DE2163441C3 - Gleichrichterschaltungsanordnung mit einem Operationsverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichrichterschaltungsanordnung mit einem Operationsverstärker, dessen Eingang über iinen ersten Eingangswiderstand mit dem Eingang der Schaltungsanordnung verbunden ist, mit einer ersten Rückkopplungsdiode, deren Anode

mit einem Operationsverstärkerausgang und der Kathode einer zweiten Rückkopplungsdiode verbunden ist, mit einem ersten und einem zweiten Rückkopplungswiderstand, die zwischen die Kathode der ersten Rückkopplungsdiode bzw. die Anode der zweiten Rückkopplungsdiode und den Operationsverstärkereingang geschaltet sind, mit einem ersten Ausgangswiderstand zwischen dem Ausgang der Schaltungsanordnung und dem Verbindungspunkt einer der Rückkopplungsdioden mit dem zugeordneten Rücfckopplungswider- stand und mit einem zweiten Ausgangswiderstand, der den Schaltungsausgang mit dem Schaltungseingang verbindet

Ein solcher sogenannter Präzisionsgleichrichter mit Dioden-Widerstandsreihenschaltungen in zwei Rück kopplungswegen ist bekannt (»Handbook of Operatio nal Amplifiers Applications« der Applications Engineering Section of Burr-Brown Research Corporation, 1963, Seite 73). Im Gegensatz zu Leistungsgleichrichtern sollen Präzisionsgleichrichter ein genaues, gleichgerichtetes Abbild von Eingangssignalen liefern. Ihr Einsatzort sind Signalverarbeitungsanlagen. Besonders vorteilhaft können sie in Codierstufen von PCM-Anlagen (Impulscodemodulations-Anlagen) benutzt werden.

Die bekannte Gleichrichterschaltungsanordnung er· zeugt ein genaues, gleichgerichtetes Abbild der Eingangsspannung 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 eine entsprechende Verringerung der Bandbreite des Operationsverstärkers ergibt. Diese Verringerung der Bandbreite führt zu einem schlechten Impulsansprechen, das die Genauigkeit der Gleichrichtung beeinträchtigt. Bei einer bekannten Anordnung (US-Patentschrift 31 87 325) ist zur Behebung dieses Nachteils eine Vorspannung der

Rflokkopplungsdioden in Durchlaßrichtung vorgesehen, um ihren maximalen Rüekkopplungswiderstand 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 mif entsprechenden Ungenauigkeiten für die Gleichrichtung auf.

In Verbindung mit Rechenschaltungen für elektronische Analogrechner zur Nachbildung von physikali- ι ο sehen Systemen ist es bekannt (»W. Soroka, Analog Methods In Computation And Simultation, London 1954, Seiten 191 bis 210«), bestimmte Kennlinien mit Hilfe von rückgekoppelten Operationsverstärkern zu erzeugen. In einem Fall (Fig.6.10(f)) liegt dabei im is Rückkopplungszweig parallel zu zwei Rückkopplungswegen mit entgegengesetzt gepolten und vorgespannten Dioden ein Widerstand, der für eine bestimmte Steigung der Kennlinie im Bereich des Null-Punktes sorgt Eine Gleichrichtung wird mit der bekannten Schaltung nicht erzielt

Der Erfindung liegt die Aufgabe- zugrunde, eine Gleichrichterschaltungsanordnung der eingangs genannten Art mit verbesserter Genauigkeit und Bandbreite über den Gesamtbereich der Eingangsspannun- 2s gen einschließlich von Signalen zu schaffen, deren Amplitude nahe Null liegt

