DE1562070B2

DE1562070B2 - Verstärkungs- und driftkompensierter Gleichstromverstärker

Info

Publication number: DE1562070B2
Application number: DE19681562070
Authority: DE
Inventors: Donuil A. Palos Verdes Calif. Hillis (V.St.A.)
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1967-05-02
Filing date: 1968-01-17
Publication date: 1970-12-10
Also published as: DE1562070A1; US3516002A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen verstärkungs- und driftkompensierten Gleichstromverstärker mit einer Eingangsschaltung zum Anschluß einer Spannungsquelle, an die eine' Eingang und Ausgang aufweisende erste Verstärkereinheit angeschlossen ist und die einen ersten Schalter zur periodischen Unterbrechung der Verbindung zwischen Spannungsquelle und Verstärkereinheit enthält, und mit einer Abtast- und Halteschaltung, die eine den Ausgang mit dem Eingang der ersten Verstärkereinheit verbindende, durch einen zweiten Schalter periodisch unterbrechbare, negative Rückkopplungsschleife und einen mit dem Eingang des Verstärkers verbundenen Haltekondensator umfaßt. . '"■, .

Ein solcher verstärkung^- und driftkompensierter Gleichstromverstärker ist bekannt. Bei diesem Gleichstromverstärker ist der Haltekondensator in Serie zwischen Signaleingang und Verstärkereingang geschaltet und kann periodisch geerdet werden. Mit einer solchen Verstärkerschaltung ist es ebenso wie mit anderen bekannten Verstärkerschaltungen schwierig, eine Spannungsverstärkung über eine große Bandbreite bei geringer Nullpunktsablage und Nullpunktwanderung (Drift) zu erzielen. Es war vielmehr nur möglich, entweder eine kleine Drift bei mäßigem Frequenzverhalten oder, umgekehrt, ein ausgezeichnetes Frequenzverhalten bei geringer Stabilität der Nullpunktsablage, also bei großer Drift, zu erzielen. Dieses Problem stellt sich hauptsächlich bei der Verstärkung hoher Frequenzen, weil höhere Frequenzen wegen der vorhandenen Streukapazitäten Verstärker entsprechend höherer Leistung verlangen. Bei geringeren Frequenzen und demgemäß geringeren Leistungsanforderungeh ist eine Stabilisierung der Nullpunktsablage und der Drift leichter zu erzielen. Im Hinblick auf diese Probleme enthalten bekannte Anordnungen eine Schaltung, die einen Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor und sehr geringer Nullpunktsablage und Drift umfassen. Die Schaltung wird stabilisiert, indem für eine sorgfältig bemessene Verstärkungsverminderung als Funktion der Frequenz Sorge getragen· wird, bei der die Verstärkung als Funktion der Frequenz den Punkt mit der Verstärkung Eins mit einer Steigung kreuzt, die nicht größer als 10. db pro Oktave ist. Trotz der Sorgfalt, mit der eine solche Schaltung aufgebaut sein mag, liegt deren Genauigkeit bei einer angenommenen Verstärkung von 100 nur im Bereich von 1 °/o.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstromverstärker mit sehr guter Driftkompensation und zugleich großer Bandbreite zu schaffen. Außerdem soll der erfindungsgemäße Verstärker eine bedeutend verbesserte Verstärkungsstabilität aufweisen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch erzielt, daß der Haltekondensator der Abtast- und Halteschaltung an ein Bezugspotential angelegt ist, daß an den Ausgang der ersten Verstärkereinheit über einen dritten Schalter eine Schaltungsanordnung mit einem ebenfalls an das Bezugspotential angelegten zweiten Haltekondensator angeschlossen ist, die eine weitere, mit dem Eingang der ersten Verstärkereinheit verbundene, durch einen vierten Schalter periodisch unterbrechbare Rückkopplungsschleife aufweist, und daß die Schalter so gesteuert sind, daß der erste und der zweite Schalter geschlossen sind, wenn der dritte und der vierte Schaller offen sind, und umgekehrt.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Gleichstromverstärkers besteht darin, daß hier immer eine Rückkopplungsschleife geschlossen ist, also auch dann, wenn die erste Verstärkereinheit mit dem Signaleingang verbunden ist, während bei dem oben behandelten bekannten Verstärker die Rückkopplungsschleife offen ist, wenn die Verbindung zum Signaleingang hergestellt ist. Bereits hierdurch wird eine bessere Stabilität des erfindungsgemäßen Gleichstromverstärkers erzielt. Von besonderer Bedeutung ist jedoch, daß bei dem erfindungsgemäßen Gleichstromverstärker die erste Verstärkereinheit doppelt ausgenutzt wird, wodurch sich eine innere Gesamtverstärkung ergibt, die dem Quadrat der effektiven Verstärkung der ersten Verstärkereinheit gleich ist. Dadurch wird es möglich, die Stabilität des erfindungsgemäßen Gleichstromverstärkers bei vergleichbarem Aufwand um Größenordnungen gegenüber den bisher bekannten Gleichstromverstärkern zu verbessern. So kann mit dem erfindungsgemäßen Gleichstromverstärker bei einer angenommenen inneren Verstärkung von 100 und einer Schleifenverstärkung von 1 eine Genauigkeit von 0,01 °/o erzielt werden.

