DE19545387C2

DE19545387C2 - Vorverstärker zur Verstärkung von Signalspannungen einer Signalquelle hoher Quellenimpedanz

Info

Publication number: DE19545387C2
Application number: DE1995145387
Authority: DE
Inventors: Ronald Van Der Pol
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1995-12-06
Filing date: 1995-12-06
Publication date: 1998-11-12
Anticipated expiration: 2015-12-07
Also published as: DE19545387A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Vorverstärker zur Verstärkung von Signalspannungen ei ner Signalquelle hoher Quellenimpedanz, mit einem Operationsverstärker, wobei der Operationsverstärker einen Signaleingang, einen ersten Versorgungsspannungsan schluß für ein erstes Versorgungsspannungspotential, einen zweiten Versorgungs spannungsanschluß für ein zweites Versorgungsspannungspotential und einen Si gnalausgang aufweist, wobei der Signalausgang ein Ausgangssignal liefert und wo bei das erste Versorgungsspannungspotential und das zweite Versorgungsspan nungspotential abhängig vom Ausgangssignal parallel verschiebbar sind.

Vorverstärker sind aus dem Stand der Technik in großer Anzahl, ausgebildet für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche, bekannt. Ein besonderes Problem beim Einsatz von Vorverstärkern tritt in den Fällen auf, in denen die zu verstärkende Signalspan nung aus einer Signalquelle mit hoher oder sehr hoher Quellenimpedanz stammt. Man kann beispielsweise feststellen, daß bei der Übertragung relativ niederfrequenter Si gnale über eine niedrige Koppelkapazität bei herkömmlichen, häufig als Vorverstärker eingesetzten, als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärkern mit hohem Ab leitwiderstand schon hohe Signalverluste auftreten. Diese Signalverluste sind selbst verständlich unerwünscht.

Beim Einsatz von Vorverstärkern zur Verstärkung von Signalspannungen einer Si gnalquelle hoher Quellenimpedanz ist es bekanntermaßen problematisch, daß die Si gnalspannung aufgrund der hohen bis sehr hohen Quellenimpedanz sehr empfindlich gegenüber äußeren elektrischen Feldern ist. Solche äußeren elektrischen Felder kön nen zu hohen Signalverlusten bereits vor dem Vorverstärker führen.

Vorverstärker, die im Hinblick auf diese Probleme verbessert sind, sind aus dem Stand der Technik in einer Mehrzahl von Variationen bekannt (vgl. DD-PS 101 789, DD-PS 134 711 und JÖRG, M., "Operationsverstärkerschaltungen mit großem Eingangs spannungsbereich", Elektronik 1975, Nr. 11, Seiten 93 bis 94).

Bei diesen bekannten Vorverstärkern, von denen die Erfindung ausgeht, ist proble matisch, daß die ausgangssignalabhängige Mitführung der Versorgungsspannungs potentiale einerseits zu Stabilitätsproblemen führen kann, andererseits den Signalaus gang des Operationsverstärkers noch in einem erheblichen, bei hohen Anforderungen unerwünschten Maß belasten.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, einen Vorverstärker der in Rede stehenden Art zur Verfügung zu stellen, bei dem Stabilitätsprobleme mit Sicherheit vermieden werden können und bei dem der Signalausgang des Operationsverstärkers durch die ausgangssignalabhängige Mitführung der Versorgungsspannungspotentia le praktisch nicht belastet wird.

Erfindungsgemäß ist die zuvor aufgezeigte und dargelegte Aufgabe dadurch gelöst, daß der Signalausgang über einen ersten Spannungsteiler an eine erste Versorgungs spannungsquelle und über einen zweiten Spannungsteiler an eine zweite Versor gungsspannungsquelle anschließbar ist und daß der Mittelabgriff des ersten Span nungsteilers über einen ersten Spannungsfolger mit dem ersten Versorgungsspan nungsanschluß des Operationsverstärkers und der Mittelabgriff des zweiten Span nungsteilers über einen zweiten Spannungsfolger mit dem zweiten Versorgungs spannungsanschluß des Operationsverstärkers verbunden sind.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Vorverstärker die ausgangssignalabhän gige Mitführung der Versorgungsspannungspotentiale über Spannungsteiler erfolgt, besteht die Möglichkeit, statt einer vollständigen Mitführung der Versorgungsspan nungspotentiale eine geringfügig reduzierte Mitführung der Versorgungsspannungs potentials zu realisieren, so daß Stabilitätsprobleme mit Sicherheit ausgeschlossen werden können.