Diese Aufgabe wird mit einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch einen dritten Rückkopplungswiderstand zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers, der dessen Verstärkung verringert, wenn die erste und die zweite Rückkopplungsdiode nicht leiten, und durch Schaltungsmittel, die zwischen dem Operationsverstärkerausgang und dem Ausgang der Schaltungsan- Ordnung liegen und einen hohen Widerstand darstellen, wenn das Signal am Schaltungseingang eine der beiden Polaritäten aufweist, und einen niedrigen Widerstand darstellen, wenn das Signal die entgegengesetzte Polarität aufreist.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Schaltungsmittel im Ausgangskreis einen weiteren Operationsverstärker umfassen, dessen Eingang über einen zweiten Eingangswiderstand mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist und dessen Ausgang einerseits über eine dritte Rückkopplungsdiode und einen vierten Rückkopplungswiderstand und andererseits über eine vierte Rückkopplungsdiode und einen fünften Rückkopplungswiderstand mit dem Eingang des weiteren Operationsverstärkers so verbunden ist, wobei die Anode der dritten Rückkopplungsdiode t<nd die Kathode der vierten Rückkopplungsdiode mit dem Ausgang des weiteren Operationsverstärkers verbunden sind, und daß ein dritter Ausgangswiderstaflö zwischen dem Ausgang der Schaltungsanordnung und dem Verbindungspunkt der dritten oder der vierten Rückkopplungsdiode mit dem zugeordneten Rückkopplungswiderstand und ein vier* ter Ausgangswiderstand vorgesehen sind, der den Ausgang des erste» Operationsverstärkers mit dem Schaltungsausgang verbindet.

Dabei kann vorgesehen sein, daß der erste Ausgangswiderstand zwischen den Schaltungsausgang und die Kathode der ersten Rückkopplungsdiode geschaltet ist und daß der dritte Ausgangswiderstand zwischen dem Schaltungsausgang und der Kathode der dritten Rückkopplungsdiode liegf.

An Hand zweier Ausführungsbeispiele sei die Erfindung näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 das Schaltbild eines bekannten Gleichrichters,

Fig.2A, 2B, 2C und 2D Kennlinien für den Gleichrichter nach F i g, 1,

F i g. 3A und 3B den frequenzabhängigen Abfall der Kennlinie für den Gleichrichter nach Fig, I,

Fig.4A, 4B und 4C den Einfluß eines zusätzlichen Rückkopplungswiderstandes bei einem bekannten Gleichrichter,

F i g. 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 dritten Ausgangswiderstand in F i g. 5 ersetzt,

Fig.7A, 7B und 7C die Betriebskennlinien der Schaltungsanordnung nach F i g. 6.

F i g. 1 zeigt eine bekannte Gleichrichterschaltungsanordnung mit einer Eingangsklemme 15, die an einem Verbindungspunkt 11 liegt, welcher über einen Eingangswiderstand 21 (R21) mit einem VSirbindungspunkt 12 am Eingang eines Operationsverstärkers 20 gekoppelt ist Der Ausgang des Operationsverstärkers 20 liegt an einem Verbindungspunkt 28, an den auch die Anode einer ersten Rückkopplungsdiode 24 und die Kathode einer zweiten Rückkopplungsdiode 25 angeschlossen sind. Die Kathode der ersten Rückkopplungsdiode 24 liegt an einem Verbindungspunkt 29, der über einen ersten Rückkopplungswiderstand 22 (R22) mit dem Verbindungspunkt 12 verbunden ist Die Anode der zweiten Rückkopplungsdiode 25 liegt über einen zweiten Rückkopplungswiderstand 23 (Rji) am Verbindungspunkt 12. Ein erster Ausgangswiderstand 26 (R») ist zwischen den Verbindungspunkt 29 und den Ausgangsanschluß 13 der Schaltungsanordnung gelegt. Ein zweiter Ausgangswiderstand 10 (R\ä) koppelt den Verbindungspunkt 11 mit dem Ausgangsanschluß 13. Die Widerstände 10, 21 und 26 sind gleich «roß; 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 einem nicht bezeichneten Summierpunkt des Operationsverstärkers der nächsten Stufe verbunden.

Ein über den zweiten Ausgangswiderstand 10 fließender Strom I\ ist in Fig.2A dargestellt Fig.2B zeigt einen durch den ersten Ausgangswiderstand 26 fließenden Strom /2. Bei positiver Eingangsspannung ist die Spannung Ed am Verbindungspunkt 28 negativ, und die erste Rückkopplungsdiode 24 sperrt. Daher ist der Strom /₂ immer dann NuIi, wenn die Eingangsspannung positiv ist Wenn die Eingangsspannung negativ ist, wird die Spannung am Verbindungspunkt 28 positiv und folgt der Eingangsspannung entsprechend der Darstellung in Fig.2B mit einem Verstärkungsfaktor von -2. Die beiden Ströme h und k liefern dann in Kombination den in F i g. 2C dargestellten Ausgangsstrom. F i g, 2D zeigt den Stromverlauf zm Ausgang des Operationsverstärkers 20, wenn die Eingangsspannung in die Nähe von Null abfällt. Wie F i g. 2D zeigt, liegt der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 20 sehr hooh, wenn keine der Rückkopplungsdioden 24 und 25 leitet. Nach dem Leitendwerden der Rückkopplungsdioden folgt die Ausgangsspannung d.-s Operationsverstärkers der Eingangsspannung mit einem Verstärkungsfaktor von —2. In Fig.2D ist der Durchlaßspannungsabfall der Rückkopplungsdioden 24,25 mit Vi bezeichnet.

F i g. 3A stellt die Auswirkung dieser Verstärkungsänderung auf die Bandbreite des Operationsverstärkers dar. Bei leitenden Rückkopplungsdioden 24, 25 arbeitet die Schaltungsanordnung mit einem Verstärkungsfaktor Act für geschlossene Schleife von 6 dB. Die Zeitkonstante des Operationsverstärkers beträgt in diesem Fall Ta- Bei geöffneten, d. h. unterbrochenen Rückkopplungsschleifen, wenn also die Rückkopplungsdioden 24, 25 nicht leiten, nähern sich der Verstärkungsfaktor dem Wert Ao\ für offene Schleife und die Zeitkonstante dem Wert To ι für offene Schleife. Die Auswirkung auf den Gleichrichtungsvorgang zeigt F i g. 3B. Bei Annäherung der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers an Null geht die Zeitkonstante von Tc ι auf To\ über. Dies führt zu einer die Ungenauigkeit des Gleichrichtungsvorgangs wiedergebenden RUckflanke. Diese Ungenauigkeit bereitet dann Schwierigkeiten, wenn die .^rhfljtijnffcnnorrlniincr ale Cod!?rstufc !Π PCM-AnIH⁰^H verwendet wird.

Zur Verringerung bzw. Beseitigung des Bandbreitenverlustes ist ein dritter Rückkopplungswiderstand Λ27 — wie in Fig.5 dargestellt — zwischen die Verbindungspunkte 12 und 28 geschaltet. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers bei geöffneten Dioden-Widerstandsrückkopplungswegen auf einem Wert gehalten wird, der kleiner ist als der in Fig. 3A angegebene Wert. Der Einfluß dieses hinzugefügten dritten Rückkopplungswiderstandes 27 zeigt sich bei einem Vergleich der Fig. 4A mit Fig. 2D. Der Verstärkungsfaktor in demjenigen Bereich, in welchem das Eingangssignal nahe Null ist, hat sich beträchtlich verringert, wodurch sich der in Fig.4B angegebene Strom /2 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 Bereich von Null liegenden Amplitude und dem über den Rückkopplungswiderstand 27 vom Ausgang abgeleiteten Strom. Die Summierung der Ströme /1 und h am Ausgang ergibt die Kennlinie gemäß Fig.4C. Diese Kennlinie zeigt den Detracntiicnen henier im Ausgangsstrom des Oieictirichters. Der Fehler könnte teilweise durch eine Vorspannung auf den Punkt VVh verbessert werden, aber dieser Punkt hängt von der Diodenkennlinie 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 Schaltungselemente gleicher Funktion die gleichen Bezugsziffern wie in Flg. 1 verwendet werden. Wie bereits erwähnt, verringert der dritte Rückkopplungswiderstand 27 den Verstärkungsfaktor der Schaltungsanordnung dann, wenn die Dioden-Widerstandsrückkopplungswege geöffnet sind. Eine Möglichkeit zur Beseitigung des Fehlers im Ausgangsstrom besteht in der Einschaltung eines dritten Ausgangswiderstandes 31 (Ru) und eines Schalters 40, der in Reihe zwischen dem Verbindungspunkt 28 und dem Ausgangsanschluß 13 liegt Der Schalter 40 wird geschlossen, wenn die Spannung am Verbindungspunkt 28 größer als Null ist, und geöffnet, wenn sie kleiner als Null ist Bei dieser Schaltungsanordnung sind folgende Widerstandsverhältnisse gegeben: Äjo = Rn = Rx; Rn = R23; Rn = 2/?H>; Rzi = 2R_3i; Rn>Rn- Diese Anordnung gewährleistet eine Präzisionsgleichrichtung ohne Bandbreitenverlust und mit einer Kompensation des durch den dritten Rückkopplungswiderstand 27 hervorgerufenen Fehlers im Ausgangsstrom. Die Korrektur läßt sich darstellen, wenn man annimmt, daß der über den ersten Eingangswiderstand 21 für eine Eingangsspannung E_1n fließende Strom den Wert / und der über den dritten Ruckkopplungswiderstand 27 abgeleitete Strom den Wert Al hat. Da die in den Summierpunkt 12 eintretenden und aus ihm herausfließenden Ströme gleich sein müssen, beträgt der über den ersten Rückkopplungswiderstand 22 fließende Strom Ι—ΔΙ. 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—ΔΙ). Der Fehlerstrom 2zl/wird dann am Ausgang durch Zuführen eines Stromes über den dritten Ausgangswiderstand 31 (Ru) ausgeglichen, der den halben Wert des dritten

Der Schalter 40 und der dritte Ausgangswiderstand 31 können aus einer weiteren Gleichrichterschaltung gebildet sein. F i g. 6 zeigt eine solche Anordnung.

Auch in Fig.6 werden für diejenigen Schaltungselemente, die die gleiche Funktion wie in den F i g. 1 u.id 5 haben, die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zwischen dem Verbindungspunkt 28 und dem Ausgangsanschluß 13 liegt ein vierter Ausgangswiderstand 37 (Rn). Außerd'Ti ist der dritte Ausgangswiderstand 31 in Reihe mit einem Halbwellengleichrichter des Verstärkungsfaktors Eins zwischen die Punkte 28 und 13 gelegt.

Der Halbwellengleichrichter enihält einen zweiten Eingangswiderstand 36 (Rx), der zwischen den Verbindungspunkt 28 und den Eingang eines Operationsverstärkers 30 geschaltet ist, dessen Ausgang mit der Anode einer dritten Rückkopplungsdiode 34 und der Kathode einer vierten Rückkopplungsdiode 35 verbunden ist. Die Kathode der Rückkopplungsdiode 34 ist über einen vierten Rückkopplungswiderstand 32 (Rn) mit dem Eingang des Operationsverstärkers 30 und über den dritten Ausgangswiderstand 31 (R>\) mit dem Ausgangsanschluß 13 verbunden. Die Anode der Rückkopplungsdiode 35 liegt über einen fünften Rückkopplungswiderstand 33 (Rv) am Eingang des Operationsverstärkers 30. Die Widerstandswerte verhalten sich hier wie folgt: Λ32 = Ru = R*,; /?37 = /?3| = l/2/?27.

F i g. 7 zeigt die Betriebsverhältnisse der Schaltungsanordnung nach F i g. 6. Der über den vierten Ausgangswiderstand 37 fließende Strom /'3 ist in Fig. 7A dargestellt. Fig. 7B zeigt den über den dritten Ausgangswiderstand 31 fließenden Strom /"3. F*. 7B läßt erkennen, daß, wenn die Spannung am Verbindungspunkt 28 positiv ist, die Rückkopplungsdiode 34 öffnet und kein Strom /"3 vorhanden ist Wenn dagegen die Spannung am Verbindungspunkt 28 negativ ist, hängt der Strom /"3 vom dritten Ausgangswiderstand 31 ab. Eine Kombination der Ströme /'3 und /"3 führt zu dem in F i g. 7C angegebenen Strom /3. Diese Arbeitsweise ist identisch mit dem Fall, daß der Schalter 40 in F i g. 5 offen ist, wenn die Spannung am Verbindungspunkt 28 kleiner als Null ist und daß der Schalter 40 geschlossen ist wenn die Spannung größer als Null ist Der Halbwellengleichrichter in Fig.6 wird zwar von dem obenerwähnten Problem bezüglich des Impulsansprechens beeinflußt; da dies aber nur zu einem Fehler für den Korrekturstrom und nicht für das Gieichrichter-Hauptsignal führt ist eine Vernachlässigung in den meisten Fällen zulässig.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. Gleichrichterschaltungsanordnung mit einem Operationsverstärker, dessen Eingang ober einen ersten Eingangswiderstand mit dem Eingang der Schaltungsanordnung verbunden ist, mit einer ersten Rückkopplungsdiode, deren Anode mit dem Operationsverstärkerausgang und der Kathode einer zweiten Rückkopplungsdiode verbunden ist, mit einem ersten und einem zweiten Rückkopplungswiderstand, die zwischen die Kathode der ersten RQckkopplungsdiode bzw. die Anode der zweiten Rückkopplungsdiode und den Operationsverstärkereingang geschaltet sind, mit einem ersten Ausgangswiderstand zwischen dem Ausgang- der Schaltungsanordnung und dem Verbindungspunkt einer der Rückkopplungsdioden 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 Operationsverstärkers (20), der dessen Verstärkung verringert, wenn die erste und die zweite Rückkopplungsdiode (24; 25) nicht leiten, und durch Schaltungsmittel (31; 40), die zwischen dem Operationsverstärkerausgang (28) und dem Ausgang (13) der Schaltungsanordnung liegen und einen hohen Widerstand darstellen, wenn das Signal am Schaltungseingang (11) eine der beiden Polaritäten aufweist, und einen niedrigen Widerstand darstellen, wenn üus Signal die entgegengesetzte Polarität aufweint.

2. Gleichrichterschaltungsano. jnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmittel, die zwischen dem Operationsverstärkerausgang (28) und dem Ausgang (13) der Schaltungsanordnung liegen, einen weiteren Operationsverstärker (30) umfassen, dessen Eingang über einen zweiten Eingangswiderstand (36) mit dem Ausgang (28) des ersten Operationsverstärkers (20) verbunden ist, und dessen Ausgang einerseits über eine dritte Ruckkopplungsdiode (34) und einen vierten Rückkopplungswiderstand (32) und andererseits über eine vierte Rückkopplungsdiode (35) und einen fünften Rückkopplungswiderstand (33) mit dem Eingang des weiteren Operationsverstärkers (30) verbunden ist, wobei die Anode der dritten Rückkopplungsdiode (34) und die Kathode der vierten Rückkopplungsdiode mit dem Ausgang des weiteren Operationsverstärkers (30) verbunden sind, und daß ein dritter Ausgangswiderstand (31) zwischen dem Ausgang (13) der Schaltungsanordnung und dem Verbindungspunkt der dritten oder der vierten Rückkopplungsdiode (34; 35) mit dem zugeordneten Rückkopplungswiderstand (32; 33) und ein vierter Ausgangswiderstand (37) vorgesehen sind, der den Ausgang (28) des ersten Operationsverstärkers (20) mit dem Schaltungsausgang (13) verbindet (F ig. 6).

3. Gleichrichterschaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgangswiderstand (26) zwischen den Schaltungsausgang und die Kathode der ersten Rückkopplungsdiode (24) geschaltet ist und daß der dritte Ausgangswiderstand (31) zwischen dem Schaltungsausgang und der Kathode der dritten Rückkopp lungsdiode (34) Hegt,

4, Gleichrichterschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, d»ß der dritte Rückkopplungswiderstand (27) einen wesentlich größeren Wert als der erste Rückkopplungswiderstand (22) besitzt, daß der erste Eingangswiderstand (21), der erste Ausgangswiderstand (26) und der zweite Ausgangswiderstand (10) im wesentlichen den gleichen Wert haben, daß der erste uiid der

ίο zweite Rückkopplungswiderstand (22, 23) im wesentlichen den gleichen Wert besitzen, der im wesentlichen gleich dem doppelten Wert des ersten Eingangswiderstandes (21) ist, daß der zweite Eingangswiderstand (36) und der vierte und der

fünfte Rückkopplungswiderstand (32; 33) im wesentlichen den gleichen Wert haben, und daß der dritte und vierte Ausgangswiderstand (31; 37) im wesentlichen den gleichen Wert besitzen, der im wesentlichen gleich dem halben Wert des dritten Rückkopp-

lungswiderstandes (27) ist