DE2163749A1 - Analoge nichtlineare schaltungsanordnung hoher temperaturkonstanz - Google Patents

Analoge nichtlineare schaltungsanordnung hoher temperaturkonstanz

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DE2163749A1 DE19712163749 DE2163749A DE2163749A1 DE 2163749 A1 DE2163749 A1 DE 2163749A1 DE 19712163749 DE19712163749 DE 19712163749 DE 2163749 A DE2163749 A DE 2163749A DE 2163749 A1 DE2163749 A1 DE 2163749A1
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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06GANALOGUE COMPUTERS
    • G06G7/00Devices in which the computing operation is performed by varying electric or magnetic quantities
    • G06G7/12Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers
    • G06G7/24Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for evaluating logarithmic or exponential functions, e.g. hyperbolic functions

Description

  • "Analoge nichtlineare Schaltungsanordnung hoher Temperaturkonstanz" Die Erfindung betrifft eine analoge nichtlineare Schaltungsanordnung bestehend aus einem oder mehreren nichtlinearen Bauelementen und sonstigen-für die Wirkungsweise der Schaltung erforderlichen Bauteilen.
  • Eine derartige Teilschaltung weist ein logarithmisches Übertragungsverhalten auf. Das Übertragungsverhalten ergibt sich zu KT Ue Ua = q # ln q R # io q = Ladung eines Elektron K = Bpltzmann-Konstante T = -absolute Kristall-Temperatur 1o = Proportionalitätsfaktor, der sich aus den Transistordaten ergibt.
  • Aus der Formel-geht hervor, daß die absolute Temperatur des Transistorkristalls linear in das Übertragungsverhältnis eingeht. Auch der Proportionalitätsfaktor i ist ebenfalls 0 temperaturabhängig. Um die Teilschaltung auch bei variablen Umgebungstemperaturen, zum Beispiel - 55 0C- bis + 125 0C verwenden zu können, ist es bekannt, die Bauelemente mit einer externen Heiz- und Temperaturregeleinrichtung zu versehen.
  • Jedoch ist dann bis zur Betriebsbereitschaft der Schaltung eine längere Erwärmungszeit der Bauelemente erforderlich.
  • Auch ist es bekannt, einen sogenannten geheizten Transistor, d.h. einen mit einer Heizung und einer Temperaturregeleinrichtung in einem Gehäuse untergebrachten Transistor, zu verwenden und diesen auf mehr als die maximale Umgebungstemperatur aufzuheizen. Damit läßt sich bei einer Umgebungstemperaturschwankung- von - 550C bis + 1250C und einer Solltemperatur von z.B. 400 oK eine Temperaturkonstanz von etwa + 20K entsprechend + 0,5% erzielen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung mit nichtlinearer Kennliniencharakteristik die Temperaturkonstanz über einen weiten Umgebungstemperaturbereich zu verbessern, Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Temperatureinflüsse des oder der nichtlinearen Bauelemente dadurch eliminiert sind, daß der Eingang der Schaltung mit einem konstanten Referenzsignal gespeist und das Ausgangssignal mit einer konstanten Größe derart verglichen ist, daß die Abweichungen --beider Größen die Texperatur des oder der nichtlinearen Bauelemente über eine oder mehrere Temperaturregeleinrichtungen konstant halten und daß außerdem das oder die temperaturkonstant gehaltenen nichtlinearen Bauteile oder ein oder mehrere gleiche in unmittelbarer Nachbarschaft auf gleicher konstanter Temperatur. befindlic.he Bauteile der nichtlinearen Charateristik zu unterwerfende Nutzsignale übertragen.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Schaltungsanordnung sehr schnell betriebsbereit ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Schaltung praktisch von der Umgebungstemperatur unabhängig ist. Dies gilt nicht nur für Schaf tungen mit logarithmischen Kennlinien, sondern auch für Schaltungen, deren Kennlinien eine Exponential-Charakteristik oder eine ähnliche Charakteristik -4-weisen, In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zwei jeweils mit einem Operationsverstärker ausgerüstete Teilschaltungen vorgesehen sind, wobei ein Eingang jedes Operationsverstärkers geerdet, der andere Eingang über einen Vorwiderstand mit der Eingangsspannungsquelle e.lektrisci leitend verbunden, am Ausgang jedes Operationsverstärkers die Ausgangsspannung der Teilschaltung abgreifbar und im Rückführungszweig jedes Operationsverstärkers ein Transistor angeordnet ist, dessen Temperatur mit Hilfe einer Temperaturregeleinrichtung regulierbar ist. Eine Teilschaltung dient als-Autzsignalzweig, wä}.Wend die andere als mit einer konstanten' Eingangsgröße gespeister Referenzzweig vorgesehen ist. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, durch die die Ausgangsspannung des Referenzzweiges ständig mit einer konstanten Spannung vergleichbar, bei Abweichungen der verglichenen Spannungen voneinander der Regelkreis des auf heizbaren Transistors des Referenzzweiges beeinflußbar, die auftretende Abweichung ausgleichbar und der Transistor im Signalzweig auf konstanter Temperatur haltbar ist.
  • Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, daß die Transistoren beider Teilschaltungen auf einem Kristall angeordnet sind.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das oder die temperaturkonstant gehaltenen nichtlinearen Bauteile mit Hilfe einer oder mehrerer Umschalteinrichtungen zeitlich nacheinander das Referenzsignal und das Nutzsignal verarbeiten.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Figur 1 eine Schaltungsanordnung mit zwei gleichen Teilschaltungen, und Figur 2 eine Schaltungsanordnung mit einer Umschalteinrichtung.
  • In Figur 1 weist ein Nutzsignalzweig 1 einen Operationsverstärker 2 auf, dessen Eingang 3 geerdet und dessen Eingang 4 über einen Vorwiderstand 5 mit einer Eingangsspannungsquelle 6 elektrisch leitend verbunden ist. Der Ausgang 7 des Verstärkers 2 ist über eine elektrische Leitung 8 mit dem Ausgang 9 der gesamten Schaltungsanordnung verbunden. In den Rückführungszweig des Verstärkers 2 ist ein Transistor 10 geschaltet, dessen Basis geerdet, dessen Emitter an die Leitung 8 und dessen Kollektor an die Verbindungsleitung geschaltet ist, die den Eingang 4 des Operationsverstärkers 2 mit dem Widerstand 5 verbindet.
  • Der Transistor 10 ist auf einem zeichnerisch nicht dargestellten Kristall angeordnet, auf dem sich noch ein zweiter Transistor 11 befindet. Es ist auch möglich, zwei Transistoren, die jeweils einen eigenen Kristall aufweisen, dicht benachbart anzuordnen.
  • Der Transistor 11 liegt in der Rückführung eines Operationsverstärkers 12 des Referenzzweiges 13. Ein Eingang 14 des Verstärkers 12 ist geerdet, während der zweite Eingang 15 über einen Widerstand 16 an eine Spannungsquelle 17 angeschlossen ist, die eine konstante Referenzspannung liefert. Der Ausgang 18 des Verstärkers 12 ist über einen Widerstand 19 an einem Eingang 20 eines weiteren Operationsverstärkers 21 angeschlossen, dessen zweiter Eingang 22 am Nullpotential liegt. Der Ausgang 23 des Verstärkers 21 ist mit einer internen Temperaturregelein richtung 24 elektrisch leitend verbunden, die zur Erzeugung einer konstanten Temperatur der Transistoren 10 und 11 dient.
  • Parallel zum Verstärker 12 und den Widerständen 16 und 19 ist ein Widerstand 25 und parallel zum Verstärker 21 ein Widerstand 26 angeordnet.
  • Die Ausgangsspannung des Referenzkreires 13, der mit einer konstanten Referenzspannung URef gespeist wird, wird mit einer konstanten Spannung verglichen. Bei Abweichungen der beiden Vergleichsspannungen voneinander wird der interne Regelkreis 24 des geheizten Transistors 11 von dem durch den Verstärker 21 und dessen Beschaltungswiderstände außen überlagerten Regelkreis so beeinflußt, daß die Vergleichsspannungen gleiche Spannungswerte aufweisen. Auf diese Weise wird der Transistor 10 des Signalzweigs 1, der sich mit dem Traonsistor 11 des Referenzkreises 13 auf dem gleichen Kristall befindet, auf konstanter Temperatur gehalten. Die Temperaturgenauigkeit der Schaltungsanordnung läßt sich gegenüber einem einzelnen geheizten Transistor um etwa eine Zehnerpotenz steigern.
  • Anstelle der Transistoren 10 und 11 können auch andere nichtlineare Bauelemente, wie z.B. Fotodiode oder dergleichen, verwendet werden. Es sind dann jedoch spezielle auf derartige Bauelemente zurückzuführende schaltungstechnische Maßnahmen zu beachten.
  • Die in Figur 2 dargestellte Schaltung besteht aus einem Operationsverstärker 12, dessen Eingang 15 über einen Vorwiderstand 16 elektrisch leitend mit einer Umschalteinrichtung 30 verbunden ist. Der andere Eingang 14 des Operationsverstärkers ist geerdet. Im Rückführungszweig des Operationsverstärkers 12 befindet sich der-Transistor 11, dessen Basis geerdet, dessen Kollektor am Eingang 15 und dessen Emitter am Ausgang 18 des Operationsverstärkers angeschlossen ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist elektrisch leitend mit einer Umschaltvorrichtung 31 verbunden.
  • Die Teilschaltung 13 ist in der unteren Stellung der Umschalteinrichtungen 30 und 31 an den Signaleingang 6 und über das Filter 28 an den Signalausgang 9 geschaltet und wird zur Übertragung des Nutzsignals verwendet.
  • In der oberen Stellung der Umschalteinrichtungen ist die Teilschaltung 13 an die Referenzspannung URef ateschlossen.
  • Die Spannung an ihrem Ausgang wird dann über das Filter 29 und den Widerstand 19 dem Eingang 20 des Operationsverstärkers 21 zugeführt. Der Eingang 20 ist ebenfalls über den Widerstand 25 mit der Referenzspannungsquelle 17 und über den Widerstand 26 elektrisch leitend mit dem Ausgang 23 des Operationsverstärkers 21 verbunden. Der Eingang 22 dieses Verstärkers ist geerdet.
  • In der oberen Stellung der Umschalteinrichtungen 30 und 31 wird die Ausgangsspannung der Teilschaltung 13 mit einer konstanten Spannung verglichen. Bei Abweichung wird der interne Regelkreis 24 des Transistors 11 von--dem außen überlagerten Regelkreis so beeinflußt, daß die beiden verglichenen Spannungen wieder gleiche Werte aufweisen. Auf diese Weise wird der Transistor 11 auf konstanter Temperatur gehalten.
  • Die Teilschaltung 13 wird in diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe der hier nur schematisch dargestellten Schalteinrichtungen 30 und 31, die über den ebenfalls nur schematisch dargestellten Taktgeber 27 synchron gesteuert werden, abwechselnd von der Aufgabe der Nutzsignalübertragung zur Aufgabe der Temperaturkorrektur des Transistors hin- und hergeschaltet. Die für jede Funktion entstehenden zeitlichen Pausen werden mit Hilfe der ebenfalls nur schematisch dargestellten Filter 28 und 29 über brückt.
  • 7 Seiten Beschreibung 4 Patentansprüche 2 Bl. Zeichnungen mit 2 Figuren

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE f ) Analoge nichtlineare Schaltungsanordnung, bestehend aus einem oder mehreren nichtlinearen Bauelementen und sonstigen für die Wirkungsweise der Schaltung erforderlichen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatureinflüsse des oder der nichtlinearen Bauelemente (10, 11) dadurch eliminiert sind, daß der Eingang (17) der Schaltung (13) mit einem konstanten Referenzsignal (URef) gespeist und das Ausgangssignal mit einer konstanten Größe derart verglichen ist, daß die Abweichungen beider Größen die Temperatur des oder der nichtlinearen Bauelemente (10, 11) über eine oder mehrere Temperaturregeleinrichtungen (24) konstant halten und daß außerdem das oder die temperaturkonstant gehaltenen nichtlinearen Bauteile oder ein oder mehrere gleiche in unmittelbarer Nachbarschaft auf gleicher konstanter Temperatur befindliche Bauteile (10, 11) der nichtlinearen Charakteristik zu unterwerfende Nutzsignale übertragen.
  2. 2.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei jeweils mit einem Operationsverstärker (2, 12) ausgerüstete Teilschaltungen (1, 13) vorgesehen sind, wobei ein Eingang (3, 14) jedes Operationsverstärkers (2, 12) geerdet, der andere Eingang (4, 15) über einen Vorwiderstand (5, i6) mit der Eingangsspannungsquelle (URef, Ue) elektrisch leitend verbunden, am Ausgang (7, 18) jedes Operationsverstärkers (2, 12) die Ausgangsspannung der Teilschaltung (1, 13) abgreifbar und im Rückführungszweig jedes Operationsverstärkers (2, 12) ein Transistor (10, 11) angeordnet ist, dessen Temperatur mit Hilfe einer Temperaturregeleinrichtung (24) regulierbar ist, daß eine Teilschaltung als Nutzsignalzweig (1) und die andere als mit einer konstanten Eingangsgröße (URef) gespeister Referenzzweig (13) dient und daß Mittel vorgesehen sind, durch die die Ausgangsspannung des Referenzzweiges (13) ständig mit einer konstanten Spannung vergleichbar, bei Abweichungen der verglichenen Spannungen voneinander der Regelkreis (24) des aufheizbaren Transistors (11) des Referenzzweiges (13) beeinflußbar, die auftretende Abweichung ausgleichbar und der Transistor (10) im Signalzweig (i) auf konstanter Temperatur haltbar ist.
  3. 3.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (10, 11) beider Teilschaltungen (1, 13) auf einem Kristall angeordnet sind.
  4. 4.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die temperaturkonstant gehaltenen nichtlinearen Bauteile (11) mit Hilfe einer oder mehrerer Umschalteinrichtungen (30, 31) zeitlich nacheinander das Referenzsignal und das Nutzsignal verarbeiten.
DE19712163749 1971-12-22 1971-12-22 Verfahren zur Eliminierung der Temperatureinflüsse einer Schaltungsanordnung mit nicht linearer Kennliniencharakteristik Expired DE2163749C3 (de)

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