DE1937714C3

DE1937714C3 - Circuit arrangement for stabilizing DC voltage

Info

Publication number: DE1937714C3
Application number: DE19691937714
Authority: DE
Inventors: Donald Lane Houston Tex. Howlett (V.SLA.)
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Filing date: 1969-07-24
Publication date: 1978-01-19

Description

dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem zwischen dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers verlaufenden weiteren Rückkopplungszweig ein Widerstand vorgesehen ist, zwischen dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers ein Widerstand angeordnet ist, der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers über einen Widerstand zum in vertieren Jen Eingang des zweiten Operationsverstärkers rückgekoppelt ist, der nicht invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers auf Erde liegt, der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers über zwei in Reihe liegende Widerstände mit Erde in Verbindung steht, der nicht invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers mit der Verbindungsleitung der beiden in Reihe geschalteten Widerstände verbunden ist und die Konstantspannungseinrichtung zwischen dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers und seinem invertierenden Eingang vorgesehen ist.characterized in that a resistor is provided in the further feedback branch running between the output of the second operational amplifier and the inverting input of the first operational amplifier, a resistor is arranged between the output of the first operational amplifier and the inverting input of the second operational amplifier, the output of the second Operational amplifier is fed back via a resistor to the vertieren Jen input of the second operational amplifier, the non-inverting input of the second operational amplifier is connected to earth, the output of the second operational amplifier is connected to earth via two resistors in series, the non-inverting input of the first operational amplifier is connected to the connecting line of the two series-connected resistors and the constant voltage device between the output of the first operational amplifier and its inverting input nec is provided.

Die Erfindung ist nur in der Gesamtheit der Anspruchsmerkmale zu sehen.The invention is only to be seen in the entirety of the features of the claims.

Als Konstantspannungseinrichtung wird zweckmäßigerweise eine Zenerdiode vorgesehen, deren Anode mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist und deren Kathode mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers in Verbindung steht (vgl. Control Engineering, März 1967. Vol. 14, Heft 3, S. 82, Fig. 6 rechts unten).A Zener diode is expediently provided as the constant voltage device, the anode of which is connected to the output of the first operational amplifier and its cathode to the inverting one Input of the first operational amplifier is connected (see Control Engineering, March 1967. Vol. 14, Issue 3, p. 82, Fig. 6 bottom right).

Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ~ind vier Rückkopplungszweige vorgesehen. Der die Zenerdiode enthaltende erste Rückkopplungszweig verbindet Eingang und Ausgang des ersten Operationsverstärkers. Der zweite Rückkopplungszweig bewirkt eine Impedanzkopplung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers. Der dritte und vierte Rückkopplungszweig bewirkt eine Impedanzkopplung zwischen dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers und dem Eingang des ersten Operationsverstärkers. Durch die im ersten Rückkopplungszweig vorgesehene Zenerdiode wird der Einfluß von Verlagerungsspannungen beträchtlich vermindert. Zur Stabilisierung der Operationsverstärker ist eine Rückkopplung von fast 100% vorgesehen, die zusätzlich eine Stabilisierung des Zenerstromes und dadurch eine konstante Referenzspannung bewirkt. Die vom Ausgang des zweiten Operationsverstärkers abgegriffene Gleichspannung bleibt auch bei Schwankungen der Eingangsspannung und/oder der Belastung und/oder der Temperatur äußerst konstant.In the circuit arrangement according to the invention, four feedback branches are provided. The the zener diode containing first feedback branch connects the input and output of the first operational amplifier. The second feedback branch effects an impedance coupling between the input and the output of the second operational amplifier. The third and fourth feedback branches produce an impedance coupling between the output of the second operational amplifier and the input of the first operational amplifier. The Zener diode provided in the first feedback branch reduces the influence of Displacement stresses considerably reduced. Feedback is used to stabilize the operational amplifier of almost 100% provided, which additionally stabilizes the Zener current and thus a causes constant reference voltage. The one tapped from the output of the second operational amplifier DC voltage remains even with fluctuations in the input voltage and / or the load and / or the temperature is extremely constant.

Die Erfindung wird nun näher anhand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigtThe invention will now be explained in more detail with reference to drawings, in which shows

F i g. 1 ein idealisiertes schematisches Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Stabilisieren von Gleichspannung nach der Erfindung,F i g. 1 is an idealized schematic circuit diagram of a Circuit arrangement for stabilizing DC voltage according to the invention,

F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,F i g. 2 shows a diagram to explain the mode of operation of the circuit arrangement according to the invention,

Fig.3 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,3 is a circuit diagram of an embodiment of the Invention,

Fig.4 ein Schaltbild des einen Teils der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform und4 is a circuit diagram of one part of the embodiment shown in FIG. 3 and

F i g. 5 ein Schaltbild des anderen Teils der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform.F i g. 5 is a circuit diagram of the other part of the circuit shown in FIG. 3 illustrated embodiment.

Die in F ig. 1 idealisiert dargestellte Schaltungsanordnung weist zwei Operationsverstärker 10 und 12 auf. Der Verstärker 10 befindet sich in der ersten Stufe und der Verstärker 12 in der zweiten Stufe der Schaltungsanordnung. Die zweite Stufe liefert die Ausgangsspannung V₂. Die Ausgangsspannung V, des Verstärkers 10 in der ersten Stufe wird über den Widerstand R₂ zum Eingang des Verstärkers 12 in der zweiten Stufe gekoppelt. Der Widerstand A₂ ir.t mit dem negativen Eingang der zweiten Stufe verbunden.The in Fig. The circuit arrangement shown in an idealized manner has two operational amplifiers 10 and 12. The amplifier 10 is located in the first stage and the amplifier 12 in the second stage of the circuit arrangement. The second stage supplies the output voltage V ₂ . The output voltage V _{1 of} the amplifier 10 in the first stage is coupled via the resistor R 2 to the input of the amplifier 12 in the second stage. The resistor A _{2 is} connected to the negative input of the second stage.

