bekanntes Standardeingangssignal zugeleitet wird. In diesem Falle beruhen nämlich alle Änderungen des Verstärkerausgangssignals gegenüber dem vorherigen Prüfvorgang auf Drifterscheinungen im Verstärker. Diese Überprüfung wird also in vorgegebenen zeitlichen Abständen vorzugsweise periodisch durchgeführt, Das Ausgangssignal, welches sich bei Zufuhr.des Standardeingangssignals am Verstärkerausgang 34 ergibt, wird gespeichert und als neues Eingangskorrektursignal dem Verstärkereingang zugeleitet, so/bald dieser wieder an die Signalquelle 10 angeschlossen ist. In Figur 1 speichert die Korrekturschaltung 42 dieses Kompensationssignal und der Schalter 14 bewirkt die An- und Abschaltung des normalen Signaleinganges 12 und des Kompensationssignals an % den Eingang des Verstärkers 24.

Wenn die Schaltvorrichtungen, welche normale Schalter oder elektronische Schalter sein können, ihren Sperrzustand einnehmen, d.h. die elektrische Verbindung zwischen den Eingangsklemmen und 45 einerseits und der Ausgangsklemme 19 der Schaltvorrichtung 14 andererseits unterbrochen ist, ist gleichzeitig der Schalter in der Sti· .dardsignalquelle 28 geschlossen, so daß der Verbindungspunkt 18 über den Widerstand in der Standardsignalquelle mit Masse verbunden ist. Der Verstärkereingang 22 liegt dann auf Erdpotential. Dem Verstärkereingang 22 wird also aus der Standardsignalquelle mit endlichem Innenwiderstand das Eingangssignal Null zugeleitet. Dieses verursacht am Ausgang 34 des Verstärkers ein Signal, welches

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über die Leitimg 44 dem Eingang 41 der Korrekturschaltung 42 zugeleitet wird. Zur gleichen Zeit mit dem Schalter in der Standardsignalquelle 28 schließt ein weiterer Schalter in der Korrekturschaltung 42 und verbindet die Leitung 44 mit dem als Speicher dienenden Kondensator in der Korrekturschaltung 42. Nach einer Zeitspanne, die kurz ist im Vergleich zur Periodendauer der höchsten im Eingangssignal von der Quelle 10 auftretenden Frequenz,werden die Schalter in der Korrekturschaltung 42 und der Standardsignalquelle 28 wieder geöffnet und gleichzeitig die Schalter der Schaltvorrichtung 14 geschlossen. Nunmehr gelangt das am Kondensator in der Korrekturschaltung 42 gespeicherte Potential über die Leitung 46 und das von der Signalquelle 10 kommende Eingangssignal über die Leitung l6 und die entsprechenden Schaltkontakte an den Ausgang 19 der Schalteinrichtung 14. Da die Signale am Eingang und Ausgang des Verstärkers 24 in Gegenphase sind, führt das von der Korrekturschaltung 42 gelieferte Signal zu einer Gegenkopplung, welche jeglichen Drifterscheinungen des Verstärkers 24 entgegenwirkt.

Wie in Figur 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist, werden öle Sehalter in der Schalteinrichtung 14 der Korrekturschaltung 42 und der Standardsignalquelle 28 synchron gesteuert.

Es ist erforderlich, die Verstärkung des am Kondensator in der Korrekturschaltung 42 stehenden Signals durch den Verstärker 24 bis zur Ausgangsklemme 38 genau auszuwählen und festzulegen, damit die Verstärkerdrift gerade kompensiert wird. Dies läßt sich durch entspreche nde Wahl des Widerstandes in der Korrekturschaltung 42 erreichen, der zusammen mit den Rückkopplungswiderständen im Gleichstromverstärker 24 die Verstärkung zwischen dem genannten Kondensator und der Ausgangsklemme J>Q entsprechend der normalen Verstärkertechnik bestimmt. Durch geeignete Auswahl dieses Widerstands und der Verstärkung, läßt sich eine exakte Kompensation, aber falls gewünscht auch eine Überkompensation oder Unterkompensation erreichen. Diese A'nderungsmöglichkeiten können mit Vorteil dann ausgenutzt werden, wenn

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an den Ausgang des Verstärkers weitere Schaltungen angeschlossen sind, welche entweder eine positive oder negative Driftoder keine Drifterscheinungen aufweisen. Etwaige Drifterscheinungen dieser Polgeschaltungen können also durch die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit kompensiert werden.

