DE2048918B2

DE2048918B2 - Non-linear DC voltage amplifier, in particular for measuring purposes

Info

Publication number: DE2048918B2
Application number: DE19702048918
Authority: DE
Inventors: Rene Michel Dipl.-Ing. Basel Dubey; Ernst Eugen Reinach Huecking
Original assignee: FR SAUTER AG FABRIK ELEKTR APPARATE BASEL (SCHWEIZ)
Current assignee: FR SAUTER AG FABRIK ELEKTR APPARATE BASEL (SCHWEIZ)
Priority date: 1970-01-15
Filing date: 1970-10-06
Publication date: 1974-03-28
Also published as: DE2048918C3; DE2048918A1; CH504137A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen nichtlinearen Gleichspannungsverstärker, insbesondere für Meßzwecke, dessen Kennlinie durch lineare Teilstücke angenähert wird, bestehend aus einem Operationsverstärker mit einer die Verstärkung bestimmenden negativen Rückkopplung (Gegenkopplung), deren Grad durch ein Widerstandsnetzwerk bestimmt ist, das mit nichtlinearen Gliedern verbunden ist.The invention relates to a non-linear DC voltage amplifier, in particular for measuring purposes, whose characteristic curve is approximated by linear sections, consisting of an operational amplifier with a negative feedback (negative feedback) which determines the gain, whose Degree is determined by a network of resistors connected with non-linear terms.

Es ist bekannt, einen nichtlinearen Verstärker mit Annäherung der Kennlinie durch lineare Teilstücke dadurch zu realisieren, daß in das den Gegenkopplungsgrad bestimmende Widerstandsnetzwerk vorgespannte Dioden derart eingefügt sind, daß je nach Aussteuerung des Verstärkers mehr oder weniger Dioden leitend sind, wodurch die Verstärkung mehr oder weniger groß wird. Um die für gewöhnliche Dioden erforderlichen Vorspannungen zu vermeiden, ist es auch bekannt, an Stelle solcher Dioden Zenerdioden zu verwenden. In beiden Fällen besteht derIt is known to use a non-linear amplifier with approximation of the characteristic curve by linear sections to be realized in that the resistor network which determines the degree of negative feedback is biased Diodes are inserted in such a way that, depending on the level of the amplifier, more or less Diodes are conductive, whereby the gain is more or less large. To the for ordinary It is also known to use Zener diodes instead of such diodes to avoid the bias voltages required by diodes to use. In both cases the

ίο Nachteil einer großen Temperaturabhängigkeit des Kennlinienverlaufs, die nur mit großem Aufwand kompensiert werden kann.ίο Disadvantage of a large temperature dependence of the Characteristic curve that can only be compensated with great effort.

Aus der Zeitschrift »Electronics«, 2. Oktober 1967, S. 98, ist es auch bekannt, die Verstärkung einer einen Operationsverstärker enthaltenden Anordnung mit Hilfe eines Feldeffekttransistors in Abhängigkeit vom Tastverhältnis einer breitenmodulierten Impulsfolge zu verändern. Zu diesem Zweck wird dem Tor des Feldeffekttransistors eine äußere Regelspannung zugeführt. Eine solche Anordnung stellt aber keinen nichtlinearen Verstärker dar, dessen Verstärkung nach einem vorbestimmten nichtlinearen Verlauf vom jeweiligen Augenblickswert der Signalspannung selbst abhängt.From the magazine "Electronics", October 2, 1967, p. 98, it is also known to reinforce a an operational amplifier containing arrangement with the help of a field effect transistor as a function to change the duty cycle of a width-modulated pulse train. To this end, the gate of the field effect transistor is supplied with an external control voltage. Such an arrangement does not constitute one non-linear amplifier, the gain of which according to a predetermined non-linear course from the respective instantaneous value of the signal voltage itself depends.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines nichtlinaren Gleichspannungsverstärkers der eingangs angegebenen Art, dessen die Verstärkung als Funktion des Augenblickwerts der Signalspannung darstellende nichtlineare Kennlinie praktisch keine Temperaturabhängigkeit aufweist.The object of the invention is to create a non-linear DC voltage amplifier of the introduction specified type, which represents the gain as a function of the instantaneous value of the signal voltage non-linear characteristic has practically no temperature dependence.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die nichtlinearen Glieder durch weitere Operationsverstärker gebildet sind, daß der invertierende Eingang jedes weiteren Operationsverstärkers mit einem Schaltungspunkt des Widerstandsnetzwerks verbunden ist, daß der nicht invertierende Eingang jedes weiteren Operationsverstärkers auf einem festen Potential liegt und daß der Ausgang jedes weiteren Operationsverstärkers über eine Diode mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist.According to the invention, this object is achieved in that the non-linear elements by further Operational amplifiers are formed that the inverting input of every further operational amplifier is connected to a node of the resistor network that the non-inverting input each further operational amplifier is at a fixed potential and that the output of each Another operational amplifier is connected to its inverting input via a diode.

Die erfindungsgemäße Ausbildung ergibt gegenüber den bisher bekannten Anordnungen, bei denen andersartige nichtlineare Glieder verwendet werden, den Vorteil, daß die Temperaturabhängigkeit des Kennlinienverlaufs ohne irgendwelche Zusatzmaßnahmen praktisch vollständig beseitigt wird. Ein weiterer Vorteil besteht noch darin, daß die Knickpunkte, an denen die linearen Teilstücke der Kennlinie zusammentreffen, mit außerordentlich hoher Genauigkeit festgelegt werden können.The inventive training results compared to the previously known arrangements in which other types of nonlinear terms are used, the advantage that the temperature dependence of the Characteristic curve is practically completely eliminated without any additional measures. A Another advantage is that the break points at which the linear sections of the characteristic curve meet, can be determined with extremely high accuracy.

Obwohl als Operationsverstärker jeder beliebige Gleichspannungsverstärker mit ausreichender Verstärkung und Nullpunktstabilität verwendet werden kann, ist die Verwendung von monolithisch integrierten Schaltungen vorteilhaft, weil diese mit günstigen Eigenschaften preisgünstig industriell hergestellt werden und einem kompakten Aufbau ermöglichen.Although any DC voltage amplifier with sufficient amplification can be used as an operational amplifier and zero point stability can be used is the use of monolithic integrated Circuits are advantageous because they can be industrially manufactured inexpensively with favorable properties and enable a compact structure.

Die Schaltungspunkte, mit denen die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker verbunden werden, können je nach Art des den Gegenkopplungsgrad bestimmenden Widerstandsnetzwerkes verschieden sein.The circuit points to which the inverting inputs of the operational amplifier are connected can vary depending on the type of resistor network that determines the degree of negative feedback be.

Demzufolge besteht eine Ausführungsform der Erfindung darin, daß die mit den invertierenden Eingangen der weiteren Operationsverstärker verbundenen Schaltungspunkte des Widerstandsnetzwerkes die Abgriffe einer Serienschaltung von Widerständen sind.Accordingly, there is an embodiment of the invention that with the inverting inputs of the further operational amplifier connected circuit points of the resistor network Taps of a series circuit of resistors are.

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Eine andere Ausführungsform der Erfindung be- nach auch die übrigen Dioden. Jedesmal wenn eine steht darin, daß die mit den invertierenden Eingängen Diode zu leiten beginnt, bedeutet das, daß ein weiteder weiteren Operationsverstärker verbundenen rer Widerstand parallel zu dem Widerstand 3 gelegt Schaltungspunkte des Widerstandsnetzwerks die je- wird, wodurch die Verstärkung jedesmal ansteigt und weils freien Enden von Widerständen sind, deren 5 die Kennlinie einen Knick bekommt. Der Eingangsandere Enden mit einem gemeinsamen Punkt ver- spannungswert, bei dem ein solcher Knick auftritt, bunden sind. ist gegeben durch die Referenzspannung und das Ver-Another embodiment of the invention also applies to the remaining diodes. Every time one says that the diode with the inverting inputs begins to conduct, this means that another resistor connected to the other operational amplifier is placed in parallel with the resistor 3 circuit points of the resistor network, whereby the gain increases each time and is free The ends of resistors are 5 of which the characteristic curve gets a kink. The input other ends are tied to a common point tension value at which such a kink occurs. is given by the reference voltage and the

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der hältnis der beiden Widerstände an der Anode der be-The invention is described below on the basis of the ratio of the two resistors at the anode of the

Zeichnung beispielshalber beschrieben. In der Zeich- treffenden Diode, das sind z. B. für die Diode 13 dieDrawing described by way of example. In the corresponding diode, these are z. B. for the diode 13 the

nung zeigt io Widerstände 4 und 10. Der Betrag der an einemtion shows io resistors 4 and 10. The amount of one

F i g. 1 einen bekannten nichtlinearen Gleichspan- Knickpunkt auftretenden Verstärkungsänderung wirdF i g. 1 becomes a known non-linear DC voltage inflection point occurring gain change

nungsverstärker mit Dioden, bestimmt durch den Widerstand zwischen der AnodeVoltage amplifier with diodes, determined by the resistance between the anode

F i g. 2 einen bekannten nichtlinearen Gleichspan- der betreffenden Diode und dem Eingang, im Zu-F i g. 2 a known non-linear DC voltage related diode and the input, in connection

nungsverstärker mit Zenerdioden, sammenwirken mit den bereits die Verstärkung be-voltage amplifiers with Zener diodes, with which the amplification already

Fig. 3 einen nichtlinearen Gleichspannungsver- 15 einflussenden übrigen Widerständen, das ist z. B. fürFig. 3 shows a non-linear DC voltage control 15 influencing other resistors; B. for

stärker nach der Erfindung mit Serienwiderständen die Diode 13 der Widerstand 4.stronger according to the invention with series resistors the diode 13 the resistor 4.

im Rechennetzwerk des Operationsverstärkers, Die Anordnung nach F i g. 1 ist in verschiedenenin the computing network of the operational amplifier, the arrangement according to FIG. 1 is in different

Fig.4 einen nichtlinearen Gleichspannungsver- Varianten verbreitet, beispielsweise für unterschiedstärker nach der Erfindung mit Parallelwiderständen liehe Signalpolaritäten, mit einstellbarer Verstärkung im Rechennetzwerk des Operationsverstärkers, 20 für die einzelnen Teilstücke und in Konfigurationen4 a non-linear DC voltage variant spreads, for example for different strengths according to the invention with parallel resistors borrowed signal polarities, with adjustable gain in the computing network of the operational amplifier, 20 for the individual sections and in configurations

F i g. 5 eine stilisierte nichtlineare Kennlinie mit für mit zunehmender Eingangsspannung steigendeF i g. 5 a stylized non-linear characteristic curve with increasing input voltage

aussteuerungsabhängig wachsender Verstärkung und oder fallende Verstärkung. Allen gemeinsam ist dieIncreasing gain and / or decreasing gain depending on the level. What they all have in common is that

F i g. 6 eine entsprechende Kennlinie mit aussteue- Verwendung von vorgespannten Dioden und darinF i g. 6 shows a corresponding characteristic curve with control use of biased diodes and therein

rungsabhängig sinkender Verstärkung. liegt ihr Nachteil. Der Temperaturkoeffizient derGain decreases depending on the direction. is their disadvantage. The temperature coefficient of the

Es ist bekannt, einen nichtlinearen Verstärker mit 25 Dioden von etwa 2 mV/grd hat zur Folge, daß sich Annäherung der Kennlinie durch lineare Teilstücke die Lage der Kennlinien-Knickpunkte und damit die dadurch zu realisieren, daß in den Gegenkopplungs- Form der Kennlinie mit der Temperatur ändert. Man zweig eines Verstärkers Kombinationen aus Wider- kann dem zu begegnen suchen, indem man mit mögständen und vorgespannten Dioden derart eingefügt liehst hohen Signalpegeln arbeitet, aber der Auswerden, daß je nach Aussteuerung des Verstärkers 30 Steuerbereich des Operationsverstärkers setzt dem mehr oder wengier Dioden leitend sind, wodurch eine Grenze. Abgesehen von der sehr aufwendigen auch die Verstärkung mehr oder weniger groß ist. Möglichkeit, das ganze Netzwerk mittels eines Ther-F i g. 1 zeigt ein bekanntes Beispiel hierfür, wobei in mostaten auf einer konstanten Temperatur zu halten, dieser wie auch in den weiteren Figuren nur die bleibt nur noch die Möglichkeit, das Eingangssignal zur Erläuterung des Prinzips unbedingt notwendigen 35 selbst in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur Bauelemente dargestellt sind. Insbesondere sind so zu beeinflussen, daß der Temperatureinfluß der etwaige zur Frequenzgangkompensation notwendige Dioden möglichst kompensiert wird. Auch dieses Bauelemente sowie die Stromversorgung stets weg- Verfahren ist umständlich und teuer,
gelassen. Ebenso sind in allen Schaltungen nur die Es ist auch bekannt, gemäß F i g. 2, eine aus Ii-Bauelemente für Kennlinien mit 3 Knickpunkten als 40 nearen Teilstücken gebildete Kennlinie mit Hilfe von Beispiel gezeichnet. Z-Dioden zu realisieren. Die Figur zeigt einenIt is known that a non-linear amplifier with 25 diodes of about 2 mV / degree has the consequence that the characteristic curve is approximated by linear sections, the position of the characteristic curve breakpoints and thus to be realized by using the negative feedback form of the characteristic curve the temperature changes. One branch of an amplifier combinations of resistors can try to counter this by working with possibly high signal levels inserted with biased diodes, but the evaluation that depending on the level of the amplifier 30 sets the control range of the operational amplifier to which more or less diodes are conductive , creating a limit. Apart from the very complex also the amplification is more or less great. Possibility to control the whole network by means of a Ther-F i g. 1 shows a well-known example of this, in which the mostat must be kept at a constant temperature, this as in the other figures only the only option left is the input signal for explaining the principle, which is absolutely necessary, even as a function of the ambient temperature components are shown . In particular, it must be influenced in such a way that the temperature influence of any diodes necessary for frequency response compensation is compensated as far as possible. This component as well as the power supply is always gone - the procedure is cumbersome and expensive,
calmly. Likewise, in all circuits only the It is also known, according to FIG. 2, a characteristic curve formed from Ii components for characteristic curves with 3 inflection points as 40 near sections is drawn with the aid of an example. Realize zener diodes. The figure shows one

In der Praxis können natürlich in allen Fällen, so- Operationsverstärker 1, dessen nicht invertierendemIn practice, of course, in all cases, operational amplifier 1, its non-inverting

wohl bei den bekannten Anordnungen wie auch bei Eingang (+) über das Klemmenpaar 7 die Eingangs-probably with the known arrangements as well as with input (+) via the pair of terminals 7 the input

denen gemäß der Erfindung so viele Knickpunkte ge- spannung U_E zugeführt wird und von dessen Ausgangwhich according to the invention as many kink points voltage U _{E is} supplied and from its output

wählt werden wie die gewünschte Kennlinie erfordert. 45 über das Klemmenpaar 8 die Ausgangsspannung U_A can be selected as required by the desired characteristic. 45 the output voltage U _A via the pair of terminals 8

Die Figur zeigt einen Operationsverstärker 1, des- abgenommen wird. Die Gegenkopplung wird gebildet sen nicht invertierender Eingang (+) mit dem all- durch einen Spannungsteiler, dessen Oberwidergemeinen Bezugspotential verbunden ist. Der inver- stand 2 zwischen Ausgang und invertierendem Eintierende Eingang (—) liegt an einem Widerstands- gang (—) liegt, und dessen Unterwiderstand, der zwinetzwerk, von dem der Widerstand 2 mit dem Aus- 50 sehen dem invertierenden Eingang und dem allgemeigang und die Widerstände 3 bis 6 mit dem Eingang nen Bezugspotential liegt, aus dem Netzwerk mit den verbunden sind. Die Eingangsspannung U_E liegt am Widerständen 3 und 16 bis 18 und den Z-Dioden 19 Klemmenpaar 7, und die Ausgangsspannung U_A wird bis 21 besteht. Bei der gezeichneten Polung der vom Klemmenpaar 8 abgenommen. An das Klem- Dioden muß die Eingangsspannung positiv in bezug menpaar 9 wird eine konstante Referenzspannung 55 auf das allgemeine Bezugspotential sein.
Ufyf gelegt, die über die Widerstände 10 bis 12 den Steigt nun die Eingangsspannung U_E von Null beDioden 13 bis 15 zugeführt wird. Bei der gezeich- ginnend in positiver Richtung an, so ist auch bei dieneten Polung der Dioden muß die Eingangsspannung sem Beispiel die Verstärkung zunächst allein durch positiv und die Referenzspannung negativ in bezug die Widerstände 2 und 3 gegeben, weil vorerst alle auf das allgemeine Bezugspotential sein. 60 Z-Dioden gesperrt sind. Bei weiter steigender Ein-The figure shows an operational amplifier 1, which is removed. The negative feedback is formed by the non-inverting input (+) with the all- through a voltage divider, the general reference potential of which is connected. The integer 2 between the output and the inverting input (-) is connected to a resistor (-), and its sub-resistance, the zwinetzwerk, of which the resistor 2 looks like the inverting input and the general gang and the resistors 3 to 6 are connected to the input NEN reference potential from the network with which. The input voltage U _E is applied to resistors 3 and 16 to 18 and the Zener diodes 19, terminal pair 7, and the output voltage U _A is up to 21. With the polarity shown, the removed from the pair of terminals 8. At the clamping diodes, the input voltage must be positive in relation to menpaar 9, a constant reference voltage 55 will be at the general reference potential.
Ufyf placed, which is now fed to the input voltage U _E from zero to 13 to 15 via the resistors 10 to 12. When the diodes are drawn in a positive direction, the input voltage in this example, the gain must initially only be positive and the reference voltage negative with respect to resistors 2 and 3, because initially all of them are at the general reference potential . 60 Zener diodes are blocked. If the in-

Steigt nun die Eingangsspannung U_E von Null be- gangsspannung beginnen die Z-Dioden nacheinander ginnend in positiver Richtung an, so ist die Verstär- in der Reihenfolge ihrer Durchbruchsspannungen zu kung zunächst allein durch die Widerstände 2 und 3 leiten, wodurch jedesmal ein weiterer der Widergegeben, weil vorerst alle Dioden von der negativen stände 16 bis 18 parallel zum Widerstand 3 gelegt Referenzspannung her gesperrt sind. 65 wird und die Verstärkung ansteigt. Auch das BeispielIf the input voltage U _E now rises from zero input voltage, the Zener diodes begin successively in a positive direction, so the amplification in the order of their breakdown voltages is initially only passed through the resistors 2 and 3, which means that each time another of the Reproduced because for the time being all the diodes from the negative levels 16 to 18 in parallel with the resistor 3, the reference voltage are blocked. 65 becomes and the gain increases. The example too

Steigt die Eingangsspannung weiter, so wird zu- nach F i g. 2 kann in verschiedener Weise abgewannächst die am wenigsten weit vorgespannte Diode delt werden, so z. B. für mit steigender Eingangsspanleitend und bei weiterem Ansteigen leiten nach und nung steigende oder fallende Verstärkung, in inver-If the input voltage continues to rise, according to FIG. 2 can grow off in different ways the least widely biased diode will be delt, so z. B. for with increasing input span and if the increase continues, increasing or decreasing gain leads to and inversely

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tierender oder nieht inventierender Konfiguration, invertierenden Eingang verbunden. Letzterer bildet mit oder ohne Abgleich der einzelnen Teilverstärkun- einen virtuellen Festpunkt, dessen Potential gleich gen. Die Anordnung hat den gleichen Nachteil wie dem des nicht invertierenden Eingangs ist. Dadurch die nach F i g. 1, nämlich den die Kennlinie ver- wird das Potential des Abgriffes zwischen den Widerändernden Einfluß des Temperaturkoeffizienten der 5 ständen 24 und 25 auf dem des Punktes 31 festgehal-Durchbruchspannung der Z-Dioden. Dieser Tempe- ten, und die Verstärkung des Verstärkers 1 ist bei raturkoeffizient ist bei Z-Dioden zudem nach Betrag weiterem Steigen von V_E nur noch durch die Wider- und Polarität von der Durchbruchspannung abhängig, stände 2 und 22 bis 24 gegeben, also angestiegen,
was eine etwaige Kompensation sehr erschwert. Bei noch weiterem Ansteigen von U_E spielt sich Außerdem besteht keine Möglichkeit zum Abgleich ίο beim Verstärker 27 der gleiche Vorgang ab: Das der Spannungslage der Kennlinien-Knickpunkte. Potential des Abgriffs zwischen den Widerständen 23 Deshalb ist die Anordnung kaum verbreitet, obwohl und 24 wird auf dem des Punktes 30 festgehalten, und sie bei geringeren Ansprüchen an die Genauigkeit die Verstärkung des Verstärkers 1 ist nur noch durch wegen ihrer Einfachheit Vorteile bietet. die Widerstände 2, 22 und 23 bestimmt, also noch-Tiering or non-inventing configuration, inverting input connected. With or without adjustment of the individual partial amplifications, the latter forms a virtual fixed point whose potential is equal to. The arrangement has the same disadvantage as that of the non-inverting input. As a result, according to FIG. 1, namely that the characteristic curve is the potential of the tap between the resistors the influence of the temperature coefficient of the 5 stands 24 and 25 on that of the point 31 fixed-breakdown voltage of the Zener diodes. These temperatures, and the gain of amplifier 1 at temperature coefficient, is also dependent on the breakdown voltage in Z diodes after a further increase in V _E due to the resistance and polarity, would be 2 and 22 to 24, i.e. increased ,
which makes any compensation very difficult. If U _E rises even further, there is also no possibility of balancing ίο the same process in amplifier 27: That of the voltage level of the characteristic curve breakpoints. Potential of the tap between the resistors 23 Therefore, the arrangement is hardly widespread, although and 24 is fixed at that of the point 30, and it only offers advantages because of its simplicity if the demands on the accuracy of the amplification of the amplifier 1 are lower. the resistances 2, 22 and 23 are determined, so still-

Der gemeinsame Nachteil der bekannten Anord- 15 mais gestiegen. Schließlich, bei noch höheren WertenThe common disadvantage of the well-known arrangement corn has risen. Finally, with even higher values

nungen, nämlich die starke Temperaturabhängigkeit von U_E, ist auch der Verstärker 26 durchgesteuert undvoltages, namely the strong temperature dependence of U _E , the amplifier 26 is controlled and

der Kennlinie, wird durch die Erfindung auf wirt- die höchste Verstärkung des Verstärkers 1 erreicht,the characteristic curve, the highest gain of amplifier 1 is achieved by the invention,

sehaftliche Weise beseitigt. Es ergibt sich damit eine Verstärker-Anordnungphysically eliminated. This results in an amplifier arrangement

Gemäß der Erfindung, die im folgenden beschrie- mit mehrfach geknickter Kennlinie, bei der die einben wird, wird ein nichth'nearer Verstärker mit einer 2° zelnen Teilverstärkungen durch die Widerstandsaus linearen Teilstücken bestehenden Kennlinie da- werte des Rechennetzwerkes des Verstärkers 1 zu durch realisiert, daß Abgriffe des Rechennetzwerkes wählen sind und bei der die Lage der Knickpunkte, des Operationsverstärkers mit den invertierenden bezogen auf die Eingangsspannung U_E, durch geeig-Eingängen weiterer Operationsverstärker verbunden nete Wahl der Potentiale der Punkte 29 bis 31 ebenwerden. Ein Beispiel dafür ist in Fig.3 dargestellt. 25 falls wählbar sind. Die Zahl der Knickpunkte ent-Die Figur zeigt einen Operationsverstärker 1, dessen spricht der Zahl der an entsprechenden Abgriffen nicht invertierendem Eingang (+) von dem Klem- des Rechennetzwerkes vorhandenen Verstärker. In menpaar 7 her die Eingangsspannung U_E zugeführt F i g. 3, wie auch in der noch zu erläuternden F i g. 4, wird und von dessen Ausgang über das Klemmen- sind nur als Beispiel die drei Verstärker 26 bis 28 gepaar 8 die Ausgangsspannung U_A abgenommen wird. 3° zeichnet.According to the invention, the characteristic curve with multiple kinks in the following, in which the is flat, a non-linear amplifier with a 2 ° individual partial amplification is realized through the resistance curve consisting of linear sections to values of the computing network of the amplifier 1 that taps of the computing network are to be selected and in which the position of the kink points, of the operational amplifier with the inverting ones related to the input voltage U _E , are connected by suitable inputs of further operational amplifiers. An example of this is shown in Fig. 3. 25 if selectable. The figure shows an operational amplifier 1, which speaks of the number of amplifiers present at corresponding taps that are non-inverting inputs (+) from the terminal of the computing network. In menpaar 7 the input voltage U _{E is} fed to F i g. 3, as also in the still to be explained FIG. 4, and from the output of which via the terminal the three amplifiers 26 to 28 are paired only as an example 8 the output voltage U _{A is} taken. 3 ° draws.

Das Rechennetzwerk besteht aus einem Gegenkopp- Da diese Verstärker in der Praxis, wie alle Opelungswiderstand 2 und einem Vorwiderstand, der bei rationsverstärker einen gewissen exemplarabhängigen diesem Beispiel aus der Serienschaltung der Wider- Eingangsspannungs-Offset besitzen, ist es zweckstände 22 bis 25 besteht. Gemäß der Erfindung sind mäßig, die Potentiale der Punkte 29 bis 31 mindestens Abgriffe dieses Rechennetzwerkes mit den inver- 35 so weit einstellbar zu machen, daß der Offset komtierenden Eingängen (—) weiterer Operationsverstär- pensiert werden kann, sofern die gewünschte Kennker 26 bis 28 verbunden, bei denen jeweils der nicht linien-Genauigkeit das erforderlich macht. Damit invertierende Eingang (+) auf einen Punkt festen sind die von diesen Verstärkern herrührenden stati-Potentjals liegt (Punkte 29, 30 und 31) und bei denen sehen Fehler eliminiert.The computing network consists of a negative feedback Since these amplifiers in practice, like all opelung resistors 2 and a series resistor, which in ration amplifiers have a certain example-dependent this example from the series circuit of the resistor input voltage offset, it is useful 22 to 25. According to the invention, the potentials of points 29 to 31 at least taps of this computing network can be adjusted with the invers 35 to such an extent that the offset coming inputs (-) of further operational amplifiers can be compensated, provided that the desired identifier 26 to 28 connected, in each of which the non-line accuracy makes this necessary. So that the inverting input (+) is fixed at a point, the stati-Potentjals originating from these amplifiers are located (points 29, 30 and 31) and at which errors are eliminated.

jeweils der Ausgang über eine Diode mit dem inver- 4° Unabhängig davon, besteht zwischen den beiden tierenden Eingang verbunden ist (Dioden 32, 33 und Eingängen eines jeden dieser Verstärker noch eine 34). Die drei Festpotentiale können auf beliebige temperaturabhängige Spannungskomponente, die Weise gewonnen werden, im vorliegenden Beispiel gleich dem Temperaturkoeffizienten der Eingangsgeschieht das durch Spannungsteilung aus einer dem Offsetspannung ist. Auf der Nutzbarmachung dieses Klemmenpaar 9 zugeführten konstanten Referenz- 45 bei heutigen Operationsverstärkern (sowohl in monospannung U^f. lithischer wie auch in anderer Bauweise) sehr kleinenthe output is connected via a diode with the inversely 4 ° Independent of this, there is connected between the two animal inputs (diodes 32, 33 and inputs of each of these amplifiers also have a 34). The three fixed potentials can be obtained in any temperature-dependent voltage component, which in the present example is equal to the temperature coefficient of the input that is done by dividing the voltage from one of the offset voltage. On the utilization of this pair of terminals 9 supplied constant reference 45 in today's operational amplifiers (both in mono voltage U ^ f. Lithic as well as in other construction) very small

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anord- Temperaturkoeffizienten beruht der Vorteil der Ernung ist folgende: Angenommen, die Referenzspan- findung gegenüber den bekannten Anordnungen. Bei nung U_Ref sei positiv in bezug auf das gemeinsame einem besonders weitverbreiteten und preisgünstigen Bezugspotential und die Spannung an Punkt 29 sei 50 Typ eines monolithischen Operationsverstärkers behöher als die an Punkt 30 und diese wiederum höher trägt dieser Temperaturkoeffizient beispielsweise als die an Punkt 31. Ist nun die Eingangsspannung U_E etwa 5 μ V/grd. Durch Vergleich mit dem für Dioden zunächst Null, so ist auch die Spannung am inver- zutreffenden Wert von etwa 2 mV/grd ergibt sich tierende Eingang (—) des Verstärkers 1 sowie des- ohne weiteres die große Verbesserung, welche die Ersen Ausgangsspannung Null (unter Vernachlässigung 35 findung gegenüber den bekannten Anordnungen erdes Spannungsoffsets, der mit den üblichen Mitteln bringt. Die anliegenden Signalpegel, mit denen diese kompensiert werden kann). Ebenso ist die Spannung Werte ins Verhältnis zu setzen sind, sind nämlich in an den invertierenden Eingängen aller Verstärker 26 allen Fällen etwa gleich, weil sie durch den Ausbis 28 Null, und deren Ausgänge liegen auf dem posi- Steuerbereich des Verstärkers 1 zwangsläufig begrenzt tiven Sättigungswert, wodurch die Dioden 32 bis 34 60 sind,The mode of operation of the arrangement temperature coefficients according to the invention is based on the advantage of the calculation as follows: Assume that the reference voltage compared to the known arrangements. At voltage U _Ref is positive with respect to the common, a particularly widespread and inexpensive reference potential and the voltage at point 29 is 50 type of a monolithic operational amplifier higher than that at point 30 and this in turn has a higher temperature coefficient than that at point 31, for example now the input voltage U _{E is} about 5 μV / grd. By comparison with that for diodes initially zero, the voltage at the incorrect value of about 2 mV / degree results in the input (-) of amplifier 1 and therefore the great improvement that the Ersen output voltage is zero ( neglecting the known arrangements earth voltage offset, which brings with the usual means. The applied signal level, with which this can be compensated). Likewise, the voltage values are to be set in relation, namely in all cases at the inverting inputs of all amplifiers 26, because they are zero due to the output 28 and their outputs are inevitably limited to the positive saturation value , whereby the diodes 32 to 34 are 60,

gesperrt sind. Steigt nun U_E in positiver Richtung an, Besonders vorteilhaft wirkt sich im Zusammen-are locked. If U _E now increases in a positive direction, it is particularly advantageous in the

so ist die Verstärkung des Verstärkers 1 so lange hang mit dem günstigen Temperaturverhalten dieso the gain of the amplifier 1 depends on the favorable temperature behavior

durch die Widerstände 2 und 22 bis 25 gegeben, bis hohe Abgleichgenauigkeit der Kennlinien-Knick-given by the resistors 2 and 22 to 25, until the characteristic curve buckling

die Potentialdifferenz zwischen den beiden Eingän- punkte bei einer Anordnung gemäß der Erfindungthe potential difference between the two input points in an arrangement according to the invention

gen des Verstärkers 28 durch Null geht, In diesem 65 aus. Bekanntlich erscheint bei einem Operationsver-gene of the amplifier 28 goes through zero, in this 65 from. As is well known, in the event of an operation failure

Moment geht dessen Ausgangspotential vom posi- stärker mit einer Diode als Gegenkopplungselement,Moment its output potential goes from positive to stronger with a diode as a negative feedback element,

tiven Sättigungswert in negativer Richtung, die Diode wie bei den Verstärkern 26 bis 28, der Durchlaß-tive saturation value in the negative direction, the diode as in the amplifiers 26 to 28, the forward

34 beginnt zu leiten, und der Ausgang ist mit dem Spannungsabfall der Diode am invertierenden Ein-34 begins to conduct, and the output is connected to the voltage drop of the diode at the inverting input

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gang durch den Betrag der »offenen« Verstärkung flußt, während dies bei dem Beispiel nach F i g. 3 (d. h. der Verstärkung ohne Gegenkopplung) divi- durch ein nach und nach erfolgendes Kurzschließen diert. Der bereits erwähnte, weitverbreitete Opera- der Abgriffe einer Serienschaltung erfolgte. Zufolge tionsverstärker-Typ besitzt eine offene Verstärkung der Parallel-Konfiguration in Fig.4 kann dort die von mindestens 15 000. Damit ergibt sich für den 5 Reihenfolge der Potentiale der Punkte 29 bis 31 be-Durchlaßbereich der Diode jeweils am invertieren- liebig gewählt werden, während bei dem Beispiel den Eingang ein Spannungsbereich von weniger als nach F i g. 3 die Potentialwerte in der Reihenfolge 50 μν. Dieser Umstand ermöglicht einen sehr ge- der Abgriffe des Spannungsteilers einander folgen nauen Abgleich der Kennlinien-Knickpunkte. Man müssen. Dabei gehört zu dem am weitesten vom Verlegt zu dem Zweck eine Gleichspannung von dem io stärker 1 entfernt liegenden Abgriff des Spannungs-Wert an den Eingang 7, bei dem der Knickpunkt teilers der Festpunkt mit dem niedrigsten Potential,
liegen soll und gleicht das Potential an dem betreffen- Die Entscheidung, welche der beiden an sich den Punkt 29, 30 oder 31 so ab, daß die Ausgangs- gleichwertigen Ausführungsformen in einem prakspannung des zugehörigen Verstärkers 26, 27 oder 28 tischen Fall die vorteilhafteste ist, hängt von den Null ist. Damit ist der Abgleich auf eine Gleichspan- 15 Widerstandswerten für das Rechennetzwerk ab, die nungsmessung zurückgeführt, die mit praktisch be- sich aus dem gewünschten Kennlinienverlauf ergeben, liebiger Genauigkeit erfolgen kann, während bei den Man wird die Wahl so treffen, da daß das Verhältnis bekannten Anordnungen wegen des weichen Über- vom größten zum kleinsten im Gegenkopplungsnetzgangs an den Knickpunkten die Kurve an diesen Stel- werk vorkommenden Widerstand möglichst nahe len nicht mit der gleichen Genauigkeit erfaßt werden ao bei 1 liegt. Dann ist die geringste Streuung des Temkann. Eine möglichst genaue Erfassung der Knick- peraturkoeffizienten dieser Widerstände zu erwarten, punkte ist aber unerläßlich, wenn beispielsweise bei Es ergibt sich nämlich, was die Widerstände betrifft, Anwendung als Meßverstärker die Verstärkerkenn- die geringste Temperaturabhängigkeit des Kennlinie innerhalb eines bestimmten vorgegebenen linienverlaufes, wenn die Temperaturkoeffizienten »Streuschlauches« der Sollkurve folgen muß. Dann 25 der Widerstände innerhalb der überhaupt gewählten müssen nämlich die Knickpunkte gezielt auf einen Grenzen möglichst einander gleich sind. Das ist eher Rand des Streuschlauches gelegt werden. _zu erwarten, wenn die einzelnen Widerstandswertetransition flows through the amount of the "open" gain, while this in the example according to FIG. 3 (ie the gain without negative feedback) divided by a gradually occurring short-circuit. The already mentioned, widespread operation of tapping a series circuit took place. As a result of the ion amplifier type has an open gain of the parallel configuration in Fig. 4, there can be at least 15,000. This results in the 5 order of the potentials of points 29 to 31 be-pass band of the diode in each case to be selected to invert , while in the example the input has a voltage range of less than according to FIG. 3 the potential values in the order 50 μν. This circumstance enables the taps on the voltage divider to follow one another very precisely to adjust the breakpoints of the characteristic curve. You have to. One of the farthest from the laying for the purpose of this is a direct voltage from the one more distant tap of the voltage value at input 7, at which the break point divides the fixed point with the lowest potential,
The decision as to which of the two is the point 29, 30 or 31 so that the output equivalent embodiments in a practical voltage of the associated amplifier 26, 27 or 28 table case is the most advantageous , depends on which is zero. This means that the comparison is based on a DC voltage resistance value for the computing network, the voltage measurement, which can be carried out with practically any precision, resulting from the desired characteristic curve, while the choice is made in such a way that the ratio Known arrangements because of the soft transition from the largest to the smallest in the negative feedback network path at the kink points, the curve at this position resistance occurring as close as possible can not be detected with the same accuracy ao is 1. Then there is the slightest variation in the Temkann. The most accurate possible detection of the temperature coefficients of these resistances is to be expected, however, points is essential if, for example, when the resistors are used as a measuring amplifier, the amplifier characteristics The temperature coefficient of the "scattering hose" must follow the target curve. Then 25 of the resistances within the chosen range, namely, the kink points must be targeted to a limit as equal as possible to one another. That is more likely to be placed on the edge of the litter tube. _to be expected when the individual resistance values

Übrigens erscheint auch der Temperaturkoeffizient nicht allzusehr voneinander verschieden sind,Incidentally, the temperature coefficient does not appear to be too different from each other,

der Durchlaß-Spannung der Dioden 32 bis 34 am in- Eine möglichst gleiche relative Wertänderung derthe forward voltage of the diodes 32 to 34 at the in-A relative change in value of the as equal as possible

vertierenden Eingang des betreffenden Verstärkers 30 Widerstände mit der Temperatur wird ferner begün-vertical input of the amplifier concerned 30 resistors with the temperature is also favored

durch die offene Verstärkung dividiert und ist dann stigt durch eine feste thermische Kopplung zwischendivided by the open gain and is then stigt by a fixed thermal coupling between

sogar noch zu vernachlässigen gegen den bereits er- diesen. Dazu ist es vorteilhaft, bei einer Anordnungeven negligible compared to the already existing one. For this purpose, it is advantageous in the case of an arrangement

wähnten Temperaturkoeffizienten dieser Verstärker gemäß der Erfindung mindestens die Widerstände,mentioned temperature coefficients of these amplifiers according to the invention at least the resistances,

selbst. die das Rechennetzwerk des Verstärkers 1 bilden, inthemselves. which form the computing network of the amplifier 1, in

Vorteilhaft ist auch, daß die Verstärker 26 bis 28 35 einer der bekannten integrierten Techniken, z. B.It is also advantageous that the amplifiers 26 to 28 35 one of the known integrated techniques, for. B.

wegen der hohen Eingangsimpedanz an ihren nicht Dickschicht- oder Dünnschicht-Technik auszuführen,because of the high input impedance on their not thick-film or thin-film technology,

invertierenden Eingängen die Punkte 29 bis 31 prak- Hierbei ist es wiederum anzustreben, daß die Werteinverting inputs the points 29 to 31 prak- Here again it is desirable that the values

tisch nicht belasten, so daß diese relativ hochohmig nicht allzusehr voneinander verschieden sind, damitDo not load the table, so that these relatively high resistance are not too different from each other, so

sein können. die Widerstände möglichst mit dem gleichen Schicht-could be. the resistors, if possible, with the same layer

Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht 4° material realisiert werden können. Natürlich können auf die in F i g. 3 dargestellte Ausführungsform be- in diese Integration durch Anwendung einer der beschränkt. F i g. 4 zeigt ein weiteres Beispiel eines kannten Hybrid-Techniken noch weitere Bauelemente nichtlinearen Gleichspannungsverstärkers gemäß der der Schaltung, einschließlich der Operationsverstär-Erfindung, das sich von dem vorherigen durch eine ker, einbezogen werden.The application of the inventive idea is not 4 ° material can be realized. Of course you can on the in F i g. The embodiment shown in FIG. 3 is limited in this integration by using one of the. F i g. 4 shows a further example of a known hybrid technique as well as further components non-linear DC voltage amplifier according to the circuit, including the operational amplifier invention, that differs from the previous one through a ker, to be included.

andere Schaltung des Rechennetzwerkes des Ver- 45 Hinsichtlich der Signal-Polarität und des Steistärkers 1 unterscheidet. In beiden Figuren sind Teile gungsverlaufes der Kennlinie verhält es sich bei der mit gleicher Funktion gleichlautend bezeichnet. In Anordnung gemäß der Erfindung wie folgt: Sind die F i g. 4 liegen, gemäß der Erfindung, die Widerstände Dioden so gepolt wie in den F i g. 3 und 4 dargestellt 36 bis 38 alle mit einem Ende an einem gemeinsamen und die Potentiale der Festpunkte 29 bis 31 positiv Punkt, nämlich dem invertierenden Eingang des Ver- 50 gegen das allgemeine Bezugspotential, so benötigt die stärkers 1, während ihr freies Ende jeweils zu einem Schaltung, wie bereits beschrieben, ein positives Einder zusätzlichen Verstärker 26 bis 28 führt. Ferner ist gangssignal U_E und arbeitet mit bei steigender Einnoch der Widerstand 35 vorhanden, der im Zusam- gangsspannung zunehmender Verstärkung. Eine menwirken mit dem Widerstand 2 die Verstärkung solche Kennlinie ist in F i g. 5 stilisiert dargestellt, des Verstärkers 1 für den Fall bestimmt, daß U_E Null 55 und zwar als Beispiel für drei Knickpunkte,
ist. Bei diesem Beispiel sind also die Widerstände 35 Polt man die Dioden um, so daß jeweils ihre bis 38 die parallelliegenden Teilwiderstände des Vor- Anoden mit den Ausgängen der zugehörigen Verwiderstandes, der zusammen mit dem Gegenkopp- stärker verbunden sind, und läßt die Polarität des lungswiderstand 2 das Rechennetzwerk bildet. Steigt Potentials an den Punkten 29 bis 31 unverändert U_E in positiver Richtung an, so werden auch bei die- 60 positiv, so ergibt sich eine Kennlinie für positive Einsem Beispiel die Verstärker 26 bis 28 nacheinander gangsspannungen mit bei steigenden Pegel fallender aus ihrer positiven Sättigungslage heraus durch- Verstärkung, wie sie stilisiert in F i g. 6 dargestellt ist. gesteuert, bis die Dioden 32 bis 34 leiten, wodurch In diesem Fall sind nämlich bei U_E = 0 alle Dioden nacheinander die Widerstände 36 bis 38 mit ihren leitend, wie man sich leicht an Hand der F i g. 3 oder freien Enden auf den Potentialen der Punkte 29 bis 65 4 vergegenwärtigen kann. Damit hat die Verstärkung 31 festgehalten werden. Die Verstärkung des Ver- ihren Höchstwert, und mit steigendem Pegel von U_E stärkers 1 wird somit durch eine nach und nach er- werden nacheinander die Ausgänge der Verstärker 26 folgende Parallelschaltung von Widerständen beein- bis 28 in die negative Sättigungslage gesteuert, wasAnother circuit of the computing network of the controller 45 with regard to the signal polarity and the controller 1 differs. In both figures, parts of the curve of the characteristic curve are identified with the same function in the case of those with the same function. In an arrangement according to the invention as follows: Are Figs. 4, according to the invention, the resistors diodes are polarized as in FIGS. 3 and 4 shown 36 to 38 all with one end at a common and the potentials of the fixed points 29 to 31 positive point, namely the inverting input of the 50 to the general reference potential, so the amplifier 1 needs while its free end in each case to in a circuit as already described, a positive one in additional amplifiers 26-28 leads. In addition, the output signal U _{E is present} and, when the voltage rises, the resistor 35 is also present, the gain increasing in the input voltage. A correlation with the resistor 2, the gain of such a characteristic is shown in FIG. 5 shown stylized, the amplifier 1 intended for the case that U _E zero 55 as an example of three breakpoints,
is. In this example, the resistors are 35.If the polarity of the diodes is reversed, their up to 38 parallel partial resistances of the front anode with the outputs of the associated resistors, which are connected together with the negative feedback, and the polarity of the resistance 2 forms the computing network. Rising potential at the points 29 to 31 unchanged U _E in the positive direction, so to be positively even at DIE 60, the result is a characteristic curve for positive Einsem example, the amplifier 26 output voltages to 28 successively at increasing levels falling from their positive saturation Location out through reinforcement, as stylized in FIG. 6 is shown. controlled until the diodes 32 to 34 conduct, which means that in this case, when U _E = 0, all the diodes successively the resistors 36 to 38 with their conductive, as can easily be seen from FIG. 3 or free ends on the potentials of points 29 to 65 4 can visualize. With this the reinforcement 31 has to be held. The amplification of the maximum value, and as the level of U _E amplifier 1 increases, is thus controlled by a successive parallel connection of resistors to the outputs of the amplifiers 26, which is switched to the negative saturation position

das potentialmäßige Freiwerden der invertierenden Eingänge und damit ein schrittweises Absinken der Verstärkung des Verstärkers 1 zur Folge hat.the potential-related release of the inverting inputs and thus a gradual decrease in the Amplification of the amplifier 1 has the consequence.

Legt man schließlich die Punkte 29 bis 31 auf ein negatives Festpotential, so ist die Schaltung mit einem negativen Eingangssignal U_E anzusteuern und arbeitet, wie nach dem bisher Gesagten ohne weiteres abzuleiten ist, bei einer Polung der Dioden wie in F i g. 3 und 4 dargestellt, mit bei wachsender Eingangsspannung fallender Verstärkung und bei umgekehrter Polung der Dioden mit bei wachsender Eingangsspannung steigender Verstärkung.Finally, if points 29 to 31 are set to a negative fixed potential, the circuit is to be controlled with a negative input signal U _E and, as can be easily deduced from what has been said above, works with a polarity of the diodes as in FIG. 3 and 4, with increasing input voltage decreasing gain and with reversed polarity of the diodes with increasing input voltage increasing gain.

So können auf einfachste Weise alle Kombinationen des Steigungsverlaufes mit der Signalpolarität verwirklicht werden.In this way, all combinations of the gradient with the signal polarity can be set in the simplest way be realized.

Die Erfindung erlaubt den Aufbau von nichtlinearen Gleichspannungsverstärkern, deren Kennlinie durch lineare Teilstücke angenähert wird, mit hoher vorgebbarer Genauigkeit. Ihr Vorteil gegenüber den bekannten Anordnungen liegt insbesondere darin, daß die Temperaturabhängigkeit des Kennlinienverlaufes auf wirtschaftliche Weise praktisch vollständig beseitigt wird, so daß die gesamte Stabilität der Einrichtung nur noch von den verwendetenThe invention allows the construction of non-linear DC voltage amplifiers, their characteristic is approximated by linear sections, with a high predefinable accuracy. Your advantage over the known arrangements is in particular that the temperature dependence of the characteristic curve is practically completely eliminated in an economical manner, so that the entire stability the facility only from the used ones

ίο Widerständen abhängt. Ein Anwendungsbeispiel ist die Linearisierung der Brücken-Ausgangsspannung bei Temperatur-Meßbrücken mit Platin-Widerstandsfühlern bzw. bei Meßbrücken für andere Meßgrößen mit nichtlinearem Zusammenhang zwischen Meßgröße und Brücken-Ausgangsspannung.ίο depends on resistances. An example of use is the linearization of the bridge output voltage for temperature measuring bridges with platinum resistance sensors or for measuring bridges for other measured quantities with a non-linear relationship between the measured variable and the bridge output voltage.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Non-linear DC voltage amplifier, especially for measuring purposes, its characteristic is approximated by linear sections, consisting of an operational amplifier with a the gain-determining negative feedback (negative feedback), its degree through a resistor network connected to non-linear terms is determined thereby characterized in that the non-linear elements are formed by further operational amplifiers are that the inverting input of each additional operational amplifier with a node of the resistor network is connected to the non-inverting input of each further operational amplifier is at a fixed potential and that the output of each further Operational amplifier is connected to its inverting input via a diode.

2. Non-linear DC voltage amplifier according to claim 1, characterized in that the operational amplifiers are designed as integrated semiconductor circuits.

3. Non-linear DC voltage amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that that the circuit points connected to the inverting inputs of the further operational amplifiers of the resistor network are the taps of a series circuit of resistors.

4. Non-linear DC voltage amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that that connected to the inverting inputs of the other operational amplifiers The circuit points of the resistor network are the free ends of resistors, the other ends of which are connected to a common point.

5. Non-linear DC voltage amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the fixed potential at the non-inverting input of each of the further operational amplifiers can be adjusted for the purpose of equalization.

6. Non-linear DC voltage amplifier according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the resistor network in an integrated technique, for example Thick-film or thin-film technology is carried out.