DE2163441A1

DE2163441A1 - Gleichrichterschaltung

Info

Publication number: DE2163441A1
Application number: DE19712163441
Authority: DE
Inventors: Carl Leslie Holmdel; Saal Frederick Alan Colts Neck; N.J. Dammann (V.StA.). P
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-12-21
Filing date: 1971-12-21
Publication date: 1972-07-06
Also published as: SE365366B; US3660768A; NL154075B; FR2119468A5; NL7117197A; ES398599A1; JPS5219790B1; BE776861A; DE2163441C3; CA954938A; IT943309B; GB1303760A; JPS4713379A; DE2163441B2

Description

Western Electric Company Incorporated Dammann, C. L. 1-9

New York, N. Y. 10007, VStA Gleichrichterschaltung

Die Erfindung betrifft Gleichrichter schaltungen und insbesondere sogenannte Präzisionsgleichrichter mit Dioden-Widerstandsreihenschaltungen in zwei Rückkopplungswegen.

Im Gegensatz zu Leistungsgleichrichtern sollen Präzisionsgleichrichter ein genaues, gleichgerichtetes Abbild von Eingangs Signalen liefern. Ihr Einsatzort sind Signalverarbeitungsanlagen. Besonders vorteilhaft können sie in Codierstufen von PCM-Anlagen benutzt werden.

Eine typische Gleichrichterschaltung dieser Art ist im "Handbook of Operational Amplifiers Applications" der Applications Engineering Section of Burr-Brown Research Corporation, 1963, Seite 73 beschrieben. Die bekannte Gleichrichterschaltung erzeugt ein genaues, gleichgerichtetes Abbild der Eingangs spannung aber nur dann, wenn das Eingangssignal nicht plötzlich auf Null geschaltet wird. Tritt dieser Fall auf, so werden die Dioden-Widerstands-Rückkopplungswege geöffnet, was zur Folge hat, daß sich der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers erhöht, wodurch sich wiederum

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r, O mm

eine entsprechende Verringerung der Bandbreite des Verstärkers ergibt. Diese Verringerung der Bandbreite führt zu einem schlechten Impulsansprechen, das die Genauigkeit der Gleichrichtung beeinträchtigt. Frühere Versuche zur Behebung dieses Nachteils sahen eine Vorspannung der Rückkopplungsdioden in Durchlaßrichtung vor, um ihren maximalen Rückkopplungswiderstand zu begrenzen. Dadurch wird zwar verhindert, daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers auf einen Wert ansteigt, bei dem die Zeitkonstante ungünstig beeinflußt wird, aber es tritt dann eine Krümmung der Gleichrichterkennlinie mit entsprechenden Ungenauigkeiten für die Gleichrichtung auf.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Gleichrichterschaltungen mit verbesserter Genauigkeit und Bandbreite über den Gesamtbereich der Eingangs spannungen einschließlich von Signalen zu schaffen, deren Amplitude nahe Null liegt.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Gleichrichterschaltung mit einem Operationsverstärker, dessen Eingang über einen ersten Eingangswiderstand mit dem Eingang der Schaltung verbunden ist, mit einer ersten Rückkopplungsdiode, deren Anode mit einem Verstärkerausgang und der Kathode der zweiten Rückkopplungsdiode verbunden ist, mit

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qinem ersten und einem zweiten Rückkopplungswiderstand, die zwischen die Kathode der ersten Diode bzw. die Anode der zweiten Diode und den Verstärker eingang geschaltet sind, mit einem ersten Ausgangswiderstand zwischen dem Ausgang der Schaltung und dem Verbindungspunkt einer der Dioden mit dem zugeordneten Rückkopplungswiderstand und mit einem zweiten Ausgangswiderstand, der den Schaltungsausgang mit dem Schaltungseingang verbindet. Die Lösung ist gekennzeichnet durch einen dritten Rückkopplungswiderstand zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers, der dessen Verstärkung verringert, wenn die erste und zweite Diode nicht leiten, und durch Schaltmittel, die zwischen dem Verstärkerausgang und dem Ausgang der Schaltung liegen und einen hohen Widerstand darstellen, wenn das Signal am Schaltungseingang eine Polarität aufweist, und einen niedrigen Widerstand darstellen, wenn das Signal entgegengesetzte Polarität aufweist, wodurch Fehler im Ausgangs signal der Schaltung aufgrund des dritten Rückkopplungswiderstandes ausgeglichen werden.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel im Ausgangskreis einen weiteren Operationsverstärker umfassen, dessen Eingang über einen zweiten Eingangs wider stand mit dem Ausgang des ersten Operations-