Die bei dem erfindungsgemäßen Vorverstärker vorgesehenen Spannungsfolger zwi schen den Abgriffen der Spannungsteiler und den Versorgungsspannungsanschlüs sen des Operationsverstärkers verhindern praktisch jede Belastung des Signalaus gangs des Operationsverstärkers.

Durch die Kopplung des ersten und zweiten Versorgungsspannungspotentials an das Ausgangssignal des Vorverstärkers wird erreicht, daß die Verlustströme über die pa rasitären Kapazitäten - aufgrund der nur noch reduziert oder überhaupt nicht mehr schwankenden Potentialdifferenzen an den parasitären Kapazitäten - zumindest re duzierbar, wenn nicht vollständig eliminierbar sind.

Praktische Versuche haben gezeigt, daß z. B. bei einer 25 Hz-Signalquelle mit einem in Reihe geschalteten Kondensator einer Kapazität von 10 pF als Quellenimpedanz bei herkömmlichen Vorverstärkern ein Signalverlust von ungefähr 20% auftritt. Die Verschiebung des ersten und zweiten Versorgungsspannungspotentials abhängig von dem Ausgangssignal des Vorverstärkers führte bei derselben Signalquelle zu ei ner Reduzierung des Signalverlustes bei der Übertragung auf weniger als 0,01%.

Der erfindungsgemäße Vorverstärker erfährt eine erste vorteilhafte Ausgestaltung da durch, daß er als Spannungsfolger ausgebildet ist.

Dadurch, daß alternativ der erfindungsgemäße Vorverstärker die Signalspannung ver stärkt, ist schon in der Vorverstärkungsstufe eine tatsächliche Erhöhung des Signal pegels ohne Signalverluste gewährleistet.

Legt man nun den erfindungsgemäßen Vorverstärker so aus, daß das erste und zweite Versorgungsspannungspotential unmittelbar abhängig von dem abgeschwächten Ausgangssignal verschiebbar ist, erreicht man zwar beispielsweise bei einer Ab schwächung auf 95% keine vollständige Eliminierung der parasitären Kapazitäten, jedoch ist in der Regel eine Erhöhung der Stabilität des Vorverstärkers gewährleistet.

Eine weitere Maßnahme zur Stabilisierung des Vorverstärkers wird dadurch realisiert, daß das erste und zweite Versorgungsspannungspotential abhängig von dem tief paßgefilterten Ausgangssignal verschiebbar sind.

Besonders einfach gelingt die Realisierung des erfindungsgemäßen Vorverstärkers dadurch, daß dieser als Operationsverstärker ausgebildet ist. Bei einem Operations verstärker ist insbesondere die Einflußnahme auf die Versorgungsspannungspotentia le einfach und mit geringen Rückwirkungen auf das Ausgangssignal verbunden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der erfindungsgemäße Vorver stärker dadurch weitergebildet, daß das Potential einer Abschirmung der Signalquelle von dem Ausgangssignal steuerbar ist. Durch diese Ausgestaltung des Vorverstärkers ist gewährleistet, daß äußere Störfelder bzw. parasitäre Kapazitäten zwischen der Si gnalquelle einerseits und der Umgebung andererseits aufgrund der geringen Quellen impedanz des Ausgangssignals des Vorverstärkers keinen bzw. nahezu keinen Ein fluß auf die Signalspannungen der Signalquelle mit hoher Quellenimpedanz nehmen können.

Gemäß einer ersten alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen, zuletzt be schriebenen Vorverstärkers ist die Abschirmung zwischen der Signalquelle und dem Signaleingang angeordnet. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, daß auch die Versorgungsspannungspotentiale des Vorverstärkers keinen Einfluß auf die Signal spannungen nehmen können.

Gemäß der zweiten alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen zuletzt be schriebenen Vorverstärkers ist die Abschirmung im Bereich des Signalausgangs des Vorverstärkers angeordnet, so daß eine Abschirmung der Signalquelle bis hin zum Si gnaleingang gewährleistet ist.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Vorverstärker zur Verstärkung von Signalspannungen einer Signalquelle hoher Quellenimpedanz auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeich nung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines aus dem Stand der Technik bekannten Vorverstärkers,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers, gemäß der Lehre der Erfindung,

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers,

Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers,

Fig. 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers,

Fig. 7 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers,

Fig. 8 ein siebtes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers,

Fig. 9 ein achtes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers,

Fig. 10 ein neuntes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers,

Fig. 11 ein zehntes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers und

Fig. 12 ein elftes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers.

In Fig. 1 ist ein Vorverstärker gezeigt, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Wird ein solcher Vorverstärker zur Verstärkung von Signalspannungen einer Signal quelle 1 hoher Quellenimpedanz eingesetzt, so führen die innerhalb des als Operati onsverstärker 2 - hier als Spannungsfolger geschaltet - ausgebildeten Vorverstärkers durch die zwischen einem Signaleingang 3 und einer ersten Versorgungsspannungs klemme 4 und einer zweiten Versorgungsspannungsklemme 5 liegenden parasitären Kapazitäten 6, 7 fließenden Verlustströme zu einem erheblichen Signalverlust. In dem Ausführungsbeispiel eines aus dem Stand der Technik bekannten Vorverstärkers ist dieser als Spannungsfolger unter Verwendung des Operationsverstärkers 2 ausge führt.

In den folgenden Figuren sind die jeweils mit Fig. 1 übereinstimmenden Bauelemente mit den selben Bezugszeichen versehen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers wird der Vorverstärker wiederum von einem als Span nungsfolger geschalteten Operationsverstärker 2 gebildet, an dessen Signaleingang 3 die Signalspannung einer Signalquelle 1 mit hoher Quellenimpedanz anliegt. Auch bei dem in Fig. 2 dargestellten Operationsverstärker 2 sind zwischen dem Signalein gang 3 und der ersten Versorgungsspannungsklemme 4 bzw. der zweiten Versor gungsspannungsklemme 5 parasitäre Kapazitäten 6, 7 vorhanden. Der negative Ein fluß der parasitären Kapazitäten auf die Signalspannungen ist jedoch dadurch zumindest stark reduziert, daß das erste und zweite Versorgungsspan nungspotential abhängig von dem Ausgangssignal des Vorverstärkers am Signalaus gang 8 parallel verschiebbar sind. Dies ist beim ersten Ausführungsbeispiel eines Vor verstärkers dadurch gewährleistet, daß das Aus gangssignal unmittelbar als Bezugspotential für die das jeweilige Versorgungsspan nungspotential liefernden Versorgungsspannungsquellen 9, 10 dient.

In Fig. 3 der Zeichnung ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers nach der Lehre der Erfindung dargestellt, bei welchem der aus einem Operati onsverstärker 2 und zwei den Verstärkungsfaktor bestimmenden Widerständen 11, 12 aufgebaute Vorverstärker die Signalspannung verstärkt. Damit trotz dieser Verstär kung des Ausgangssignals gegenüber der Signalspannung die Verlustströme über die parasitären Kapazitäten verhindert werden, ist bei dem in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel das jeweilige Versorgungsspannungspotential über einen Span nungsteiler 13, 14 aus dem Ausgangssignal und dem Potential jeweils einer Versor gungsspannungsquelle 15, 16 ableitbar. Um den Signalausgang 8 des Operationsver stärkers 2 nicht zu stark zu belasten, ist bei dem in Fig. 3 dargestellten zweiten Aus führungsbeispiel zwischen dem Mittelabgriff des jeweiligen Spannungsteilers 13, 14 und den zugehörigen Versorgungsspannungsklemmen 4, 5 jeweils ein Spannungs folger 17, 18 angeordnet.

In Fig. 4 der Zeichnung ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers dargestellt, bei dem das erste und zweite Versor gungsspannungspotential unmittelbar abhängig von dem abgeschwächten Aus gangssignal verschiebbar ist. Dies wird bei dem in Fig. 4 dargestellten Vorverstärker durch einen vor die nach Art der Fig. 2 geschalteten Versorgungsspannungsquel len 9, 10 geschalteten Abschwächer 19 gewährleistet.

Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers, bei dem zwar der Operationsverstärker 2 wiede rum als Spannungsfolger geschaltet ist, daß am Signalausgang 8 anliegende Aus gangssignal des Operationsverstärkers 2 jedoch in einem Verstärker 20 verstärkt wird, wobei die Versorgungsspannungspotentiale des Operationsverstärkers 2 unmittelbar aus dem verstärkten Ausgangssignal des Operationsverstärkers 2 nach Art des in Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels abgeleitet werden.

In Fig. 6 der Zeichnung ist weiter ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Vorverstär kers dargestellt, bei welchem das Ausgangssi gnal mit Hilfe eines mit dem Signalausgang 8 eines als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärkers 2 verbundenen Tiefpaßfilter 21 gefiltert wird. Dieses gefilterte Ausgangssignal dient anschließend als Grundlage der Verschiebung der Versor gungsspannungspotentiale nach der in Fig. 2 dargestellten Art.

Um das bei den in Fig. 6 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel auftretende Pro blem zu vermeiden, daß das Ausgangssignal auch zur Weiterverarbeitung nur mehr durch den Tiefpaßfilter 21 gefiltert vorliegt, sind bei dem in Fig. 7 dargestellten sech sten Ausführungsbeispiel jeweils zwischen den Versorgungsspannungsquellen 9, 10 und den Versorgungsspannungsklemmen 4, 5 zwei separate Tiefpaßfilter 22, 23 angeordnet.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten siebten Ausführungsbeispiel sind weitere bekannte Maßnahmen getroffen, um die Eingangsimpe danz des Vorverstärkers zu erhöhen.

In Fig. 9 der Zeichnung ist nun ein achtes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers dargestellt. Bei diesem Vorverstärker ist das Poten tial einer zwischen der Signalquelle 1 und dem Signaleingang 3 liegenden Abschir mung 24 der Signalquelle 1 von dem Ausgangssignal des Vorverstärkers steuerbar.

Ein neuntes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers ist in Fig. 10 dargestellt. Hier erfolgt eine parallele Verschiebung der Versorgungsspannungspotentiale abhängig von dem Ausgangssignal nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, hier verwirklicht mit Hilfe einer nur schematisch dargestellte Verschiebeschaltung 25, und gleichzeitig wird eine zwi schen der Signalquelle und dem Signaleingang liegende Abschirmung 24 auf das am Signalausgang 8 anliegende Potential angehoben.

Alternativ dazu ist in Fig. 11 der Zeichnung ein zehntes Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers dargestellt, bei dem die Abschirmung 24 im Bereich des Signalausgangs 8 des Operationsverstärkers 2 angeordnet ist.

Schließlich ist in Fig. 12 der Zeichnung eines elftes Ausführungsbeispiel eines Vor verstärkers dargestellt, bei dem das Potential der Abschirmung 24 mittelbar von dem Ausgangssignal, also beispielsweise von einem verstärkten Ausgangssignal ansteuerbar ist. Dies ist abhängig von den äu ßeren Störeinflüssen unter Umständen von Vorteil.

Claims

1. Vorverstärker zur Verstärkung von Signalspannungen einer Signalquelle (1) hoher Quellenimpedanz, mit einem Operationsverstärker (2), wobei der Operationsverstär ker (2) einen Signaleingang (3), einen ersten Versorgungsspannungsanschluß (4) für ein erstes Versorgungsspannungspotential, einen zweiten Versorgungsspannungsan schluß (5) für ein zweites Versorgungsspannungspotential und einen Signalausgang (8) aufweist, wobei der Signalausgang (8) ein Ausgangssignal liefert und wobei das erste Versorgungsspannungspotential und das zweite Versorgungsspannungspoten tial abhängig vom Ausgangssignal parallel verschiebbar sind, dadurch gekennzeich net, daß der Signalausgang (8) über einen ersten Spannungsteiler (13) an eine erste Versorgungsspannungsquelle (15) und über einen zweiten Spannungsteiler (14) an eine zweite Versorgungsspannungsquelle (16) anschließbar ist und daß der Mittelab griff des ersten Spannungsteilers (13) über einen ersten Spannungsfolger (17) mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluß (4) des Operationsverstärkers (2) und der Mittelabgriff des zweiten Spannungsteilers (14) über einen zweiten Spannungsfolger (18) mit dem zweiten Versorgungsspannungsanschluß (5) des Operationsverstärkers (2) verbunden sind.

2. Vorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker als Spannungsfolger ausgebildet ist.

3. Vorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker die Signalspannung verstärkt.

4. Vorverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Versorgungsspannungspotential abhängig von dem tiefpaßgefilter ten Ausgangssignal verschiebbar sind.

5. Vorverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential einer Abschirmung (24) der Signalquelle (1) von dem Ausgangssignal steu erbar ist.

6. Vorverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (24) zwischen der Signalquelle (1) und dem Signaleingang (3) angeordnet ist.

7. Vorverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (24) im Bereich des Signalausgangs (8) angeordnet ist.