Der positive Eingang des Verstärkers 12 ist an einen allgemeinen Schaltungsbezugspunkt oder Erdungspunkt 14 gelegt Der in der ersten Siufe enthaltene Verstärker 10 besitzt eine Rückkopplungsschleife,The positive input of the amplifier 12 is connected to a general circuit reference point or grounding point 14 that is contained in the first stage Amplifier 10 has a feedback loop,

ίο welche Eingang und Ausgang des Verstärkers 10 miteinander verbindet Diese Rückkopplungsschleife enthält eine Zenerdiode 16, die in F i g. 1 als ideale Diode dargestellt ist, wobei ihr innerer Scheinwiderstand gesondert durch das Widerstandselement Rz verkörpert wird. Das Widerstandselement Rz ist mit dem negativen Eingang des Verstärkers 10 in der ersten Stufe verbunden. Der positive Eingang des Verstärkers 10 in der ersten Stufe ist über das Widerstandselement Ri mit einem allgemeinen Schaltungsbezugspunkt oder mit Erde 14 gekoppeltίο which the input and output of the amplifier 10 connects to one another. This feedback loop contains a Zener diode 16, which is shown in FIG. 1 is shown as an ideal diode, its internal impedance being embodied separately by the resistance element Rz. The resistance element Rz is connected to the negative input of the amplifier 10 in the first stage. The positive input of the amplifier 10 in the first stage is coupled to a general circuit reference point or to ground 14 via the resistance element Ri

Der Verstärker 12 in der zweiten Stufe besitzt ebenfalls eine Rückkopplungsschleife, welche Eingang und Ausgang dieses Verstärkers miteinander verbindet. Diese Schleife wird durch ein Widerstandselement Ri gebildet, das zwischen den Ausgang und den negativen Eingang des Verstärkers 12 geschaltet ist. Zwei weitere Rückkopplungsschleifen verbinden den Ausgang des Verstärkers 12 in der zweiten Stufe mit dem Eingang des Verstärkers Iu in der ersten Stufe. Ein Widerstandselement Λ!ι ist, wie in F i g. 1 dargestellt, zwischen den Ausgang der zweiten Stufe und den negativen Eingang des Verstärkers 10 in der ersten Stufe geschaltet. Das Widerstandselement R\ bildet daher eine dieser Rückkopplungsschleifen. Die andere Rückkopplungsschleife wird von einem Widerstandselement /?4 gebildet, das zwischen den Ausgang des Verstärkers 12 und den Schaltungsknotenpunkt 18 geschaltet ist. Der Schaltungspunkt 18 ist mit dem positiven Eingang des Verstärkers 10 in der ersten Stufe verbunden. Zwischen den Knotenpunkt 18 und den allgemeinen Schaltungsbezugspunkt oder Erdungspunkt 14 ist das Widerstandselement Ri geschaltet.The amplifier 12 in the second stage also has a feedback loop which connects the input and output of this amplifier to one another. This loop is formed by a resistance element Ri which is connected between the output and the negative input of the amplifier 12. Two further feedback loops connect the output of amplifier 12 in the second stage to the input of amplifier Iu in the first stage. A resistance element Λ! Ι is, as in FIG. 1, connected between the output of the second stage and the negative input of the amplifier 10 in the first stage. The resistance element R \ therefore forms one of these feedback loops. The other feedback loop is formed by a resistive element /? 4 connected between the output of amplifier 12 and node 18. The node 18 is connected to the positive input of the amplifier 10 in the first stage. The resistance element Ri is connected between the node 18 and the general circuit reference point or grounding point 14.

Aus Fig. 1 geht hervor, daß die Spannung am Widerstandsielement Ri mit Ks und die Spannung an der idealisierten Zenerdiode mit Vzbezeichnet wird.From Fig. 1 it is apparent that the voltage at Widerstandsielement Ri with Ks and the voltage at the idealized Zener diode is Vzbezeichnet.

Unter Bezugnahme auf F i g. 1 sei angenommen, daß die beiden Verstärker eine unendlich große Verstärkung und eine unendlich große Eingangsimpedanz besitzen. Daraus ergeben sich die folgenden mathematischen Beziehungen:Referring to FIG. 1 it is assumed that the two amplifiers have an infinitely large gain and have an infinitely large input impedance. This gives rise to the following mathematical ones Relationships:

G₁ = - -■--■'-■G ₁ = - - ■ - ■ '- ■

(Gleichung 1)(Equation 1)

wobei G\ die Verstärkung des Operationsverstärkers 12 in der zweiten Stufe ist, die sich aus dem Verhältnis der Widerstandselemente R] und R₂ ergibt. Ferner giltwhere G \ is the gain of the operational amplifier 12 in the second stage, which results from the ratio of the resistance elements R] and R _2. Furthermore applies

K₄ K ₄

(Gleichung 2)(Equation 2)

f>5 wobei d die Gesamtverstärkung der Kaskaden-Verstärkerschaltung zwischen dem Ausgang des Verstärkers 12 und dem Eingang des Verstärkers JO einschließlich der Widers'.andselemente R» und R^ ist.f> 5 where d is the total gain of the cascade amplifier circuit between the output of amplifier 12 and the input of amplifier JO including the opposing elements R » and R ^ .