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Verstärkers verbunden ist, ferner eine dritte Rückkopplungsdiode, deren Anode mit einem Ausgang des weiteren Verstärkers und der Kathode einer vierten Rückkopplungsdiode verbunden ist, einen vierten und einen fünften Rückkopplungswiderstand, die zwischen die Kathode der dritten Diode bzw. die Anode der vierten Diode und den Eingang des weiteren Operationsverstärkers geschaltet sind, einen dritten Ausgangswiderstand zwischen dem Ausgang der Schaltung und dem Verbindungspunkt der dritten oder vierten Diode mit dem zugeordneten Rückkopplungswiderstand, und einen vierten Ausgangswiderstand, der den Ausgang des ersten Verstärkers mit dem Schaltungsausgang verbindet.

Dabei kann vorgesehen sein, daß der erste Ausgangswiderstand zwischen den Ausgang der Schaltung und die Kathode der ersten Diode geschaltet ist und daß der dritte Ausgangswiderstand zwischen dem Ausgang der Schaltung und der Kathode der dritten Diode liegt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei·= spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 das Schaltbild eines bekannten Gleichrichters;

Fig. 2A, 2B, 2C und 2D Kennlinien für den Gleichrichter nach Fig. 1;

Fig. 3A und 3B den frequenzabhängigen Abfall der Kennlinie für den Gleichrichter nach Fig. 1;

Fig. 4A₃ 4B und 4C den Einfluß eines zusätzlichen Rückkopplungswiderstande s bei einem bekannten Gleichrichter;

Fig. 5 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 6 das Schaltbild für das Ausführungsbeispiel

nach Fig. 5 unter Verwendung eines bekannten Halbwellengleichrichters, der den Schalter und den Widerstand in Fig. 5 ersetzt;

Fig. 7 A, 7B und 7 C die Betriebskennlinien der Schaltung nach Fig. 6.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Gleichrichterschaltung mit einer
Eingangsklemme 15, die an dem Verbindungspunkt 11 liegt,
welcher über den Widerstand 21 (R₀₁) mit dem Verbindungspunkt am Eingang des Operationsverstärkers 20 gekoppelt ist.
Der Ausgang dey Operationsverstärkers 20 liegt am Verbindungspunkt 28, an den auch die Anode einer Diode 24 und die Kathode

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- ο

einer Diode 25 angeschlossen sind. Die Kathode der Diode 24 liegt an einem Verbindungspunkt 29, der über einen Widerstand 22 (R₀₀) mit dem Verbindungspunkt 12 verbunden ist. Die Anode der Diode 25 liegt über einen Widerstand 23 (R_o„) am Verbindungspunkt 12. Ein Widerstand 26 (R_o„) ist zwischen

26

den Verbindungspunkt 29 und den Ausgangsanschluß 13 der Schaltung gelegt. Ein Widerstand 10 (R ) koppelt den Verbindungspunkt 11 mit dem Ausgangsanschluß 13. Die Widerstände 10, 21 und 26 sind gleich groß; desgleichen die Widerstände 22 und 23. Der ..Widerstand 10 hat den halben Wert wie der Widerstand 22. Der in Fig. 1 gezeigte Gleichrichter wird als Codierstufe in einer PCM-Anlage benutzt. Daher ist der Ausgangsanschluß 13 mit dem Summierpunkt des Operationsverstärkers ι der nächsten Stufe verbunden.

