DE1549621A1 - Verfahren zur Kompensation der Fehlereingangsstroeme mehrerer gleichartig aufgebauter Gleichspannungs-,vorzugsweise Operationsverstaerker - Google Patents

Description

• Verfahren zur Kompensation der Fehlereingangeströme mehrerer gleichartig aufgebauter Gleichspannungs- vorzugsweise Operationaverstärker - Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Fehlereingangsströme mehrerer gleichartig aufgebauter Gleichspannungs- vorzugsweise Operationsverstärker bei gleichen Temperatur- und Betriebsspannungsschwankungen. Operationsverstärker, die in der analogen Rechentechnik oder in industriellen Datenverarbeitungssystemen eingesetzt werden, haben zwei grundsätzliche Fehlerquällenund zwar die auf den Eingang bezogene Fehler-Driftspannung und als zeite den Fehlereingangestrom selbst, Beide Fehlerquellen bestimmen maßgeblich die Funktionsgenauigkeit- des Operationsverstärkers. Es müssen daher fUr beide Fehlerquellen besondere schaltungetechnische Vorkehrungen getroffen werden" die die unvermeidlichen Fehler auf eine zulässigp Größe eindämmen.
• Der unvermeidliche Fehlereingangsstrom eines Operationsverstärkers ist durch die physikalische Wirkungsweise der in ihm enthaltenen aktiven Verstärkerelemente bedingt. Im Prinzip jedoch weisen alle bekannten aktiven Verstärkerbauelemente, wie Verstärkerröhren und die verschiedenen Halbleiter-Bauelemente Fehlereingangeströme auf, die sich nur jeweils nach dem ver#-wendeten Bauelemente-Typ in der absoluten Größe des Fehlereingangsstrome unterscheiden. Der Fehlereingangestrom eines Operationsverstärkers erzeugt eine Fehler-Ausgangespannung uA$' die dem Produkt aus Rückführwiderstand R K und Fehlereingangs-Strom iF gleich ist.
• U.A 'F -RK Besonders kritisch ist der Effekt des Fehler-Eingangsstromes bei einem Operationsverstärker in Integratorschaltung; hierbei wird die Fehlerspannung am Ausgang mit dem Fehlerstrom i F und der Rückführ-Kapazität C: Die Fehlerspannung uA am Ausgang ist also eine von der Zeit t abhängige Größe und kanddaher bei einer längeren-Integrationszeit beträchtliche Werte annehmen.
• Nach dem Stand der Technik gibt es mehrere Methoden der Fehlereingangsatrom-Kompensation. Z. B. wird einem Operationsverstärker über einen konstanten Widerstand" der an einer konstanten Spannung liegt, ein Strom auf di e Eingangsklemme zugeführte der dem Betrag des Fehlers gleich, in seiner Richtung aber umgekehrt ist, so daß eine Kompensation des Fehlerstromes erfolgt.
• Nach einer weiteren bekannten Methode wird bei Operstionsverstärkern mit Differential-Eingangestufe die positive Eingangsklemme über einen Widerstand R K an Erde gelegt, der den Wert hat, wobei Ro die Rückführimpedanz im Gegenkopplungezweig und Ri die Eingangs-Impedanz des Gegenkopplungs-Netzwerkes darstellt. Bei diesem Verfahren wird die Voraussetzung gemacht, daß der Fehler-Eingangestrom der beiden aktiven Verstärkerelemente der Eingangs-Verstärkerstufe annähernd gleich ist. Nach einem weiteren bekannten Verfahren wird der Operationsverstärker durch einen RO-Hochpaas gleichstrommäßig von seiner Eingangeklemme durch einen hochwertigen Koppel-Kondensator isoliert, so daß kein-Fehlerstrom auf die Eingangeklemme gelangen kann, Es muß dann ein zusätzlicher Gleichspannungskanal durch einen Modulations-Verstärker mit niedriger Grenzfrequenz geschaffen werden, in der Art der bekannten zerhackerstabilisierten Gleichspannungs-Verstärker in Goldbergschaltung. Der Eingangsmodulator solch eines zusätzlichen Modulations-Verstärkere ist dabei so ausgelegt, daß er einen vertretbar kleinen Fehlerstrom auf die Verstärkere:Lagangsklemme fließen läßt.-Die Methode der Einspeisung eines konstanten Kompensationsstromes auf den Verstärker-Eingang kann nicht durch schwankende Betriebespannungen odbr Umgebungstemperaturea hervorgerufene Änderungen des Fehler-Eingangastromes berücksichtigen, Die indirekte Methode der Fehlerstromkompermation durch die Erdung der zweiten Eingangeklemme einer Differential-Eingangestufe mittels eines Kompensationswiderstandes R, hat den Nachteil, daß der Widerstand R K von der Eingangs- und Rückführimpedanz abhängt.