55 19 219 2 = Vz + I_xRz = Vz + I _x Rz (Gleichung 5)(Equation 5) Außerdem giltAlso applies undand V₁ = G₁F₁
^3 = G₁V₂ V ₁ = G ₁ F ₁
^ 3 = G ₁ V ₂ (Gleichung 3)
(Gleichung 4)(Equation 3)
(Equation 4) wobei Vi, V₁ und V3 die Spannungen an den in F i g. 1
gekennzeichneten Schaltungspunkten sind. Die Span
nung am Verstärker 10 kann folgendermaßen ausge
drückt werden:where Vi, V ₁ and V3 are the voltages at the in F i g. 1
marked switching points. The Span
Voltage on amplifier 10 can be as follows
be pressed: V₃- V₁ V ₃ - V ₁

wobei Vz die Spannung an der idealisierten Zenerdiode ist. /i ist der Rückkopplungsstrom durch die Widerstände R₁, Rz und die Diode 16, so wie in F i g. 1 gezeigt. Rz ist der gesondert dargestellte innere Scheinwiderstand der idealisierten Zenerdiode 16. Der Strom /ι kann folgendermaßen ausgedrückt werden:where Vz is the voltage across the idealized Zener diode. / i is the feedback current through resistors R ₁ , Rz and diode 16, as in FIG. 1 shown. Rz is the separately shown internal impedance of the idealized Zener diode 16. The current / ι can be expressed as follows:

Z₁ = —2-=—— (Gleichung 6)Z ₁ = —2- = —— (Equation 6)

Gleichung 5 kann mit Hilfe der vorher angegebenen Gleichungen in folgender Weise umgeformt werden:Equation 5 can be transformed in the following way with the help of the equations given above:

G₂V₁-P- = Vz + ~ (V₂- G₂V₂) (Gleichung 7) G₁ R₁ G ₂ V ₁ -P- = Vz + ~ (V ₂ - G ₂ V ₂ ) (Equation 7) G ₁ R ₁

Gleichung 7 läßt sich folgendermaßen umwandeln:Equation 7 can be converted as follows:

= Vz +V₂(jl--jf- G₂) (Gleichung 8)= Vz + V ₂ (jl - jf- G ₂ ) (equation 8)

Durch Umwandlung der Gleichung 8 erhält man:Converting equation 8 we get:

(Gleichung 9)(Equation 9)

~ ^Vl ("ST " If °²) ~ ^Vl ("ST" If ° ² )

Die Umformung der Gleichung 9 ergibt:
Vz The transformation of equation 9 gives:
Vz

V-, = —V-, = -

(Gleichung 10)(Equation 10)

R,R,

Gibt man G₁ einen Wert von etwa eins, d. h. G₁S, +1, dann läßt sich die obige Gleichung 10 folgendermaßen umformen:If one gives G ₁ a value of about one, i.e. G ₁ S, + 1, then the above equation 10 can be transformed as follows:

VzVz

1 -1 -

(Gleichung 11)(Equation 11)

Gleichung -10 gibt die Ausgangsspannung V₂ als Funktion der Schaltungsparameter an. Betrachtet man die Gleichung 10 und 11, dann ist einzusehen, daß der Ausdruck, der die Größe Rz enthält, sehr klein gemacht und daß die Wirkung von Zener-Widerstandsänderungen vermindert werden kann, wenn die Verstärkung G₂ sich dem Wert Eins nähert Bei einer in der Praxis verwendbaren Schaltung wird R₁ reduziert, wenn sich Gi dem Wert Eins nähert, um den gewünschtenEquation -10 gives the output voltage V ₂ as a function of the circuit parameters. Looking at equations 10 and 11, it can be seen that the term containing the magnitude Rz can be made very small and that the effect of Zener resistance changes can be reduced as the gain G ₂ approaches unity at an in circuit that can be used in practice, R _{1 is} reduced by the desired value as Gi approaches the value one

37 71437 714

Zenerstrom aufrechtzuerhalten. Daraus geht hervor, daß es für R\ und G₂ bei einer bestimmten Zenerspannung und bei einer bestimmten Ausgangsspannung einen optimalen Wert gibt.Maintain zener current. From this it can be seen that there is an optimal value for R 1 and G ₂ at a certain Zener voltage and at a certain output voltage.

In F i g. 2 ist die Gleichung 11 graphisch dargestellt. Dabei wird das Verhältnis von V₂ zu Vz als Funktion von Gi wiedergegeben. Aus F i g. 2 geht hervor, daß die Ausgangsspannung V2 innerhalb der Energieversorgungsgrenzen durch eine geeignete Wahl von Gi auf irgendeinen beliebigen Wert eingestellt werden kann. Bemerkenswert ist, daß bei einer negativen Ausgangsspannung V₂ die Verstärkung Gi positiv und kleiner als Eins ist.
Die Verwendung der Zenerdiode 16 im Rückkopplungspfad des Verstärkers 10 der ersten Stufe bewirkt eine erhebliche Reduzierung des Einflusses von Verlagerungsspannungen.In Fig. Equation 11 is shown graphically in FIG. The ratio of V ₂ to Vz is shown as a function of Gi. From Fig. Figure 2 shows that the output voltage V2 can be set to any value within the power supply limits by a suitable choice of Gi. It is noteworthy that with a negative output voltage V _2, the gain Gi is positive and less than one.
The use of the Zener diode 16 in the feedback path of the amplifier 10 of the first stage causes a considerable reduction in the influence of displacement voltages.

Eine Verlagerungs- oder Versetzungsspannung ist eine zwischen die beiden Eingangsanschlüsse des Operationsverstärkers gelegte kleine Spannung, welche die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers auf den Wert Null reduziert. Ein Operationsverstärker besteht im allgemeinen aus einer oder mehreren Differenzverstärkerstufen. Ein Differenzverstärker besitzt zwei Eingänge und einen Ausgang. Das Ausgangssignal ist eine Funktion der Spannungsdifferenz zwischen den Eingangsanschlüssen. Der positive Eingang ist nicht umkehrbar. Das bedeutet, daß eine positive Spannungsänderung am positiven Eingang eine Ausgangsspannungsänderung in positiver Richtung bewirkt. Der negative Eingang ist umkehrbar. Das bedeutet, daß eine positive Spannung am negativen Eingang zu einer Änderung der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers in negativer Richtung führt Wie oben erwähnt, ist die Ausgangsspannung eine Funktion der Differenz der beiden Eingangsspannungen.A displacement or offset voltage is one between the two input terminals of the Operational amplifier applied small voltage, which is the output voltage of the operational amplifier reduces the value to zero. An operational amplifier generally consists of one or more Differential amplifier stages. A differential amplifier has two inputs and one output. The output signal is a function of the voltage difference between the input terminals. The positive input is not reversible. This means that a positive voltage change at the positive input is a Causes output voltage change in positive direction. The negative input is reversible. The means that a positive voltage at the negative input leads to a change in the output voltage of the Operational amplifier runs in the negative direction As mentioned above, the output voltage is a function the difference between the two input voltages.

Weisen beide Eingänge die gleiche Spannung auf, dann sollte der Ausgang die Spannung Null besitzen. In der Praxis sind die beiden Eingangsspannungen jedoch niemals genau gleich groß und damit erreicht die Ausgangsspannung nicht den Wert Null. Eine kleine zwischen die Eingänge gelegte Spannung setzt daher die Ausgangsspannung auf den Wert Null. Die zum Nullsetzen der Ausgangsspannung notwendige Eingangsspannung wird Versetzungs- oder Verlagerungsspannung genannt. Diese Versetzungsspannung neigt zur Temperaturabhängigkeit und stellt damit eine der Hauptfehlerquellen in Funktionsverstärkern dar.If both inputs have the same voltage, then the output should have zero voltage. In In practice, however, the two input voltages are never exactly the same and thus the Output voltage not zero. A small voltage applied between the inputs therefore sets the output voltage to the value zero. The input voltage necessary to set the output voltage to zero is called the displacement or displacement voltage. This dislocation stress tends for temperature dependency and is therefore one of the main sources of error in function amplifiers.

Die grundlegenden Vorteile der in F i g. 1 gezeigtenThe basic advantages of the in F i g. 1 shown

so Schaltung gründen sich auf die Verwendung einer fast 100°/oigen Rückkopplung zur Verstärkungsstabilisierung und auf den äußerst konstanten Strom durch die Zenerdiode 16 zur Stabilisierung der Zenerspannung. Da der Zenerstrom durch Drifterscheinungen in der Ausgangsspannung und durch Drifterscheinungen in den Versetzungsspannungen der Verstärker beeinflußt wird, ist die Wirkung dieser Drifterscheinungen auf den Zenerstrom sehr viel geringer als in den meisten anderen dem Stand der Technik entsprechenden Spannungskonstanthaltem. Das Ergebnis einer stabileren Verstärkung und Zenerspannung ist eine verbesserte Stabilität der Ausgangsspannung. Durch das Verbinden aller Schaltungselemente über eine der verschiedenen Rückkopplungsschleifen werden Energieversorgungsschwankungen besser ausgeglichen.so circuits rely on the use of almost 100% feedback for gain stabilization and the extremely constant current through the Zener diode 16 to stabilize the Zener voltage. Since the Zener current is caused by drift phenomena in the output voltage and by drift phenomena in the offset voltages of the amplifier is influenced, the effect of these drift phenomena is on the Zener current much less than most of the other prior art Constant voltage maintenance. The result of a more stable reinforcement and Zener stress is an improved one Output voltage stability. By connecting all the circuit elements through one of the various Feedback loops are better balanced power supply fluctuations.

F i g. 3 zeigt eine in der Praxis anwendbare Ausführungsform des dieser Erfindung entsprechenden Spannungskonstanthalters. Es werden zwei Operationsver-F i g. Fig. 3 shows a practically applicable embodiment of the voltage stabilizer according to this invention. There will be two

stärker 10 und 12 benutzt. Der Verstärker 10 gehört zur ersten Stufe, der Verstärker 12 befindet sich in der zweiten Stufe. Der Ausgang des Verstärkers !0 ist direkt mit der Basiselektrode eines PNP-Transistors Q1 verbunden. Der Kollektor des Transistors Qi ist mit dem negativen Anschluß 46 einer gesonderten Spannungsquelle gekoppelt. Ein Widerstand 20 ist zwischen den Emitter des Transistors Qi und den negativen Eingang des Verstärkers 12 in der zweiten Stufe geschaltet. Zwischen den Emitter des Transistors Q1 und den negativen Eingang des Verstärkers 10 in der ersten Stufe ist eine Zenerdiode 16 geschaltet. Die Zenerdiode 16 ist mit der in F i g. 3 gezeigten Polarität in die Schaltung eingefügt. Das heißt, ihre Anode ist mit dem Emitter des Transistors Q1 und ihre Kathode mit dem negativen Eingang des Verstärkers i0 in der ersten Stufe verbunden. Zwischen den positiven Eingang des Verstärkers 10 und einen allgemeinen Schaltungsbezugspunkt oder Erdungspunkt 14 ist ein Widerstand 24 geschaltet.more 10 and 12 used. The amplifier 10 belongs to the first stage, the amplifier 12 is in the second stage. The output of amplifier! 0 is directly connected to the base electrode of a PNP transistor Q 1. The collector of transistor Qi is coupled to the negative terminal 46 of a separate voltage source. A resistor 20 is connected between the emitter of the transistor Qi and the negative input of the amplifier 12 in the second stage. A Zener diode 16 is connected between the emitter of the transistor Q 1 and the negative input of the amplifier 10 in the first stage. The Zener diode 16 is with the in F i g. 3 inserted into the circuit. That is, its anode is connected to the emitter of the transistor Q 1 and its cathode is connected to the negative input of the amplifier i0 in the first stage. A resistor 24 is connected between the positive input of the amplifier 10 and a general circuit reference point or ground point 14.

Der Ausgang des Verstärkers 12 in der zweiten Stufe ist direkt mit der Basis eines N PN-Transistors Q 2 gekoppelt. Der Ausgang des Verstärkers 12 ist ferner über eine Kapazität 42 mit dem negativen Eingang des Verstärkers 12 verbunden. Zwischen den Kollektor des Transistors Q 2 und den positiven Anschluß 48 einer Spannungsquelle ist ein Widerstand 44 geschaltet In der in Fig.3 gezeigten Weise ist der Emitter des Transistors Q 2 mit der Basis eines weiteren NPN-Transistors Q 3 und mit einem Widerstand 28 gekoppelt Das andere Ende des Widerstandes 28 ist mit Erde 14 verbunden. Die konstant gehaltene Ausgangsspannung V₂ in Fig.3 wird am Emitter des Transistors Q 3 abgegriffen. Ein Widerstand 30 verbindet den Emitter des Transistors Q 3 mit dem Kollektor. Die Kollektorelektroden der Transistoren Q 2 und <?3 sind direkt über die Leitung 50 miteinander verbunden. Zwischen den positiven Eingang des Verstärkers 12 und Erde 14 ist ein Widerstand 26 geschaltetThe output of amplifier 12 in the second stage is coupled directly to the base of an N PN transistor Q 2. The output of the amplifier 12 is also connected to the negative input of the amplifier 12 via a capacitance 42. A resistor 44 is connected between the collector of the transistor Q 2 and the positive terminal 48 of a voltage source. The emitter of the transistor Q 2 is coupled to the base of a further NPN transistor Q 3 and to a resistor 28, as shown in FIG The other end of resistor 28 is connected to ground 14. The output voltage V ₂ in FIG. 3, which is kept constant , is tapped off at the emitter of the transistor Q 3. A resistor 30 connects the emitter of transistor Q 3 to the collector. The collector electrodes of the transistors Q 2 and 3 are connected to one another directly via the line 50. A resistor 26 is connected between the positive input of amplifier 12 and ground 14

Zwischen den Schaltungspunkt, an welchem die Ausgangsspannung V₂ abgegeben wird, und den negativen Eingang des Verstärkers 10 in der ersten Stufe bzw. die Kathode der Zenerdiode 16 ist ein Widerstand 52 geschaltet Aus Fig.3 geht ferner hervor, daß zwei in Reihe geschaltete Widerstände 32 und 34 einerseits mit der Kapazität 42 und andererseits mit dem Schaltungspunkt 54 verbunden sind. Der Widerstand 34 ist veränderbar, der Widerstand 32 besitzt einen festen Widerstandswert. A resistor 52 is connected between the circuit point at which the output voltage V _{2 is} output and the negative input of the amplifier 10 in the first stage or the cathode of the Zener diode 16. FIG. 3 also shows that two resistors connected in series 32 and 34 are connected on the one hand to the capacitance 42 and on the other hand to the circuit point 54. The resistor 34 is variable, the resistor 32 has a fixed resistance value.

Die Ausgangsspannung V₂ wird über einen in Reihe geschalteten Widerstand 22 zum Schaltungspunkt 18 gekoppelt Der Schaltungspunkt 18 liegt zwischen dem positiven Eingang des Verstärkers 10 und dem Widerstand 24. Der Kondensator 40 ist zwischen den Erdungspunkt 14 und den Schaltungspunkt 56, an welchem die Ausgangsspannung Vz liegt, geschaltet The output voltage V ₂ is coupled to the circuit point 18 via a resistor 22 connected in series. The circuit point 18 lies between the positive input of the amplifier 10 and the resistor 24. The capacitor 40 is between the grounding point 14 and the circuit point 56, at which the output voltage Vz is switched

Jeder der Verstärker 10 und 12 enthält ein Potentiometer 36 bzw. 38, mit deren Hilfe der Gleichspannungspegel am Verstärker eingestellt werden kann. Jedes der Potentiometer ist mit dem positiven Anschluß 48 einer Gleichspannungsquelle verbunden.Each of the amplifiers 10 and 12 contains a potentiometer 36 and 38, with the aid of which the DC voltage level can be set on the amplifier. Each of the potentiometers is on the positive Terminal 48 connected to a DC voltage source.

Die Fig.4 und 5 geben in vereinfachter Form den ersten und zweiten Teil des in Fig.3 schematisch dargestellten Spannungskonstanthalters wieder. Der erste Abschnitt umfaßt, sowie in Fig.4 gezeigt, den Operationsverstärker 10 der ersten Stufe. Der zweite Teil umfaßt den Operationsverstärker 12 in der zweiten Stufe und zugeordnete Schaltungsteile, so wie in F i g. 5 dargestellt. Aus Gründen der besseren Erläuterung sei angenommen, daß der positive Eingang des Verstärkers 10 ir. Fi g. 4 nicht mit dem Schäliungspüiiki 18 sondern mit dem Erdungspunkt 14 verbunden ist. Mit dem S Schaltungspunkt 18 sind bekanntlich in Fig.3 die Widerstände 22 und 24 gekoppelt. Der erste Schaltungsteil, der in Fig.4 dargestellt ist, erzeugt einen konstanten Strom durch die Zenerdiode 16, wodurch die an der Zenerdiode liegende Spannung stabilisiert wird. FIGS. 4 and 5 show, in simplified form, the first and second parts of the voltage stabilizer shown schematically in FIG. The first section comprises, as shown in FIG. 4, the operational amplifier 10 of the first stage. The second part comprises the operational amplifier 12 in the second stage and associated circuit parts, as in FIG. 5 shown. For the sake of clarity, it is assumed that the positive input of the amplifier 10 ir. 4 is not connected to the Schäliungspüiiki 18 but to the grounding point 14. As is known, the resistors 22 and 24 are coupled to the S circuit point 18 in FIG. The first part of the circuit, which is shown in FIG. 4, generates a constant current through the Zener diode 16, as a result of which the voltage across the Zener diode is stabilized.

Aus der Theorie der Operationsverstärker ergibt sich, daß der Strom durch die Zenerdiode 16 der gleiche ist wie der Strom durch den Widerstand 52. Bei allen praktischen Fällen ist die Spannung am negativen Eingang des Operationsverstärkers 10 in der ersten Stufe die gleiche wie die Spannung an dessen positivem Eingang. Unter diesen Bedingungen ist die Spannung gleich Null. Die am Widerstand 52 liegende Spannung ist die stabile Ausgangsspannung V₂. Diese an einem Widerstand mit festem Widerstandswert liegende und konstant gehaltene Spannung bewirkt einen konstanten Strom in der Zenerdiode 16. Ein konstanter Strom durch die Zenerdiode 16 führt zu einer sehr stabilen Spannung an der Diode. In diesem Fall ist dies die Spannung Vi. Irgendwelche Schwankungen der Spannung Vi werden durch das Produkt aus der Verstärkung bei geöffneter Rückkopplungsschleife (Leerlaufverstärkung) des Verstärkers 10 mit dem Verhältnis der Widerstände 52 und Rz (Impedanz der Zenerdiode) reduziert In der in F i g. 3 gezeigten Schaltung betrug diese Verminderung etwa 5 χ 10⁵.From the theory of the operational amplifier it follows that the current through the Zener diode 16 is the same as the current through the resistor 52. In all practical cases the voltage at the negative input of the operational amplifier 10 in the first stage is the same as the voltage at it positive input. Under these conditions the voltage is zero. The voltage across the resistor 52 is the stable output voltage V ₂ . This voltage, which is applied to a resistor with a fixed resistance value and is kept constant, causes a constant current in the Zener diode 16. A constant current through the Zener diode 16 leads to a very stable voltage across the diode. In this case it is the voltage Vi. Any fluctuations in the voltage Vi are reduced by the product of the gain when the feedback loop is open (open loop gain) of the amplifier 10 by the ratio of the resistors 52 and Rz (impedance of the zener diode) In the in FIG. 3 this reduction was about 5 × 10 ⁵ .

Der Transistor Qi wirkt als Emitterfolger und sorgt für eine Leistungsverstärkung beim Verstärker 10. Das Potentiometer 36 stellt eine Abgleicheinrichtung für den Verstärker 10 dar. The transistor Qi acts as an emitter follower and provides a power gain in the amplifier 10. The potentiometer 36 represents a balancing device for the amplifier 10.

Der zweite Teil der in F i g. 3 gezeigten Schaltung ist in Fig.5 dargestellt Fig.5 zeigt einen einfachen Gegentaktverstärker mit exakter Verstärkung und Eingangsimpedanz und mit einer beträchtlichen Steuerleistung. Die Ausgangsimpedanz ist gleich Null, bis die Ausgangsstufe den Sättigungszustand erreicht Die Verstärkung G\ ergibt sich aus dem Verhältnis der Summe der Widerstände 34 und 32 geteilt durch den Widerstand 20. Die Stabilität dieser Verstärkung hängt direkt von den benutzten Widerständen ab. Das Potentiometer 34 dient zum Verstärkungsabgleich, wodurch die Ausgangsspannung V₂ schließlich entsprechend eingestellt werden kann. Die Ausgangsspannung V₂ ist gleich dem Produkt aus der Verstärkung dieser Stufe mit der Eingangsspannung Vi. The second part of the in F i g. The circuit shown in Fig. 3 is shown in Fig. 5. Fig. 5 shows a simple push-pull amplifier with exact gain and input impedance and with considerable control power. The output impedance is equal to zero until the output stage reaches the saturation state. The gain G \ results from the ratio of the sum of the resistors 34 and 32 divided by the resistor 20. The stability of this gain depends directly on the resistors used. The potentiometer 34 is used to adjust the gain, whereby the output voltage V _{2 can} finally be adjusted accordingly. The output voltage V ₂ is equal to the product of the gain of this stage and the input voltage Vi.

Es sei angenommen, die beiden Schaltungsteile, die in Fig.4 und 5 dargestellt sind, seien miteinander verbunden, so daß eine Spannungskonstanthalterschaltung entsteht, wobei der positive Eingang des Verstärkers 10 immer noch mit dem Erdungspunkt 14 It is assumed that the two circuit parts shown in FIGS. 4 and 5 are connected to one another, so that a voltage stabilizer circuit is created, the positive input of the amplifier 10 still being connected to the grounding point 14

SS verbunden sein solL Da die vom Verstärker 10 im ersten Schaltungsteil erzeugte Spannung V\ sehr stabil ist und da die Verstärkung Gi sehr exakt ist, ist auch die Ausgangsspannung V2 eine sehr konstante, stabile Spannung. Wird die Ausgangsspanntmg Vi über die aus Widerständen bestehende Teilerschaltung (Widerstände 22 und 24, Fig.3) zum positiven Eingang des Verstärkers 10 zurückgekoppelt, dann ergibt sich in der gesamten Schleife eine negative Ruckkopplung. Das bewirkt eine größere Stabilität bei der Konstanthaltung der Ausgangsspannung. Im Idealfall soll sich die Verstärkung G₂, welche sich aus dem Verhältnis des Widerstandes 24 dividiert durch die Summe der Widerstände 22 und 24 ergibt, dem Wert Eins nähern,SS should be connected. Since the voltage V \ generated by the amplifier 10 in the first circuit part is very stable and since the gain Gi is very exact, the output voltage V2 is also a very constant, stable voltage. If the output voltage Vi is fed back to the positive input of the amplifier 10 via the divider circuit consisting of resistors (resistors 22 and 24, FIG. 3), then there is a negative feedback in the entire loop. This results in greater stability in keeping the output voltage constant. In the ideal case, the gain G ₂ , which results from the ratio of the resistance 24 divided by the sum of the resistances 22 and 24, should approach the value one,

um eine maximale Rückkopplung und Stabilität zu gewinnen. Die Spannung am Widerstand 22 in F i g. 3 ist jedoch die gleiche wie am Widerstand 52. Der Widerstand 52 muß sich daher dem Wert Null nähern, wenn die Verstärkung G₂ den Wert Eins annehmen soll. Dies ist notwendig, um genügend Strom für die Zenerdiode 16 zu erhalten. In der Praxis kann die Verstärkung G₂ etwa den Wert 0,95 annehmen, um eine Rückkopplung von 95% zu erzielen. Die Wahl der Zenerdiode und der gewünschten Ausgangsspannung ι ο beeinflußt die Wahl der Widerstandsverhältnisse.to gain maximum feedback and stability. The voltage across resistor 22 in FIG. However, 3 is the same as at resistor 52. The resistor 52 must therefore approach the value zero if the gain G _{2 is} to assume the value one. This is necessary in order to obtain enough current for the zener diode 16. In practice, the gain G ₂ can assume approximately the value 0.95 in order to achieve a feedback of 95%. The choice of the Zener diode and the desired output voltage ι ο influences the choice of the resistance ratios.

Die Transistoren Q 2 und φ 3 stellen Emitterfolger in Kaskadenschaltung dar, wodurch eine größere Ausgangsleistung erzielt wird. Der Widerstand 44 bildet einen Kurzschlußschutz für den Transistor Q 3. Bei normalem Betrieb ist der Widerstand 44 jedoch nicht erforderlich. Der Spannungskonstanthalter besitzt zwei stabile Zustände, da die Zenerdiode 16 in jeder Richtung leitend werden kann. Bei der erstmaligen Energiezuführung sorgt der Widerstand 30 dafür, daß die Stabilisierung im richtigen Zustand erfolgt Der Widerstand 30 spielt keine Rolle mehr, wenn die Schaltung erst einmal in Betrieb gesetzt ist Der Widerstand 26 dient dazu, sowohl dem positiven als auch dem negativen Eingang des Funktionsverstärkers i2 die gleiche Impedanz zu bieten. Obgleich dies für den Betrieb nicht wesentlich ist, ergibt sich doch eine verbesserte Temperaturstabilität, falls der Verstärker 12 mit Transistoren bestückt ist Der in Fig.3 gezeigte Kondensator 40 dient zur Verminderung von Schaltstö-Ben oder Abschwächung von Einschwingvorgängen am Ausgang, falls der Spannungskonstanthalter /um Betrieb einer Hochfrequenz-Schalteinrichtung, etwa eines Analog-Digital-Wandlers, verwendet wird. Die Kapazität 42 wird dazu benutzt, die Verstärkung des Verstärkers 12 bei höheren Frequenzen zu verringern, um ein selbsterregtes Schwingen zu vermeiden. DieThe transistors Q 2 and φ 3 represent emitter followers in cascade connection, whereby a higher output power is achieved. Resistor 44 provides short-circuit protection for transistor Q3. However, resistor 44 is not required during normal operation. The voltage stabilizer has two stable states, since the Zener diode 16 can become conductive in either direction. The first time energy is supplied, the resistor 30 ensures that the stabilization takes place in the correct state. The resistor 30 no longer plays a role once the circuit has been put into operation. The resistor 26 serves both the positive and the negative input of the functional amplifier i2 to offer the same impedance. Although this is not essential for operation, there is an improved temperature stability if the amplifier 12 is equipped with transistors. The capacitor 40 shown in FIG. is used to operate a high-frequency switching device, such as an analog-to-digital converter. The capacitance 42 is used to reduce the gain of the amplifier 12 at higher frequencies in order to avoid self-excited oscillation. the Notwendigkeit des Kondensators 42 hängt νυΐπ speziellen Verstärkertyp ab, der in der zweiten Stufe benutzt wird.Necessity of the capacitor 42 depends on νυΐπ special type of amplifier that is used in the second stage.

Die in Fig.3 gezeigte Schaltung wurde aufgebaut und getestet Sie arbeitete erfolgreich und erfüllte die dieser Erfindung zugrundeliegende Aufgabe. Eine erfolgreich erprobte Ausführungsform dieser Erfindung enthielt die folgenden als Beispiel und nicht als Begrenzung anzusehenden Schaltungselemente.The circuit shown in Figure 3 has been set up and tested It worked successfully and fulfilled the task on which this invention is based. One Successfully tried embodiment of this invention included the following by way of example rather than Limitation of the circuit elements to be considered.

BezugszahlReference number SchaltungselementCircuit element Wert/TypValue / type in F i g. 3in Fig. 3 5252 Widerstandresistance 51,1 Ohm51.1 ohms 3434 RegelwiderstandRheostat 500 Ohm maximal500 ohms maximum 3232 Widerstandresistance 1,% Kilo-Ohm1.% kilo-ohms 2020th Widerstandresistance 2,05 Kilo-Ohm2.05 kilo-ohms 4444 Widerstandresistance 10 Ohm10 ohms 3030th Widerstandresistance 225 Ohm 225 ohms 2828 Widerstandresistance 10 Kilo-Ohm10 kilo-ohms 2222nd Widerstandresistance 5,62 Ohm5.62 ohms 2424 Widerstandresistance 511 Ohm511 ohms 2626th Widerstandresistance 1 Kilo-Ohm1 kilo-ohm 3636 PotentiometerPotentiometer 50 Kilo-Ohm50 kilo-ohms 3838 PotentiometerPotentiometer 50 Kilo-Ohm50 kilo-ohms 4040 Kondensatorcapacitor 47 Mikrofarad47 microfarads 4242 Kondensatorcapacitor 390 Pikofarad390 picofarads <?1<? 1 Transistortransistor Type 2N727Type 2N727 <?2<? 2 Transistortransistor Type 2N930Type 2N930 Q3Q3 Transistortransistor Type 2N656Type 2N656 4848 Positive Gleichstrom-
_ , 11 Positive DC
_, 11 + 12 Volt+ 12 volts 4646 quellesource
Negative GleichstromNegative direct current -12 Volt-12 volts quellesource 1616 ZenerdiodeZener diode Type 1N939Type 1N939 (9 Volt)(9 volts)

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Circuit arrangement for stabilizing DC voltage, in which two operational amplifiers are connected in series, the total gain of which comes close to one, a feedback loop is provided in parallel to the first operational amplifier to maintain a constant voltage between the input and output of the first operational amplifier, from the output of the ι ο second operational amplifier, the stabilized DC voltage is taken off and a further feedback branch is provided between the output of the second operational amplifier and the input of the first operational amplifier, characterized in that between the output of the second operational amplifier (12) and the inverting input of the first operational amplifier (10 ) running further feedback branch a resistor (R \) is provided, between the output of the first operational amplifier (10) and the inverting input of the second operational amplifier (12) a resistor d (R ₂ ) is arranged, the output of the second operational amplifier (12) is fed back via a resistor (Ri) to the inverting input of the second operational amplifier (12), the non-inverting input of the second operational amplifier (12) is grounded, the output of the second operational amplifier (12) is connected to earth (14) via two series resistors (R 4 and R 5) , the non-inverting input of the first operational amplifier (10) is connected to the connecting line of the two series-connected resistors (R 4 and RS) and the constant voltage device (Vz) is provided between the output of the first operational amplifier (10) and its inverting input.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the constant voltage device is a Zener diode (Vz), the anode of which is connected to the output of the first operational amplifier (10) and the cathode of which is connected to the inverting input of the first operational amplifier (10).

3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that an almost constant current is maintained by the Zener diode (Vz).

4. Apparatus according to claim 2, characterized in that a power amplifier (Q 1) is provided between the first operational amplifier (10) and the resistor (R2) and that a further power amplifier (Q 2, <? 3) is connected.

5. Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that the power amplifier connected to the first operational amplifier (10) consists of a transistor (Q 1) in an emitter follower circuit.

6. Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that the further power amplifier connected to the output of the second operational amplifier (12) consists of two transistors (Q 2, Q 3) connected in cascade as Emitterfol- fts ger.

The invention relates to a circuit arrangement for stabilizing DC voltage, in the two Operational amplifiers are connected in series, the total gain of which comes close to one, in parallel to the first operational amplifier a feedback loop to maintain a constant Voltage is provided between the input and output of the first operational amplifier, from the output of the second operational amplifier the stabilized DC voltage is removed and between the Output of the second operational amplifier and the input of the first operational amplifier another Feedback branch is provided

From US-PS 31 33 242 a circuit arrangement for stabilizing DC voltage is known, those consisting of two series-connected direct current amplifiers, each having a single control input is constructed having a high gain and using, for example, a Chopper are stabilized. A Zener diode is used as a reference voltage element between the input and ground arranged, which is to be kept at a constant temperature to eliminate temperature influences. Between the output and input of the circuit arrangement and between the output and input of each of the both DC amplifiers is for voltage stabilization a return switch provided.

It is already known from Electronics, 1966, Worksheet No. 6, behind page 230, one with the help a Zener diode generated reference voltage by using an operational amplifier in a To transform tension of high stability. It is already known in series with the operational amplifier to provide an additional transistor ("International Electronic Rundschau", 1969, No. 3, page 81), in order to achieve an output voltage that is as independent as possible of load fluctuations and the Zener diode with to supply almost constant current.

From "Control Engineering" 3/1967, p. 82, Fig. 6 r. u., Is already a circuit arrangement for stabilization known from DC voltage, in which an operational amplifier is provided, the output of which is direct is connected to the base of a first transistor, at the collector of which is to be stabilized DC voltage is applied and its emitter is connected to the base of a second transistor. the stabilized DC voltage is taken from the emitter of the second transistor, the one with the collector of the first transistor, via a resistor to the emitter of the first transistor and via a Feedback is connected to the non-inverting input of the operational amplifier. Between the collector of the first transistor and the inverting input of the operational amplifier a zener diode, the anode of the zener diode via a voltage divider combination with both the inverting input as well as with the non-inverting input of the operational amplifier in Connection. When the temperature changes, the resistance of the Zener diode changes and with it inevitably also the stabilized output voltage.

The invention is based on the object of providing a circuit arrangement of the type mentioned at the beginning create that, regardless of input voltage, load and temperature fluctuations, always have a supplies constant DC voltage.

This object is achieved with a circuit arrangement of the type mentioned at the beginning, which is according to the invention