Der Schalter innerhalb der Standardsignalquelle 28 braucht nicht unbedingt vorhanden zu sein. Da der Verbindungspunkt 18 als Summierpunkt für den Verstärker 24 dient, kann die Standardsignalquelle 28 ständig angeschlossen bleiben, ohne das Ausgangssignal zu beeinflussen, weil sie die Spannung Null liefert. Wenn.jedoch der Verstärker 24 gemäß einer bevorzugten Äusführungsform als Differentialverstärker ausgebildet ist, kann es erwünscht sein, daß beide Eingänge denselben Eingangswiderstand gegenüber Erde bzw. Bezugspotential haben. In diesem Falle ist der Schalter innerhalb der.Standardsignalquelle 28 erforderlich, um beim Anschluß der Standardsignalquelle und beim Anschluß der normalen Signalquelle 10 denselben Eingangswiderstand zu haben. Aber selbst wenn der Verstärker 24 hochohmige Eingänge aufweist, verursacht eine Fehlanpassung der an seine Eingänge angeschlossenen Widerstände keine merkbare Drift, so daß auch dann die Standardsignalquelle 28 ständig angeschlossen bleiben kann. Dies hat seinen Grund darin, daß eine niedrige Eingangsimpedanz des Verstärkers Strom durch jegliche an seinen Eingang angeschlossene Impedanz zieht und ein Unterschied der Widerstände von diesen Eingängen aus gesehen, sich als Differenzspannung als Folge der Ströme darstellt. Dies verursacht ein Ungleichgewicht.im Verstärker, welches als Drift erscheint und durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kompensiert wird. ·

Figur 2 zeigt eine Schaltung, bei welcher die verschiedenen Schalter Feldeffekttransistoren sind. Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel durchweg N-Kanal-Feldeffekttransistoren angewandt werden, kann man auch andere Typen oder andere Halbleiterschalter einsetzen. Wenn an irgendeiner als Schalter in Reihe eingeschalteten Vorrichtung •ein Spannungsabfall oder eine sonstige Spannung, wie die Kollektor-Emitter Sättigungsspannung eines als Schalter dienenden Translators auftritt, so wirkt diese

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Spannung als Eingangsspannung für den Verstärker. Wenn diese Rest- oder Offsetspannung auftritt, so erscheint sie am Verstärkerausgang als Verstärkerdrift. Die in der dargestellten Schaltung verwendeten Feldeffekttransistoren arbeiten als Schalter ohne Restspannung, weil mit ihren Gate-Elektroden je eine Diode in Reihe geschaltet ist, welche das Fließen eines Reststromes durch den Feldeffekttransistor verhindert. Wird eine negative Spannung über die Diode an die Gate-Elektrode des zugehörigen Feldeffekttransistors gelegt, so sperrt dieser. Wird hingegen versucht, der Gate-Elektrode eine positive Spannung zuzuführen, so verhindert dies die entsprechende Diode, weil diese dann in Sperr-Richtung wirksam ist. Sobald die mit der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors in Reihe geschaltete Diode ihren Sperr-™ zustand annimmt, überführt der zwischen die Gate- und Source-Elektrode eingeschaltete Widerstand den Feldeffekttransistor schnell in den Leitzustand, indem er die Gate-Source-Spannung auf Null absenkt. Es zeigt sich also, daß der einzige Strom, der durch den Feldeffekttransistor fließen kann, der Signalstrom ist. Dies hat zur Folge, daß die einzige Wirkung dieser Schalter, diejenige eines Widerstandes ist, welche zu derjenigen des Innenwiderstandes hinzutritt.

In Figur 2 weist der Verstärker 24 einen zweiten Rückkopplungskanal auf, in welchem ein Feldeffekttransistor als Schalter wirksam ist. Der Rückkopplungswiderstand vom Ausgang zum EIngang des Verstärkers steuert direkt dessen Verstärkungsgrad. Diese zweite Rückkopplungsschaltung kann also benutzt werden, wenn es erforderlich ist, den Verstärkungsgrad des Verstärkers 24 bei angeschlossener Standardsignalquelle zu erhöhen, um ein größeres driftproportionales Ausgangssignal zu erhalten. Dies ist nur dann nötig, wenn die Drifterscheinungen so gering sind, daß in einer einzigen Rückkopplungsschleife kein merkbares Sig-. nal erzeugt werden kann oder wenn aus irgendwelchen Grüneten eine noch genauere Driftkompensation erforderlich ist«

Figur 3 zeigt als Blockschaltbild eine Abwandlung der Korrekturschaltung 42, welche in Verbindung mit den Verstärkö^ofeal.-tungen der Figuren 1 oder 2 eingesetzt werden kann. In diesen' Schaltungen war als Speicherelement ein Kondensator verwandet

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worden«. Wegen seines endlichen Innenwiderstandes hat ein solcher Kondensator nur eine begrenzte Speicherzeit. Dieser Nachteil soll durch die Schaltung gemäß Figur j5 beseitigt werden. Hier wird das analoge Ausgangssignal des Verstärkers 24 über die Leitung 44 einem Analog-Digital-Umsetzer 47 zugeleitet, an welchen ein Digital-Analog-Umsetzer 48 angeschlossen ist. Letzterer speichert einerseits das über die Leitung 44 ankommende Signal in digitaler Weise und somit ohne Verlust an Informationsinhalt und liefert andererseits auf seiner Ausgangsleitung 46 das zur Driftkorrektur dienende Gegenkopplungssignal an die Schaltvorrichtung 14. Zu bestimmten Zeiten, wenn nämlich die Standardsignalquelle 28 an den Verbindungspunkt 18 angeschlossen ist, wird das im Analog-Digital-Umsetzer 47 erzeugte Signal (t jeweils an den Digital-Analog-Umsetzer 48 weitergegeben. Das Signal, welches die Übertragung der Information vom Umsetzer 47 in den Umsetzer 48 steuert, hat also dieselbe Wirkung wie das Schließen und öffnen des Schalters in der Korrekturschaltung 42 gemäß Figur 1.

