DE1537606B2 - Gleichstromverstaerker mit schaltung zur driftkompensation - Google Patents

Description

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 Gleichstromverstärkern einen Differentialeingang vorgesehen mit genau ausgesuchten zueinander 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 eine Schaltungsanordnung zur Driftkompensation von Gleichstromverstärkern mit drei gleichzeitig betätigbaren Schaltern, von denen jeweils der erste offen ist, wenn die beiden anderen geschlossen sind, und wobei der erste Schalter zwischen dem Verstärkerausgang und einem einseitig mit Bezugspotential verbundenen Signalspeicher liegt, der zweite Schalter zwischen die Gleichstrom-Signalquelle und einen Verstärkereingang und der dritte zwischen den Verstärkereingang und Bezugspotential eingeschaltet ist. Eine Schaltungsanordung dieser Art, bei welcher als Signalspeicher ein Kondensator dient, ist aus der deutschen Patentschrift 1194 908 bekannt.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß mit der bekannten Schaltung keine vollständige Driftkompensation eines Gleichstromverstärkers erreichbar ist. Der wesentliche Grund hierfür liegt darin, daß beim Aufladen des Kondensators über den ersten Schalter vom Ausgang des Verstärkers her dem Kondensator die Parallelschaltung aus einem den Kondensator mit dem Verstärkereingang verbindenden Widerstand und dem Eingangswiderstand des Verstärkers parallel geschaltet ist. Da der Verstärkereingang während der Kompensationsphase nicht unmittelbar, sondern über einen Widerstand an Masse liegt, wird in den Verstärkereingang ein wenn auch kleiner Strom über den genannten Widerstand zwischen Kondensator und Verstärkereingang eingespeist, welcher eine vollständige Driftkompensation nicht zuläßt.

Diesem Nachteil wird gemäß der Erfindung in einfacher Weise dadurch abgeholfen, daß der Signalspeicher an den dem Verstärkereingang abgewandten Anschluß des zweiten Schalters angeschlossen ist. Der Signalspeicher steht also nicht ständig mit dem Verstärkereingang in Verbindung, sondern nur während des Normalbetriebs. Während der Korrekturphase hingegen ist er mittels des zweiten Schalters vom Verstärkereingang getrennt.

Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden im folgenden an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben. Alle in den Zeichnungen dargestellten und/oder der Beschreibung erwähnten Merkmale sind als erfindungswesentlich zu betrachten.

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

Fig. 2 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar und

Fig. 3 zeigt im Blockschaltbild einen Schaltungsteil, welcher bei den Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 an Stelle dort gezeigter Schaltungsteile eingesetzt werden kann.

ίο In der Schaltung gemäß Fig. 1 ist eine Signalquelle 10 an die Eingangsklemme 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 der Eingangsklemme 22 eines Gleichstrom-

ao Verstärkers 24 und über eine Leitung 30 mit dem Ausgang 27 einer Standardsignalquelle 28 in Verbindung. An den Ausgang 34 des Verstärkers 24 ist über die Leitung 36 der Verbindungspunkt 32 angeschlossen, von dem eine Leitung 44 zum Eingang 41 * der Fehlerkorrekturschaltung 42 führt. Die Ausgangsklemme 43 der Korrekturschaltung 42 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 an Stelle des von der Signalquelle 10 kommenden Signals für eine kurze Zeit ein bekanntes Standardeingangssignal zugeleitet wird. In diesem Falle beruhen nämlich alle Änderungen des ν 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, sobald dieser wieder an die Signalquelle 10 angeschlossen ist. In F i g. 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 13 und 45 einerseits und der Ausgangsklemme 19 der Schaltvorrichtung 14 andererseits unterbrochen ist, ist gleichzeitig der Schalter in der Standardsignalquelle 28 geschlossen, so daß der Verbindungspunkt 18 über den Widerstand in der Standardsignalquelle mit Masse verbunden ist. Der Verstärkereingang 22 liegt