Der über den Widerstand 10 fließende Strom I ist in Fig. 2A dargestellt. Fig. 2B zeigt den durch den Widerstand 26 fließenden Strom I . Bei positiver Eingangs spannung ist die Spannung E

2t xJ

am Verbindungspunkt 28 negativ, und die Diode 24 sperrt. Daher ist der Strom I immer dann Null, wenn die Eingangs spannung

2t

positiv ist. Wenn die Eingangs spannung negativ ist, wird die Spannung am Verbindungspunkt 29 positiv und folgt der Eingangsspannung entsprechend der Darstellung in Fig. 2B mit einem

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Gewinn von -2. Die Beiden Ströme I und I liefern dann in Kombination den in Fig. 2C dargestellten Ausgangs strom. Fig. 2D zeigt den Stromverlauf am Ausgang des Operationsverstärkers, wenn die Eingangs spannung in die Nähe von Null abfällt. Wie Fig. 2D zeigt, liegt der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers sehr hoch, wenn keine der Dioden 24 und 25 leitet. Nach dem leitentwerden der Dioden folgt die Ausgangs spannung des Operationsverstärkers der Eingangsspannung mit einem Gewinn von -2.

Fig. 3A stellt die Auswirkung dieser Verstärkungsänderung auf die Bandbreite des Operationsverstärkers dar. Bei leitenten Dioden arbeitet die Schaltungsanordnung mit einem Verstärkungsfaktor A für geschlossene Schleife von 6 dB. Die Zeit-

bekonstante des Operationsverstärkersfträgt in diesem Fall T Bei geöffneten Rückkopplungsschleifen nähern sich der Verstärkungsfaktor dem Wert A für offene Schleife und die Zeitkonstante dem Wert T für offene Schleife. Die Auswirkung auf den Gleichrichtungsvorgang zeigt Fig. 3B. Bei Annäherung der Ausgangsspannung des Verstärkers an Null geht die Zeitkonstante von T auf T über. Dies führt zu einer die Ungenauigkeit des Gleichrichtungsvorgangs wiedergebenden Rückflanke. Diese Ungenauigkeit bereitet dann Schwierigkeiten,

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wenn die Schaltungsanordnung als Codierstufe in PCM-Anlagen verwendet wird.

Zur Verringerung oder Beseitigung des Bandbreitenverlustes ist ein Rückkopplungswiderstand R _ (Fig. 5) zwischen die Ver-

Δ i

bindungspunkte 12 und 28 geschaltet. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers bei geöffneten Dioden-Widerstandsrückkopplungswegen auf einem Wert gehalten werden, der kleiner ist als der in Fig. 3A angegebene Wert. Der Einfluß dieses hinzugefügten Widerstandes zeigt sich bei einem Vergleich der Fig. 4A mit Fig. 2D. Der Verstärkungsfaktor oder Gewinn in demjenigen Bereich, in welchem das Eingangssignal nahe Null ist, hat sich beträchtlich verringert, wodurch der sich in Fig. 4B angegebene Strom I ergibt. Die Abrundung der Kurve wird durch die Diodenkennlinie verursacht und die Verschiebung nach links beruht auf der Verringerung des Verstärkungsfaktors für ein Signal mit einer im Bereish von Null liegenden Amplitude und dem über den Rückkopplungswiderstand vom Ausgang abgeleiteten Strom. Die Summierung der Ströme I und I am Ausgang ergibt die Kennlinie gemäß Fig.

X dt

4C. Diese Kennlinie zeigt den beträchtlichen Fehler im Ausgangsstrom des Gleichrichters. Der Fehler könnte teilweise durch eine Vorspannung auf den Punkt V verbessert werden,

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aber dieser Punkt hängt von der DiodenkennÜnie ab und ändert sich daher mit der Temperatur.

Die Verringerung oder Beseitigung des aufgezeigten Fehlers für den Ausgangsstrom wird nachfolgend in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben, wobei für Elemente gleicher Funktion die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet werden. Wie bereits erwähnt, verringert der Widerstand 27 den Verstärkungsfaktor der Schaltung dann, wenn die Dioden-Widerstandsrückkopplungswege geöffnet sind. Eine Möglichkeit zur Beseitigung des Fehlers im Ausgangsstrom besteht in der Einschaltung des Widerstandes 31 (R₀₁) und eines Schalters 40, der in Reihe zwischen dem Verbindungspunkt 28 und dem Ausgangsanschluß 13 liegt. Der Schalter 40 wirdgeschlossen, wenn die Spannungam Verbindungspunkt 28 größer als Null ist, und geöffnet, wenn sie kleiner als Null ist. Bei dieser Schaltungsanordnung sind folgende Widerstandsverhältnisse gegeben: ^R10 ^{= R}21 ^{s H}26^{; R}22 ^{= R}23^{J R}22 ^{β 2R}10^{; R}27 ⁼

R ^JyR . Diese Anordnung gewährleistet eine Präzisions-27 22

gleichrichtung ohne Bandbreitenverlust und mit einer Kompensation des durch den Widerstand 27 hervorgerufenen Fehlers im Ausgangs strom. Die Korrektur läßt sich darstellen, wenn man annimmt, daß der über den Widerstand 21 für eine Ein-

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gangs spannung -E. fließende Strom der den Wert I und der über den Rückkopplungswiderstand 27 abgeleitete Szrom den Wert ΔI hat. Da die in den Summierpunkt 12 eintretenden und aus ihm herausfließenden Ströme gleich sein müssen, beträgt der über den Widerstand 22 fließende Strom I- ZkI. Daher führt der durch die Widerstände 26 und 22 bestimmte Stromgewinn mit dem Wert Zwei für diese Schaltung zu einem über den Widerstand 26 zum" Ausgang fließenden Strom von 2(1 -£3). Der Fehlerstrom 2 Δ I wird dann am Ausgang durch Zuführen eines Stromes über einen Widerstand (Ro₁) ausgeglichen, der den halben Wert des Rückkopplungswiderstandes 27 hat.

Der Schalter 40 und der Widerstand 31 können aus einem weiteren Gleichrichter gebildet sein. Fig. 6 zeigt eine solche Anordnung.

Auch in Fig. 6 werden für diejenigen Elemente, die die gleiche Funktion wie in den Fig. 1 und 5 haben, die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zwischen dem Verbindungspunkt 28 und dem Ausgangsanschluß 13 liegt ein Widerstand 37 (R₀J. Außerdem ist ein Widerstand 31 in Reihe mit einem Halbwellengleichrichter des Gewinns Eins zwischen die Punkte 28 und 13 gelegt. Der Halbwellengleichrichter enthält einen Widerstand 36 (Rgg) der zwischen den Verbindungspunkt 28 und den Eingang eines

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Operationsverstärkers 30 geschaltet ist, dessen Ausgang mit der Anede einer Diode 34 und der Kathode einer Diode 35 verbunden ist. Die Kathode der Diode 34 ist über einen Widerstand 32 (R_q9) mit dem Eingang des Verstärkers 30 und über einen Widerstand 31 (R . mit dem Ausgangsanschluß 13 verbunden. Die Anode der Diode 35 liegt über einen Widerstand 33 (R.,.,) am Eingang des Verstärkers 30. Die Widerstandswerte verhalten sich hier wie folgt: R__ = R„_ = R„_; R,_ = R_Qr7 = 1/2R .

άΔ άά ob al οι 6l

Fig. 7 zeigt die Betriebsverhältnisse der Schaltungsanordnung nach Fig. 6. Der über den Widerstand 37 fließende Strom I'

ist in Fig. 7A dargestellt. Fig. 7B zeigt den über den Widerstand 31 fließenden Strom I". Fig. 7B läßt erkennen, daß, wenn

die Spannung am Verbindungspunkt 28 positiv ist, die Diode 34 öffnet und kein Strom I¹¹ vorhanden ist. Wenn dagegen die

3
Spannung am Verbindungspunkt 28 negativ ist, hängt der Strom

I¹ vom Widerstand 31 ab. Eine Kombination der Ströme I' und

O ö

I" führt zu dem in Fig. 7C angegebenen Strom I . Diese Arbeits-

<5 3

weise istidentisch mit dem Fall, daß der Schalter 40 in Fig. 5 offen ist, wenn die Spannung am Verbindungspunkt 28 kleiner als Null ist, und daß der Schalter geschlossen ist, wenn die Spannung größer als Null ist. Der Halbwellengleichrichter in Fig. 6 wird zwar von dem oben erwähnten Problem bezüglich

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des Impulsansprechens beeinflußt; da dies aber nur zu einem Fehler für den Korrekturstrom und nicht für das Gleichrichter-Hauptsignal führt, ist eine Vernachlässigung in den meistern Fällen zulässig.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1,1 Gleichrichterschaltung mit einem Operationsverstärker, dessen Eingang über einen ersten Eingangswiderstand mit dem Eingang der Schaltung verbunden ist, mit einer ersten Rückkopplungsdiode, deren Anode mit einem Verstärkerausgang und der Kathode einer zweiten Rückkopplungsdiode verbunden ist, mit einem ersten und einem zweiten Rückkopplungswiderstand, die zwischen die Kathode der ersten Diode bzw, die Anode der zweiten Diode und den Verstärkereingang geschaltet sind, mit einem ersten Ausgangswiderstand zwischen dem Ausgang der Schaltung und dem Verbindungspunkt einer der Dioden mit dem zugeordneten Rückkopplungswiderstand und mit einem zweiten Ausgangswiderstand, der den Schaltungsausgang mit dem Schaltungseingang verbindet, gekennzeichnet durch

einen dritten Rückkopplungswiderstand (27) zwischen dem Eingang (12) und dem Ausgang (28) des Verstärkers (20), der dessen Verstärkung verringert, wenn die erste und zweite Diode (24, 25) nicht leiten, und durch Schaltmittel (31, 40), die zwischen dem Verstärkerausgang (2 8) und dem Ausgang (13) der Schaltung liegen und einen hohen Widerstand darstellen, wenn das Signal am Sehaltungseingang

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(11) eine Polarität aufweist, und einen niedrigen Widerstand darstellt, wenn das Signal entgegengesetzte Polarität aufweist, wodurch Fehler im Ausgangs signal der Schaltung auf Grund des dritten Rückkopplungs wider Standes ausgeglichen werden.
2. Gleichrichter schaltung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß die Schaltmittel im Ausgangskreis einen weiteren Operationsverstärker (30) umfassen, dessen Eingang über einen zweiten Eingangs wider stand (36) mit dem Ausgang (28) des ersten Operationsverstärkers (20) verbunden ist, ferner eine dritte Rückkopplungsdiode (24), deren Anode mit einem Ausgang des weiteren Verstärkers und der Kathode einer vierten Rückkopplungsdiode (35) verbunden ist, einen vierten und einen fünften Rückkopplungswiderstand (32, 33), die zwischen die Kathode der dritten Diode bzw. die Anode der vierten Diode und den Eingang des weiteren Operationsverstärkers geschaltet sind,

einen dritten Ausgangs wider st and (31) zwischen dem Ausgang der Schaltung und dem Verbindungspunkt der dritten oder vierten Diode mit dem zugeordneten Rückkopplungswiderstand, und einen vierten Ausgangswiderstand (37), der den Ausgang (28) des ersten Verstärkers mit dem Schaltungsausgang verbindet.

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3. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgangswiderstand (26) zwischen den Schaltungsausgang und die Kathode der ersten Diode (24) geschaltet ist und daß der dritte Ausgangswiderstand zwischen dem Schaltungsausgang und der Kathode der dritten Diode (34) liegt.
4. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Rückkopplungswiderstand einen wesentlich größeren Wert als der erste Rückkopplungswiderstand (22) besitzt.
5. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingangs wider stand (21), der erste Ausgangswiderstand (26) und der zweite Ausgangswiderstand (10) im wesentlichen den gleichen We rt haben.
6. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Rückkopplungswiderstand (22, 23) im wesentlichen den gleichen Wert besitzen und im wesentlichen gleich dem doppelten We rt der ersten Eingangswiderstandes (21) sind.

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7. Gleichrichterschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Eingangswiderstand und der vierte und fünfte Rückkopplungswiderstand im weeentlichen den gleichen Wert haben.
8. Gleichrichters chaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und vierte Ausgangswiderstand im wesentlichen den gleichen Wert besitzen und im wesentlichen gleich dem halben Wert des dritten Rückkopplungswiderstandes sind.

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