Da in jedem Fall das Speicherelement in der Korrekturschaltung vom Eingang des Verstärkers 24 getrennt ist, wenn es mit dessen Ausgang verbunden ist, ist das gespeicherte Signal, gleichgültig ob es eine Analog-Spannung oder ein Digital-Signal ist, kennzeichnend, für die Drift des Gleichstromverstärkers 24. Es kann somit auch als Eingangssignal für andere Schaltungen verwendet werden. . ™

Wie man sieht, sind die gezeigten Schaltungen nur Ausführungsbeispiele. Der Verstärker kann beispielsweise auch einen anderen Aufbau haben. Er kann z.B. eine oder mehrere Differentialverstärkerstufen, Verstärker mit einem Eingang oder Kombinationen solcher Verstärker aufweisen. Die Schalter, welche in Figur 2 mit Feldeffekttransistoren ausgerüstet sind, können auch anderer Art sein, beispielsweise Schaltungen mit Transistoren oder Relais. Sie haben alle die gleiche Funktion, nur unterscheiden sich die Ergebnisse etwas, falls die Schalter mit einer Restspannung behaftet sind. Die Korrekturschaltung 42 kann eine beliebige Art von Speicher aufweisen, dem ein Eingangssignal zugeführt wird, so lange die Standardsignalquelle 23 an den Verstärkereingang 22 angeschlossen ist

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und welcher ein diesem Eingangssignal proportionales Ausgangssignal liefert, wenn die Schaltvorrichtung 14 durchgeschaltet ist. Die Standardsignalquelle kann, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, mit der Spannung Null unter Verwendung eines einseitig geerdeten Widerstandes arbeiten oder aber mit einem anderen Standardeingangssignal.

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Claims

Patentansprüche

ί 1./Gleichstromverstärker mit Schaltung zur Driftkompensation unter Verwendung einer zeitweise an einen Verstärkereingang anschließbaren Standardsignalquelle und einer an den Verstärkerausgang anschließbaren Speichervorrichtung für ein aus dem Standardsignal abgeleitetes Korrektursignal, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Schaltvorrichtung den Verstärkerausgang (J4) mit einer die Speichervorrichtung enthaltenden Korrekturschaltung (42) und eine zweite Schaltvorrichtung eine Eingangsklemme (12) sowie den Ausgang (4-3)" der Korrekturschaltung mit einem Verstärkereingang (42) verbindet, wobei beide Schaltvorrichtungen synchron derart gesteuert werden, daß jeweils die eine leitend und die andere gesperrt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch -1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte, ebenfalls synchron gesteuerte Schaltvorrichtung die Standardsignalquelle (28) jeweils nur dann an den Verstärkereingang (22) -anschließt, wenn auch die erste Schaltvorrichtung durchgeschaltet ist.

J). Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,-dadurch gekennzeichnet, daß die Standardsignalquelle (28) das Signal Null liefert und einen Widerstand enthält, der entweder direkt oder über den dritten Schalter zwischen den Verstärkereingang (22) und Masse eingeschaltet ist.

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4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a durch gekennzeichnet, daß die Korrekturschaltung (42) als Speichervorrichtung wenigstens einen Kondensator enthält.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis /3, d a; durch g .e k en η ζ ei eh n.e t, daß die- Körr/ekturschaltung (.42) einen über die erste Schaltvorrichtung - an η den Verstärkerausgang (?4) anschließbaren Analog-Digital--Umsetzer (47) sowie einen an dessen Ausgang angeschlossenen Digital-Analog-Umsetzer (48) enthält, welcher das dem Verstärkerausgangssignal proportionale Digitalsignal speichert und beim Schließen der zweiten Schaltvorrichtung ein entsprechendes Analogsignal an den Verstärkereingang (22) abgibt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a durch gekennzeichnet, daß die aeite Schaltvorrichtung aus zwei gleichzeitig und gleichsinnig . betätigten Schaltern besteht, von denen der eine zwischen die Eingangsklemme (12) und einen an den Verstärkereingang (22) angeschlossenen Verbindungspunkt (l8) und der zweite zwischen den Ausgang der Korrekturschaltung (42) und den Verbindungspunkt (18) eingeschaltet ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter mechanisch betätigte Schalter oder Relais sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter durch Feldeffekttransistoren oder ändere Halbleiterschalter gebildet sind.

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9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch g e ken η ze lehnet, daß den Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren eine Diode vorgeschaltet und zwischen die Gate- und die Source-Elektrode ein Widerstand eingeschaltet ist.

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