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dann auf Erdpotential. Dem Verstärkereingang 22 signalquelle und beim Anschluß der normalen Siwird also aus der Standardsignalquelle 28 mit end- gnalquelle 10 denselben Eingangswiderstand zu lichem Widerstand das Eingangssignal Null zugelei- haben. Aber selbst wenn der Verstärker 24 hochtet. Dieses verursacht am Ausgang 34 des Verstär- ohmige Eingänge aufweist, verursacht eine Fehlkers ein Signal, welches über die Leitung 44 dem 5 anpassung der an seine Eingänge angeschlossenen Eingang 41 der Korrekturschaltung 42 zugeleitet Widerstände keine merkbare Drift, so daß auch dann wird. Zur gleichen Zeit mit dem Schalter in der die Standardsignalquelle 28 ständig angeschlossen Standardsignalquelle 28 schließt ein weiterer Schalter bleiben kann. Dies hat seinen Grund darin, daß eine in der Korrekturschaltung 42 und verbindet die Lei- niedrige Eingangsimpedanz des Verstärkers Strom tung 44 mit dem als Speicher dienenden Kondensa- io durch jegliche an seinen Eingang angeschlossene tor in der Korrekturschaltung 42. Nach einer Zeit- Impedanz zieht und ein Unterschied der Widerstände spanne, die kurz ist im Vergleich zur Periodendauer von diesen Eingängen aus gesehen sich als Differenzder höchsten im Eingangssignal von der Quelle 10 spannung als Folge der Ströme darstellt. Dies verauftretenden Frequenz, werden die Schalter in der ursacht ein Ungleichgewicht im Verstärker, welches Korrekturschaltung 42 und der Standardsignalquelle 15 als Drift erscheint und durch die erfindungsgemäße 28 wieder geöffnet und gleichzeitig die Schalter der Schaltungsanordnung kompensiert wird.
Schaltvorrichtung 14 geschlossen. Nunmehr gelangt F i g. 2 zeigt eine Schaltung, bei welcher die verdas am Kondensator in der Korrekturschaltung 42 schiedenen Schalter Feldeffekttransistoren sind. Obgespeicherte Potential über die Leitung 46 und das wohl in diesem Ausführungsbeispiel durchweg von der Signalquelle 10 kommende Eingangssignal 20 iV-Kanal-Feldeffekttransistoren angewandt werden, über die Leitung 16 und die entsprechenden Schalt- kann man auch andere Typen oder andere Halbkontakte an den Ausgang 19 der Schalteinrichtung leiterschalter einsetzen. Wenn an irgendeiner als 14. Da die Signale am Eingang und Ausgang des Schalter in Reihe eingeschalteten Vorrichtung ein Verstärkers 24 in Gegenphase sind, führt das von Spannungsabfall oder eine sonstige Spannung wie der Korrekturschaltung 42 gelieferte Signal zu einer 25 die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung eines als Gegenkopplung, welche jeglichen Drifterscheinungen Schalter dienenden Transistors auftritt, so wirkt diese des Verstärkers 24 entgegenwirkt. Spannung als Eingangsspannung für den Verstärker.

Wie in F i g. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet Wenn diese Rest- oder Offsetspannung auftritt, so

ist, werden die Schalter in der Schalteinrichtung 14 erscheint sie am Verstärkerausgang als Verstärker-

der Korrekturschaltung 42 und der Standardsignal- 30 drift. Die in der dargestellten Schaltung verwendeten

quelle 28 synchron gesteuert. Feldeffekttransistoren arbeiten als Schalter ohne

Es ist erforderlich, die Verstärkung des am Kon- Restspannung, weil mit ihren Gate-Elektroden je eine densator in der Korrekturschaltung 42 stehenden Diode in Reihe geschaltet ist, welche das Fließen Signals durch den Verstärker 24 bis zur Ausgangs- eines Reststromes durch den Feldeffekttransistor verklemme 38 genau auszuwählen und festzulegen, da- 35 hindert. Wird eine negative Spannung über die Diode mit die Verstärkerdrift gerade kompensiert wird. an die Gate-Elektrode des zugehörigen Feldeffekt-Dies läßt sich durch entsprechende Wahl des Wider- transistors gelegt, so sperrt dieser. Wird hingegen Standes in der Korrekturschaltung 42 erreichen, der versucht, der Gate-Elektrode eine positive Spannung zusammen mit den Rückkopplungswiderständen im zuzuführen, so verhindert dies die entsprechende Gleichstromverstärker 24 die Verstärkung zwischen 40 Diode, weil diese dann in Sperr-Richtung wirksam dem genannten Kondensator und der Ausgangs- ist. Sobald die mit der Gate-Elektrode des Feldklemme 38 entsprechend der normalen Verstärker- effekttransistors in Reihe geschaltete Diode ihren technik bestimmt. Durch geeignete Auswahl dieses Sperrzustand annimmt, überführt der zwischen die Widerstands und der Verstärkung läßt sich eine Gate- und Source-Elektrode eingeschaltete Widerexakte Kompensation, aber falls gewünscht auch 45 stand den Feldeffekttransistor schnell in den Leiteine Überkompensation oder Unterkompensation er- zustand, indem er die Gate-Source-Spannung auf reichen. Diese Änderungsmöglichkeiten können mit Null absenkt. Es zeigt sich also, daß der einzige Vorteil dann ausgenutzt werden, wenn an den Aus- Strom, der durch den Feldeffekttransistor fließen gang des Verstärkers weitere Schaltungen ange- kann, der Signalstrom ist. Dies hat zur Folge, daß schlossen sind, welche entweder eine positive oder 50 die einzige Wirkung dieser Schalter diejenige eines negative Drift- oder keine Drifterscheinungen auf- Widerstandes ist, welche zu derjenigen des Innenweisen. Etwaige Drifterscheinungen dieser Folge- Widerstandes hinzutritt.