Im einzelnen wird bei dem erfindungsgemäßen Verstärker im wesentlichen das Ausgangssignal der ersten Verstärkereinheit, die eine bestimmte Verstärkung aufweist, mit Hilfe der Abtast- und Halteschaltung zur Wiederverstärkung des Signals auf den Eingang der ersten Verstärkereinheit rückgekoppelt. Das Ausgangssignal dieser ersten Verstärkereinheit wird dann einer weiteren Verstärkereinheit zum Speisen einer folgenden Stufe zugeführt. Jegliche Nullpunktsablage in der Abtast- und Halteschaltung, die eine negative Rückkopplung bewirkt, wird in dem Verhältnis der Verstärkung der ersten Verstärkereinheit vermindert. Weiterhin ist eine zweite Rückkopplung vorgesehen, die an der Zuleitung zu der folgenden Stufe abgenommen und dem Eingang der ersten Verstärkereinheit zugeführt wird. Durch diese Konstruktion und Ausbildung des Gleichstromverstärkers wird dessen effektive innere Verstärkung auf das Quadrat der Verstärkung der ersten Verstärkereinheit erhöht, während die effektive Nullpunktsablage um die Verstärkung der ersten Verstärkereinheit vermindert wird.

Demnach wird durch die Erfindung ein Gleichstromverstärker mit kompensierter Drift und Verstärkung geschaffen, der sich durch seine hervorragenden Eigenschaften auszeichnet. Insbesondere wird in weiten Bereichen eine hohe Frequenzstabilität bei geringer Nullpunktsablage erreicht. Der erfindungsgemäße Verstärker hat daher eine sehr gute Frequenzcharakteristik hinsichtlich der Verstärkung und eine sehr hohe Genauigkeit. Außerdem ist das Ausgangssignal vom Eingangssignal isoliert.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 das Schaltbild eines abgeänderten Teils der Schaltung nach F i g. 1 und

F i g. 3 das Schaltbild eines Teils der Schaltung nach F i g. 1 mit einer weiteren Abänderung.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 führt eine Spannungsquelle 10 einer ersten Verstärkereinheit 12 über einen Schalter 14 ein Potential E_1n zu. Die Verstärkereinheit 12 ist so aufgebaut, daß sie die Diffe-

3 4

renz zwischen dem Potential E_in und dem Potential Kondensator 32 zugeführt. Für die Ausgangsspanauf einer Leitung 28, das der Spannung E₁ auf der nung der ersten Verstärkereinheit 12, auf den nun Ausgangsleitung 16 der ersten Verstärkereinheit 12 der Kondensator C 2 aufgeladen wird, gilt die Begleich ist, um den Faktor G verstärkt. Die verstärkte Ziehung

Spannung wird dann über eine Leitung20 einer Ab- 5 π =c(~F-F^

tast-und Halteschaltung 18 zugeführt, die das Signal ^C2 V ^Cl ^Ci>'

über eine Leitung 28 auf die Verstärkereinheit 12 Durch Umformen und Eliminieren von E_{c ±} mittels

negativ zurückkoppelt. Die Abtast- und Halteschal- der oben angegebenen Beziehung ergibt sich dann
tung 18 enthält einen Schalter 22, einen Haltekonden-

sator 24 und eine Verstärkereinheit 26. Die Verstär- io E_c = ' .

kereinheit 26 ist mit der, ersten Verstärkereinheit 12 ² (1 + G)²'
durch die Leitung 28 verbunden und dient ais Puffer

zwischen dem Haltekondensator 24 und der ersten Wegen der doppelten Verstärkung durch die erste

Verstärkereinheit 12. Verstärkereinheit 12 wird also der Kondensator 32

Die verstärkte Spannung E₁ wird weiterhin von 15 auf eine Spannung E_C2 aufgeladen, die gleich dem

der Leitung 16 über eine Leitung 34 und einen Produkt aus der Eingangsspannung E_in und dem

Schalter 36 einer weiteren Verstärkereinheit 30 und Quadrat der effektiven Verstärkung
einem Kondensator 32 zugeführt. Eine Leitung 38

dient als Bezugsleitung zwischen der Abtast- und

Halteschaltung 18 und der weiteren Verstärkereinheit 20 (1 + G)
30. Das Ausgangssignal der weiteren Verstärkerein- ist. .
heit 30 mit dem Potential E₀ wird auf einer Leitung Zur gleichen Zeit wird jedoch die effektive Ver-40 dem Ausgang 42 des Gleichstromverstärkers zu- Stärkung der weiteren Verstärkereinheit 30 durch die geführt. Das Ausgangssignal wird weiterhin über eine mit dieser Verstärkereinheit verbundene Bezugs-Leitung 44 und einen Schalter 46 zu der ersten Ver- 25 leitung 38 zur Anfangsladung des Kondensators 24 Stärkereinheit 12 zurückgeführt und dient als Gegen- ' in Beziehung gesetzt. Daher wurde die Ausgangskopplungssignal im Vergleich zum Potential auf der spannung E₀ der weiteren Verstärkereinheit 30 auf Leitung 38. der Leitung 40 etwa auf die Ausgangsspannung E₁

Die Schalter 14, 22, 36 und 46 sind so eingerich- der ersten Verstärkereinheit 12 oder fast genau auf tet, daß der dritte und der vierte Schalter 36 bzw. 46 30 die Eingangsspannung E_in gebracht, denn es ist
geöffnet sind, wenn der erste und der zweite Sehalter 14 bzw. 22 geschlossen sind. Umgekehrt sind g — g. 2 G + G²
auch der dritte und der vierte Schalter 36 bzw. 46 ° '" (1 + G)²'
geschlossen, wenn der erste und der zweite Schalter

14 bzw. 22 geöffnet sind. Die Schalter werden jeweils 35 Weiterhin wurde die Ausgangsspannung E₀ mit

von einem Schalterantrieb 48 bzw. 50, 52 oder 54 Hilfe der Rückkopplung über die Leitung 44 und den

betätigt. Mit den Schalterantrieben ist eine Schalter- zur ersten Verstärkereinheit 12 führenden geschlos-

steuerung 56 verbunden, die für das Öffnen und senen Schalter 46 stabilisiert.

Schließen der Schalter in der gewünschten Weise Die Nullpunktsablage der Verstärkereinheit 26 der Sorge trägt. Obwohl die Schalterantriebe und die 40 Abtast- und Halteschaltung wird durch den Verstär-Schaltersteuerung als mechanische Einrichtungen kungsf aktor der ersten Verstärkereinheit 12 reduziert, dargestellt sind, die auf die Schalter einwirken, ver- Die Aufhebung der Nullpunktablage der ersten Versteht es sich, daß statt dessen auch elektronische Stärkereinheit 12 wird durch die Rückkopplungs-Schalt- oder Tasteinrichtungen Anwendung rinden schleife über die Leitung 44 und den Schalter 46 zur können, wie beispielsweise Multivibratoren oder 45 ersten Verstärkereinheit 12 erzielt. Die Nullpunkts-Schalttransistoren. ablage in der weiteren Verstärkereinheit 30 wird

Wenn im Betrieb der erste und der zweite Schal- ebenfalls in dem Verhältnis der Verstärkung der ter 14 bzw. 22 geschlossen und der dritte und der ersten Verstärkereinheit 12 mittels der jeweiligen vierte Schalter 36 bzw. 46 geöffnet sind, wird das Eingangssignale für die weitere Verstärkereinheit 30 Potential E_in angelegt und von der ersten Verstärker- 50 reduziert. Daher kompensieren die beiden durch die einheit 12 verstärkt, so daß sich eine verstärkte Leitungen 20 und 44 geschaffenen Rückkopplungs-Spannung E₁ ergibt. Diese Spannung wird über die schleifen die Nullpunktsablagen der inneren Ver-Leitung 20 dem Haltekondensator 24 zugeführt und Stärkereinheiten 12, 26 und 30. Die Kompensation darin gespeichert. Der Kondensator 24 wird dadurch der Nullpunktsablagen erfolgt deshalb, weil das von annähernd auf E₁ oder genauer auf 55 der Spannungsquelle 10 gelieferte Eingangssignal und E = G(E — E ") ^^as Rückkopplungssignal über die Leitung 44 den ^Cl ^ '" ^Cl gleichen Eingang der ersten Verstärkereinheit 12 zuaufgeladen. Durch Auflösen nach E_Cl ergibt sich geführt werden. Wenn nämlich diese Verstärkerein-

heit eine Nullpunktsablage aufweist und diese NuIl-

E_c = '" . ^6o punktsablage sich auf das Eingangssignal und das

1 + G Rückkopplungssignal mit dem gleichen Betrage auswirkt, so wird die Nullpunktsablage kompensiert.