-Solch ein Verstärker ist nicht ohne weiteres frei programmierbar, es sei denn, man verwendet jeweils die doppelte Anzahl von Rechenimpedanzen, einmal für den Gegenkopplungezweig und einmal zur Fehlerst:,?3mkompe",se;,i-<jn, Die dritte Methode$ die Verwendung eines abgeblo(##'.e.t.t.-e, Gleichspannungsverstärkers mit einem zusätzlichen Zerhacker-Verstärker in Goldbergschaltung hat vom technischen Standpunkt keine der oben dargestellten Nachteile. Hier liegt der Nachteil mehr auf ökonomischem Gebiet, da sich der technische Aufwand gegenüber einem einfachen Verstärker annähernd verdoppelt, Zweck der Erfindung ist die Herabsetzung des technischen Aufwandes und des Preises bei der Erzielung einer freien Programmierbarkeit mehrerer gleichartig aufgebauter Gleichspannungevorzugsweise Operationsverstärker.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kompensation des Fehler-Eingangestromes'für gleichzeitig mehrere Verstärker zu schaffen, bei dem sowohl temperatur- als auch betriebespannungsbedingte Änderungen des Fehler-Eingangsstromes berücksichtigt werden, wobei die freie Programmierbarkeit der stromkompensierten Verstärker voll erhalten bleiben soll und dabei der zusätzliche technische Aufwand pro Verstärker gering bleibt.
• Erfindungegemäß wird folgender Lösungsweg zur Fehlereingangsstrom-Kompensation von Gleichspannungs-Operationsverstärkern vorgeschlagens Finden mehrere Operationsverstärker vom gleichen Typ mit gleicher Eingangsstufe in einem elektronischen Gerät Verwendung, dann sind sie auch den gleichen betrieblichen Umwelteinflüssen, wie Temperatur- und Betriebespannungeschwankungen ausgesetzt und die Fehlerströme der einzelnen Verstärker haben alle annähernd die gleiche Größe und ihre Umwelt bedingte Änderung wird bei allen Verstärkern den gleichen prozentualen Anteil vom jeweiligen Fehlergrundstrom haben. Aufbauend auf diese Überlegung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, wenn in einer elektronischen Schaltanordnung n-Verstärker verwendet werden, einen zusätzlichen Verstärker für die Zwecke der Fehlerstromkompensation zu verwenden, der die Fehlerströme der anderen Verstärker kompensiert. Hierbei wird der zusätzliche Verstärker durch einen reellen Widerstand vom Ausgang auf die Eingangsklemme überbrückt. Der Fehler-Einganggstrom der Zusatzverstärker erzeugt am Ausgang desselben eine Spannung, die dem Produkt aus Rückführwiderstand mit Fehlerstrom proportional ist. Verbindet man die Eingangsklemmen der übrigen Verstärker mit dem Ausgang des Zusatzverstärkers über jeweils einen Kompensations-Widerstand, der die Größe des Rückführwiderstandes des Zusatzverstärkers hat, dann fließt auf die Eingangsklemmen der einzelnen Verstärker ein Kompensationestrom, der dem Fehlereingangestrom des jeweiligen Verstärkers gleich iste aber die entgegengesetzte Stromrichtung hat und somit den ursprünglichen Fehlerstrom kompensiert. Die erfindungegemäße Lösung der Fehlereingangestrom-Kompensation hat zur Voraussetzung, daß die Fehlereingangsstrom-Grundwerte der einzelnen Verstärker absolut gleich sind, was in der Praxis schwer erfüllbar ist, Nach einem weiteren Merkmal der erfindungegemäßen Lösung sind daher die Kompensationawiderstände' der einzelnen Verstärker nicht gleich dem Festwert des Rückführwiderstandes des Zusatzverstärkersg sondern regelbar und größer oder kleiner als der Rückführwiderstand des Zusatzverstärkers einstellbar, je nachdemg ob der Fehler-Eingangsstrom des jeweiligen Verstärkers größer oder kleiner als der Fehlereingangsstrom der-Zusatzverstärker ist, Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal kann der Kompensations-Abgleich des Fehlereingangsstroms der einzelnen Verstärker auch dadurch vorgenommen werden, daß die Ausgangsspannung des Zusatzverstärkers für jeden Einzelverstärker über einen einstellbaren Spannungsteiler mit nachgeschaltetem festem Kompensationswiderstand eingestellt werden kann.
• Die verschiedenen Fehler-Eingangsströme z. B. bei Transistor-Operationsverstärkern sind auf die unterschiedliche Stromverstärkung B der Eingangstransistoren zurückzuführen, Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal ist der Kollektorwiderstand des jeweiligen Eingangstransistors reziprok zu seiner Stromverstärkungeabweichung B zum Eingangstransistor der Zusatzverstärker einstellbar. Durch diese Maßnahme ist auch bei Eingangstranaistoren mit unterschiedlicher Stromverstärkung ein gleicher Fehler-Eingangsstrom erzielbar. In diesem Fall kann der individuelle Fehlerstromabgleich außerhalb des Verstärke'rs entfallen, Um bei Transistor-Operationsverstärkern auch bei verschiedenen Umgebungstemperaturen eine genaue Fehlereingangestromkompensation zu erhalten, muß der Zusatzverstärker mit dem kompensierten Verstärker so räumlich angeordnet sein, daß alle Eingangestufen-Tranaistoren den gleichen Temperaturschwankungen unterliegen, Bei sehr genauer Fehlereingangestromkompensation ist es daher notwendig, daß alle Eingangstransistoren in einem gemeinsamen Metallblock angeordnet sind, damit eine genaue Temperaturgleichheit aller Eingangsstufen gewährleistet ist, Eine noch weitere Verbesserung der Fehlereingangsstrom-Kompensation läßt sich dadurch erreichen, daß man zu der Bedingung der Temperaturgleichheit noch die Bedingung der Temperatur -Konstanz hinzufügt, Das kann man dadurch erreichen, indem man den gemeinsamen Metallblock der Eingangstransistoren durch eine zusätzliche in ihm befestigte temperaturempfindliche Halbleiteranordnung auf eineckonstantenTemperatur hält.
• Die Erfindung soll an mehreren in den zugehörigen Zeichnungen dargestellten Ausführungebeispielen näher erläutert werden. Es zeigen Fig. 1 eine Schaltung zur Erzeugung mehrerer gleicher Kompensationeströme durch einen Zusatzverstärker Fig. 2 die Zusammenschaltung eines Zusatzverstärkers mit n-Operationaverstärker Fig. 3 eine Schaltung für den individuellen Fehlerstromabgleich der Einzelverstärker durch einen veränderbaren Kompensationa-Widerstand Fig. 4 eine Schaltung für den individuellen Fehlerstromabgleich der Einzelverstärker durch einen einstellbaren Spannungsteiler mit festem Kompensationswiderstand 1 Fig. 5 eine Transistor-Eingangsatufe mit variablem Kollektorwiderstand Ein gemäß Fig, 1 aufgebauter Zusatzverstärker Ve n+l ist durch ei-neu Rückführwiderstand R K von seiner Ausgangsklemme A auf seine Eingangeklemme E gegengekoppelt, Aus der Eingangeklemme E fließt ein Fehlereingangestrom iF über den Rückführwiderstand RK zur Ausgangsklemme A und erzeugt eine Ausgangespannung UA von der Größe (-ip RK). Schaltet man an die Ausgangeklemme A des Zusatzverstärkers Ve n+l die Widerstände RK111 R K2 bis RKnt so erhält man n Stromkreise, in denen die Ströme iK12 iK2 bis i Ka fließen, Unter der Voraussetzung, daß R., bis R Kn gleich R K ist" erhält man für 'K1 bis i Kn: Das bedeutet, daß man durch die besehriebene*Schaltung beliebig viele Stbromkreise erhält, in denen gegen Erde jeweils die Ströme i Kl bis 'Ka fließen, die dem Fehlereingangsstrom mit entgegengesetzten Vorzeichen' gleich sind.