schaltungen können also durch die Schaltungs- In F i g. 2 weist der Verstärker 24 eine,n zweiten anordnung gemäß der Erfindung mit kompensiert Rückkopplungskanal auf, in welchem ein Feldeffektwerden. 55 transistor als Schalter wirksam ist. Der Rückkopp-

Der Schalter innerhalb der Standardsignalquelle 28 lungswiderstand vom Ausgang zum Eingang des braucht nicht unbedingt vorhanden zu sein. Da der Verstärkers steuert direkt dessen Verstärkungsgrad. Verbindungspunkt 18 als Summierpunkt für den Ver- Diese zweite Rückkopplungsschaltung kann also bestärker 24 dient, kann die Standardsignalquelle 28 nuzt werden, wenn es erforderlich ist, den Verstärständig angeschlossen bleiben, ohne das Ausgangs- 60 kungsgrad des Verstärkers 24 bei angeschlossener signal zu beeinflussen, weil sie die Spannung Null Standardsignalquelle zu erhöhen, um ein größeres liefert. Wenn jedoch der Verstärker 24 gemäß einer driftproportionales Ausgangssignal zu erhalten. Dies bevorzugten Ausführungsform als Differentialverstär- ist nur dann nötig, wenn die Drifterscheinungen so ker ausgebildet ist, kann es erwünscht sein, daß beide gering sind, daß in einer einzigen Rückkopplungs-Eingänge denselben Eingangswiderstand gegenüber 65 schleife kein merkbares Signal erzeugt werden kann Erde bzw. Bezugspotential haben. In diesem Falle oder wenn aus irgendwelchen Gründen eine noch ist der Schalter innerhalb der Standardsignalquelle genauere Driftkompensation erforderlich ist.
28 erforderlich, um beim Anschluß der Standard- F i g. 3 zeigt als Blockschaltbild eine Abwandlung

der Korrekturschaltung 42, welche in Verbindung mit den Verstärkerschaltungen der Fig. 1 oder 2 eingesetzt werden kann. In diesen Schaltungen war als Speicherelement ein Kondensator verwendet worden. Wegen seines endlichen Innenwiderstandes hat ein solcher Kondensator nur eine begrenzte Speicherzeit. Dieser Nachteil soll durch die Schaltung gemäß F i g. 3 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 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 Fig. 1.

Da in jedem Fall das Speicherelement in der Korrekturschaltung 42 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 F i g. 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, solange die Standardsignalquelle 28 an den Verstärkereingang 22 angeschlossen ist, 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.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Driftkompensation von Gleichstromverstärkern mit drei gleichzeitig betätigbaren Schaltern, von denen jeweils der erste offen ist, wenn die beiden anderen geschlossen sind, und wobei der erste Schalter zwischen dem Verstärkerausgang und einem einseitig mit Bezugspotential verbundenen Signalspeicher liegt, der zweite Schalter zwischen die Gleichstrom-Signalquelle und einem Verstärkereingang und der dritte zwischen den Verstärkereingang und Bezugspotential eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalspeicher an den dem Verstärkereingang (22) abgewandten Anschluß des zweiten Schalters (14) angeschlossen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit einem Kondensator als Signalspeicher, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den dem Verstärkereingang (22) abgewandten Anschluß des zwei-' ten Schalters (14) und den Speicherkondensator ein Widerstand eingeschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schalter (14) aus zwei gleichzeitig und gleichsinnig betätigten Kontakten besteht, von denen der eine zwischen die Eingangsklemme (12) und den Verstärkereingang (22) und der zweite zwischen den Signalspeicher (42) und den Verstärkereingang eingeschaltet ist (Fig. 1).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über den ersten Schalter (41) an den Verstärkerausgang (34) ein Analog-Digital-Umsetzer (47) anschließbar ist, welcher ein dem Verstärkerausgangssignal proportionales Digitalsignal speichert, und an den Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers ein Digital-Analog-Umsetzer (48) angeschlossen ist, welcher beim Schließen des zweiten Schalters (14) , ein entsprechendes Analogsignal an den Verstär- ■ kereingang (22) abgibt (Fig. 3).

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter durch Feldeffekttransistoren oder andere Halbleiterschalter gebildet sind (F i g. 2).

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Steuerelektroden der Feldeffekttransistoren eine Diode vorgeschaltet und zwischen die Steuer- und die Quellenelektrode ein Widerstand eingeschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen