DE19541369A1 - Schaltungsanordnung zur Spannungsverstärkung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsverstärkung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Prinzip der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Spannungs­ verstärkung beruht auf einem nicht-invertierenden Verstärker, wie er bei­ spielsweise aus dem Fachbuch Halbleiter-Schaltungstechnik von U. Tietze und Ch. Schenk, 8. Aufl., S. 132 Abb. 7.10 hervorgeht. Eine derartige Schal­ tungsanordnung nach dem Stand der Technik, jedoch mit umschaltbarer Verstärkung ist in Fig. 4 dargestellt.

Für die Verstärkung A dieser Schaltungsanordnung, einem linearen Verstär­ ker, gilt gemäß der vorgenannten Druckschrift allgemein:

A = U_a / U_e = 1 + (R₁₁ / R_N), wobei N = 12 . . . 16.

Um eine umschaltbare Verstärkung schaltungstechnisch zu realisieren, müs­ sen mittels eines einpoligen Meßbereichumschalters S mit mehreren mögli­ chen Stellungen verschieden große Widerstände R₁₂, R₁₃, . . . , R₁₆ zu R₁₁ in Reihe geschaltet werden, woraus sich dann der die Verstärkung A bestim­ mende Quotient R₁₁ / R_N (mit N = 12 . . . 16) ergibt.

Diese Schaltungsanordnung weist den Nachteil auf, daß der Schalter S als nicht idealer Schalter einen Übergangswiderstand aufweist, dessen Größe von der Art des Schalters S, dem Alter und Zustand und der Belastung seiner Kontakte K₁ . . . K₆ abhängig ist. Da dieser variierende Übergangswiderstand in Reihe zu den Widerständen R₁₂ . . . R₁₆ geschaltet ist und nicht in der o.a. Gleichung für die Verstärkung A berücksichtigt wird, kommt es aufgrund ei­ ner dort abfallenden Spannung zu einem nicht genau quantifizierbaren Ver­ stärkungsfehler.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Span­ nungsverstärkung anzugeben, bei der ein solcher Verstärkungsfehler nicht auftritt.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zur Spannungsverstär­ kung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, indem in einer Schaltungsanordnung zur diskreten Spannungsverstärkungs­ einstellung mit einem Operationsverstärker entsprechend der Anzahl der Diskretierungsstufen Operationsverstärker vorgesehen sind, jedem opera­ tionsverstärker Mittel zugeordnet sind, die zusammen mit dem Operations­ verstärker eine Diskretierungsstufe der Verstärkung realisieren und indem weitere Mittel zum Aktivieren desjenigen Operationsverstärkers vorgesehen sind, der die gewünschte Verstärkung aufweist.

Die Vorteile der Erfindung liegen neben dem einfachen Schaltungsaufbau insbesondere darin, daß die Schaltungsanordnung nur denjenigen bekann­ ten Verstärkungsfehler aufweist, der sich aus der Abweichung des realen vom idealen Operationsverstärker ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend ausführlich erläu­ tert und anhand der Figuren dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1: das schaltungstechnische Prinzip der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Spannungsverstärkung,

Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung zur Spannungsverstärkung mit selbsttätig umschal­ ten der Verstärkung,

Fig. 3: eine Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines Operationsverstärkers und

Fig. 4: eine Schaltungsanordnung zur Spannungsverstärkung mit ma­ nuell umschaltbarer Verstärkung nach dem Stand der Technik.

Im Prinzipschaltbild der Fig. 1 besteht die Schaltungsanordnung aus zwei Operationsverstärkern OP₁ und OP₂, deren nichtinvertierende Eingänge und Ausgänge miteinander verbunden sind. Eine Eingangsspannung U_e1 liegt zwischen den nichtinvertierenden Eingängen der beiden Operations­ verstärker OP₁ und OP₂ und dem Bezugspotential (Masse), eine Ausgangs­ spannung U_a1 zwischen Masse und den miteinander verbundenen Ausgän­ gen der Operationsverstärker OP₁ und OP₂. Drei in Reihe geschaltete Wider­ stände R, R′ und R′′ sind zwischen die Ausgänge der Operationsverstärker OP₁ und OP₂ und Masse geschaltet, wobei R mit den Ausgängen der Opera­ tionsverstärker OP₁ und OP₂, R′′ mit Masse verbunden ist und R′ zwischen R und R′′ liegt. Ein Schaltungspunkt A zwischen den Widerständen R und R′ ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP₁, ein Schal­ tungspunkt B zwischen R′ und R′′ mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP₂ verbunden. Beide Operationsverstärker OP₁ bzw. OP₂ werden mit einer Versorgungsspannung V₁ betrieben und können mittels eines Schalters s₁ bzw. s₂ von dieser Versorgungsspannung V₁ ge­ trennt und somit ausgeschaltet werden.

Die Verstärkung der Schaltungsanordnung, die definiert ist als:

A₁ = U_a1 / U_e1 = 1 + (R / (R′+R′′)) bzw. A₂ = U_a1 / U_e1 = 1 + ((R+R′) / R′′)

kann nun mittels der Schalter s₁ und s₂ umgeschaltet werden. Ist s₁ ge­ schlossen und s₂ geöffnet, ergibt sich die Verstärkung A₁, umgekehrt die Verstärkung A₂. Die Verstärkung A₁ bzw. A₂ wird ausschließlich durch das Verhältnis der Widerstände R / (R′+R′′) bzw. (R+R′) / R′′ bestimmt. Übergangs­ widerstände, z. B. die der Schalter s₁ und s₂ haben auf die Verstärkung keinen Einfluß.

Um den schaltungstechnischen Aufwand für die Verstärkungsumschaltung gering zu halten, ist es sinnvoll, nur die Eingangsdifferenzverstärker der Operationsverstärker OP₁ bzw. OP₂ mittels der Schalter s₁ bzw. s₂ bei de­ nen es sich vorteilhaft um Transistoren handelt, stromlos zu schalten.

Die Fig. 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung zur Meßbereichsumschaltung. Hierbei soll für eine extern bereitgestellte Eingangsspannung U ein geeigneter Meßbereich eingestellt werden. Die Schaltungsanordnung besteht aus zwei Operationsverstärkern OP₃ und OP₄ und einem Komparator OP₅ mit Hysterese. Die Spannung U wird den nichtinvertierenden Eingängen der Operationsverstärker OP₃ und OP₄ und dem invertierenden Eingang des Komparators OP₅ zugeführt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP₃ ist mit den Ausgängen der beiden Operationsverstärker OP₃ und OP₄ verbunden.

Ein aus zwei Widerständen R₁ und R₂ bestehender Spannungsteiler, dessen Widerstand R₁ mit den Ausgängen der Operationsverstärker OP₃ und OP₄ verbunden ist und einen Schaltungspunkt G bildet und dessen Widerstand R₂ mit Masse verbunden ist, weist zwischen R₁ und R₂ einen Schaltungs­ punkt C auf, der mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP₄ verbunden ist. Ein weiterer Spannungsteiler besteht aus zwei Wider­ ständen R₃ und R₄, wobei R₄ mit Masse und R₃ mit einer extern bereitge­ stellten Spannung U₁ verbunden ist. Der gemeinsame Anschluß von R₃ und R₄ bildet einen Schaltungspunkt D, der mit dem nichtinvertierenden Ein­ gang des Komparators OP₅ verbunden ist und an dem eine Spannung U₂ liegt.

Der Ausgang des Komparators OP₅ ist mit der Basis eines Transistors T₁ und dem Eingang eines Inverters 11 verbunden. Der Ausgang des Inverters 11 wird der Basis eines Transistors T₂ zugeführt, dessen Emitter mit Masse ver­ bunden ist und dessen Kollektor einen Schaltungspunkt F darstellt. Der Emit­ ter des Transistors T₁ ist ebenfalls mit Masse verbunden und sein Kollektor stellt einen Schaltungspunkt E dar. Am Ausgang der Schaltungsanordnung zwischen dem Schaltungspunkt G und Masse liegt eine Ausgangsspannung U′ an.

Beim Anliegen einer Eingangsspannung U wird zuerst deren Höhe im Kom­ parator OP₅ mit der durch den Spannungsteiler aus R₃ und R₄ eingestellten Schwellspannung U₂ verglichen. Ist die Eingangsspannung U größer als die Schwellspannung U₂, so liegt am Ausgang des Komparators OP₅ ein niedri­ ger Pegel. Dadurch wird der Transistor T₁ gesperrt und der Transistor T₂ durchgeschaltet, dadurch hervorgerufen, daß infolge des Inverters 11 an der Basis von T₂ ein hoher Pegel anliegt. T₂ schaltet nun den Operationsver­ stärker OP₄ ab, indem er dessen Eingangsdifferenzverstärker stromlos schal­ tet. Daraus folgt, daß der eingeschaltete und als Spannungsfolger betrie­ bene Operationsverstärker OP₃ die Eingangsspannung U unverstärkt dem Schaltungspunkt G als Ausgangsspannung U′ zuführt.

Ist die Eingangsspannung U kleiner als die Schwellspannung U₂, so schaltet der nun leitende Transistor T₁ den Operationsverstärker OP₃ ab. Der einge­ schaltete Operationsverstärker OP₄ führt die mit dem Verstärkungsfaktor A = 1 + (R₁ / R₂) verstärkte Eingangsspannung U dem Schaltungspunkt G als Ausgangsspannung U′ zu.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung zum einfachen Ein- und Ausschalten eines Operationsverstärkers OP₆, der aus Transistoren T₃ bis T₆ besteht und der beispielsweise aus dem eingangs genannten Fachbuch, S. 140, Abb. 7.18 hervorgeht. Hierbei liegen an einer Versorgungsspannung U_V die Emitter der Transistoren T₃ und T₄, die den Eingangsdifferenzverstärker des Operationsverstärkers OP₆ bilden, und der Kollektor eines Transistors T₇. Die Basis des Transistors T₇ bildet einen Schaltungspunkt H, sein Emitter ist mit dem Bezugspotential verbunden. Die Basis des Transistors T₃ stellt den in­ vertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP₆ dar, dem eine Span­ nung U_N zugeführt wird. Die Basis des Transistors T₄ stellt den nichtinvertie­ renden Eingang des Operationsverstärkers OP₆ dar, dem eine Spannung U_P zugeführt wird. Der Kollektor des Transistors T₄ ist mit dem Kollektor des Transistors T₆ verbunden und bildet den Ausgang des Operationsverstärkers OP₆, an dem eine Spannung U_Aus liegt. Der Kollektor des Transistors T₃ ist mit der Basis und dem Kollektor des Transistors T₅ und der Basis des Transi­ stors T₆ verbunden und die Emitter der Transistoren T₅ und T₆ sind mit Bezugspotential verbunden.

Der Operationsverstärker OP₆ kann nun ausgeschaltet werden, indem dem Schaltungspunkt H eine positive Spannung zugeführt wird, so daß die Emit­ ter-Kollektor-Strecke des Transistors T₇ leitet. Dadurch liegt an den Emittern der beiden Transistoren T₃ und T₄ keine Spannung mehr und die Ausgangs­ spannung U_Aus sinkt auf 0 V, obwohl die Spannungen U_N und U_P noch an­ liegen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Spannungsverstärkung weist keinen Fehler auf, der auf einen Übergangswiderstand eines Schalters zurückzuführen ist. Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel mit zweistufi­ ger, selbsttätiger Umschaltung der Verstärkung kann mittels weiterer Kom­ parator- und Verstärkerstufen, die mit Gattern logisch verknüpft werden, zu einer Spannungsverstärkerschaltung mit mehrstufiger, selbsttätiger Um­ schaltung der Verstärkung erweitert werden.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur diskreten Spannungsverstärkungseinstellung mit einem Operationsverstärker, gekennzeichnet durch folgende Merk­ male:

• a) entsprechend der Anzahl der Diskretierungsstufen sind Operations­ verstärker (OP₁ . . . OP₄) vorgesehen,
• b) jedem Operationsverstärker (OP₁ . . . OP₄) sind Mittel (R, R′, R′′, R₁, R₂) zugeordnet, die zusammen mit dem Operationsverstärker (OP₁ OP₄) eine Diskretierungsstufe der Verstärkung realisieren und
• c) es sind weitere Mittel (OP₅, R₃, R₄, T₁, T₂, 11) zum Aktivieren desjeni­ gen Operationsverstärkers (OP₁ . . . OP₄) vorgesehen, der die ge­ wünschte Verstärkung aufweist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein bestimmter Operationsverstärker (OP₁ . . . OP₄) ausgeschaltet wird, in­ dem sein Eingangsdifferenzverstärker stromlos geschaltet wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zum Ein- und Ausschalten der Operationsverstärker (OP₁ . . . OP₄) je­ weils ein Transistor (T₁, T₂) als Schalter verwendet wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum automatischen Einstellen der Verstärkung die Transistoren (T₁, T₂) von einem Komparator (OP₅) angesteuert werden.