• In Fig. 2 ist die praktische Ausführung einer Fehlerstrom-Kompensation für mehrere gleichartig aufgebaute Operationsverstärker durch einen Zusatzverstärker dargestellt. Entsprechend der Fig, 1 ist ein Zusatzverstärker Ve a+i mit einem RückfLihrwiderstand R, vom Ausgang A auf den Eingang E gegengekoppelt, so daß der aus der Eingangsklemme E fließende Fehlereingangsstrom i F über den Rückführwiderstand R, eine Ausgangespannung liA von der Größe (- i11 P...) eirzeugt. Weiterhin sind in Fig, 2 die Operationsvers-Gärker Ve.- bij Ve: dargestelltg deren Fehlereingangsstrora ipi "u2.-713 durch den Zusatzverstärker Ve XL+l kompensiert werden ooll. Die Pammierpunkte Si bis S n der Operationaverstärker Ve 1 bis Ve n sind über die Widerstände RK, bis RKn mit dem Ausgang A vom Zusatzverstärker Ve n+l verbunden. Zil bis Zi n und Zo 1 bis Zo n stellen die Rechenimpedanzen der Operationsverstärker Ve 1 bis Ve n dar. Wegen der hohen inneren Verstärkung der Operationsverstärker liegen deren Summierpunkte S 1 bis S n praktisch auf Nullpotential. Unter der Voraussetzung, daß die Fehlereingangsströme iF1 bis ipl, gleich dem Fehlereingangsstrom i.. sindg und die Widerstände R,1 bis RKn gleich dem Rückführwiderstand R K eindg werden die Fehlereingangeströme i Fi bis iFn durch die über die Widerstände RK1 bis Ry" auf die Summierpunkte S 1 bis S n fließenden Ströme i Ki bis i Kn kompensiert, Fig, 3 zeigt den Gesamtkompensationswiderstand R zwischen Ki dem Ausgang A des Zusatzverstärkers Ve a+i und dem Summierpunkt Si eines Operationsverstärkers Vei, Der Gesamtkomp#nsationswiderstand RKi besteht aus einem variablen Widerstand P i und einem Festwiderstand Ri. Diese Anordnung ermöglicht es, durch Verändern des variablen Widerstandes Pi die genaue Fehlerstromkompensation des betrachteten Verstärkers Vei, wenn dessen Fehlereingangsstrom i Fi vom Fehlereingangestrom i F des Zusatzverstärkers Ven+, abweicht. Es ist hierbei: Fig. 4 zeigt die zweite Möglichkeit eines Einzelabgleiches des Fehlereingangsstromes des Verstärkers Ve i bei unterschiedlichem Fehlereingangsstrom i F des Zusatzverstärkers Ve n+l und des Fehlerstromes iFi* Ein veränderlicher Spannungsteiler T ist an die Ausgangsspannung uA des Zusatzverstärkers Ve n+l angeschlossen; zwischen dem Ausgang TA des Spannungsteilers und dem Summierpunkt Si des Verstärkers Ve i liegt ein Festwiderstand R. Unter der Bedingung, daß der Festwiderstand R kleiner als der Rückführwiderstand RK istg läßt sich durch Verändern des Spannungsteilers T ein Kompensationsstrom iKi einstellen, der größer oder kleiner als der Fehlereingangsstrom iF des Zusatzverstärkers Ve n+i II in kann.
• Fig, 5 zeigt eine vereinfachte Transistor-Eingangestufe eines Transistor-Operationsverstärkers in Emitterbasisschaltung, Von der Basis des Eingangstransistors T 1 fließt ein Fehlereingangestrom iFi auf den Summierpunkt Si.
• Zwischen Emitter E und Erde liegt ein Emitterwiderstand RE und eine Emitter-Basie-Spannungequelle UEB" Zwischen Kollektor 0 und einer positiven Betriebespannungequelle + U liegt ein Kollektawiderstand RCig bestehend aus einem Festwiderstand R, und einem variablen Widerstand Pci. An den Kollektor C des Eingangstransistors T, sind die nachfolgenden Gleichspannungsverstärkerstufen V i angeschl ' ossen. Der durch die unterschiedliche Stromverstärkung B i und B K der Eingangstransistoren des jeweiligen Operationsverstärkers Vei und der Zusatzverstärker Ve n+l hervorgerufene Unterschied der Fehler-Eingangeströme kann durch Abgleich vom Kollektorwiderstand RCi durch den variablen Widerstand Pei im operationsverstärker Ve i zu Null gemacht werden. Es gilt also für den Kollektorwiderstand Ro-i annähernd: Hierbei ist mit RCK der Kollektorwiderstand des Eingangstransistors vom Zusatzverstärker Ven+, bezeichnet.

Claims (1)

1. Patentansprüche-.' 1, Verfahren zur Kompensation der Fehlereingangsströme mehrerer gleichartig aufgebauter Gleichspannungs - vorzugsweise Operationsverstärker bei gleicher Temperatur - und gleichen Betriebsspannungsschwankungen, dadurch gekennzeichnet, daß vom Ausgang (A) eines gleichen zusätzlichen Verstärkers (Ve.,1), der einen Fehlereingangsstrom (iF) aufweist und durch einen Rückführwiderstand (R.) vom Eingang (E) auf seinen A usgang gegengekoppelt ist, äber jeweils einen Kompensationswiderstand (RK1 bis RK.) ein Kompensationsstrom (i Ki bis i KZ) solchen Vorzeichens und solcher Größe auf jeweils einen zwischen Rechenimpedanzen, Kompensationswiderstand und Operationsverstärkereingang liegenden Summierpunkt (S 1 bis S n ) fließt, so daß die Summe der Fehlereingangs- und Kompensationsströme, (1 Fl bis i Fn ; iK, bis i..) aller Operationsverstärker (Ve 1 bis Ve zu Null wird, 2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Ausgang des Zusatzverstärkers und dem Bil-mmierpunkt (S i ) des Operationsverstärkers (Ve i ) verbundene Kompensationswiderstand (R Ki. ) aus einem variablen Widerstand (Pi) und einem festen Widerstand (R i ) besteht* 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (A) des Zusatzverstärkers (Ve n+1) und dem Siimmierpunkt (S i ) des Operationsverstärkers ein an dem Ausgang des Zusatzverstärkers angeschlossener Spannungsteiler (T) zur einstellbaren Fehlereingangestrom-Kompensation liegt, dessen Ausgang (T A ) Über einen Testwiderstand (R) mit dem Summierpunkt; (B des Operationsverstärkers Ve 1 verbunden ist.' 4. Schaltungsanordnung nach Ansprach 1 dadurch gekenn" zeichnet, daß die Eingangsstjufe des Operationsverstärkers ee. einen Transistor (Ti) in Emmitterbasisschaltung aufweist, die als Abgleichglied für den auf den Stimmier-Punkt (B i ) fließenden Fehlereingangsstrom (i Fi) eines veränderbaren aus einem variablen Widerstand (P"i) und einem Testwiderstand (R i ) bestehenden Kollektorwiderstand (Roi) enthält, Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet,3 daß die Einga-agstransistoren aller Verstärker (Ve 1 464ve n ) einschließlich des Transistors des Zusatzverstärkers (Ven+1) gemeinsam in einen Metallblock angeordnet sind, 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet,-daß dem allen Eingangstransistoren gemeinsamen Metallblock,-eine Temperaturregeleinriähtung an sich bekannter Bauart zugeordne17 ist, Aufstellung der Bezugszeichen Zusatzverstärker . ve a+I Emitter-Basis- %B Spannungsquelle Rückwiderstand P.K Kollektor Ausgangsklemme A Kollektorwiderstancl Rai Eingangsklemme B Festwiderstand R i Fehlereingangsstrom i F; hl variabler Widerstand pci bis i F-n- Gleichspannungs- V verstärkerstufen Ausgangsspannung IIA Stromverstärkung B Widerstände bis %n is BK Operationsverstärker Ve Stöme j.K,1 bis iKn Kollektorwiderstand R OK Operationsverstärker Vel bis Ve n Simmierpunkte 0" bis Sn Rechen'impedanzen zi bis Zi n; Zo bis to Gesamtkompensations- widerstand Variabler Widerstand P Festwiderstand P. Veränderlicher T Spannungsteiler Ausgang T A Festwiderstand, R Kompensationsstroja i Eingangstr ansistor T, Bumierpunktr -11, gAD, ORIGINAL