Danach werden die ersten beiden Schalter 14 und Andererseits müssen aber die Auswirkungen der

22 geöffnet und die anderen beiden Schalter 36 und Nullpunktsablage auf Eingangssignal und Rück-

46 geschlossen, so daß der Haltekondensator 24 65 kopplungssignal die gleichen sein, weil beide Signale

seine Spannung über die Verstärkereinheit 26 der dem gleichen Eingang der ersten Verstärkereinheit

ersten Verstärkereinheit 12 zu erneuter Verstärkung 12 zugeführt werden,

und Speisung des weiteren Verstärkers 30 und den Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 ist die wei-

tere Verstärkereinheit 30 der Ausführungsform nach Fig. 1 durch eine Verstärkereinheit 30' mit einer Verstärkung G ersetzt. Bei dieser Ausführungsform wird das Ausgangssignal der ersten Verstärkereinheit 12 einem Eingang der weiteren Verstärkereinheit 30' zugeführt, wenn der dritte und der vierte Schalter 36 bzw. 46 geschlossen und der erste und der zweite Schalter 14 bzw. 22 offen sind. Die Leitung 38 stellt einen weiteren Eingang der weiteren Verstärkereinheit 30' dar. Ein Widerstand 60 bildet eine negative Rückkopplungsschleife für diese Verstärkereinheit 30'. Das Ausgangssignal dieser Verstärkereinheit umfaßt demnach das über die Leitung 38 zugeführte Eingangssignal, das um die gemäß dem Wert des Verhältnisses der Widerstände 60 und 61, also R₆₀/R_ev verstärkte Differenz der Signale auf den Leitungen 34 und 38 vermindert ist.

Der in F i g. 1 dargestellte Gesamtverstärker hat den Verstärkungsfaktor Eins, weil das Ausgangssignal des Gesamtverstärkers auf der Leitung 40 über die Leitung 44 auf den Eingang der ersten Verstärkereinheit 12 rückgekoppelt wird, also auf den Eingang des Gesamtverstärkers, so daß das Ausgangssignal des Gesamtverstärkers zugleich dessen Eingangssignal ist. Bei Bedarf kann jedoch die von der Spannungquelle 10 gelieferte Eingangsspannung mit Hilfe der in F i g. 3 dargestellten Abwandlung verstärkt werden, bei der das Ausgangssignal der weiteren Verstärkereinheit 30 mit Hilfe eines Spannungsteilers rückgekoppelt wird, der die Widerstände 62 und 64 umfaßt. Die Rückkopplung über die Leitung 44 wird von einer Stelle zwischen den beiden Widerständen abgenommen, so daß ihr Wert von der gewählten Größe der Widerstände 62 und 64 abhängt.

Claims

35 Patentansprüche:

1. Verstärkungs- und driftkompensierter Gleichstromverstärker mit einer Eingangsschaltung zum Anschluß einer Spannungsquelle, an die eine Eingang und Ausgang aufweisende erste Verstärkereinheit angeschlossen ist und die einen ersten Schalter zur periodischen Unterbrechung der Verbindung zwischen Spannungsquelle und Verstärkereinheit enthält, und mit einer Abtast- und Halteschaltung, die eine den Ausgang mit dem Eingang der ersten Verstärkereinheit verbindende, durch einen zweiten Schalter periodisch unterbrechbare, negative Rückkopplungsschleife und einen mit dem Eingang des Verstärkers verbundenen Haltekondensator umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltekondensator (24) der Abtast- und Halteschaltung (18) an ein Bezugspotential angelegt ist, daß an den Ausgang der ersten Verstärkereinheit (12) über einen dritten Schalter (36) eine Schaltungsanordnung (30, 32) mit einem ebenfalls an das Bezugspotential angelegten zweiten Haltekondensator (32) angeschlossen ist, die eine weitere, mit dem Eingang der ersten Verstärkereinheit (12) verbundene, durch einen vierten Schalter (46) periodisch unterbrechbare Rückkopplungsschleife (44) aufweist, und daß die Schalter so gesteuert sind, daß der erste und der zweite Schalter (14 und 22) geschlossen sind, wenn der dritte und der vierte Schalter (36 und 46) offen sind, und umgekehrt.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (30, 32) eine zweite Verstärkereinheit (30) aufweist, mit deren Eingang der zweite Speicherkondensator (32) verbunden ist und an deren Ausgang (40) sich die zum Eingang der ersten Verstärkereinheit (12) führende Rückkopplungsschleife (44) anschließt.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast-und Halteschaltung (18) eine dritte Verstärkereinheit (26) enthält.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Verstärkereinheit (26) von einem potentiometrischen Verstärker gebildet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen