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"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.
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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.
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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.
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Jedoch ist dann bis zur Betriebsbereitschaft der Schaltung eine längere
Erwärmungszeit der Bauelemente erforderlich.
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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.
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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.
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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.
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Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, daß die Transistoren beider
Teilschaltungen auf einem Kristall angeordnet sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Parallel zum Verstärker 12 und den Widerständen 16 und 19 ist ein
Widerstand 25 und parallel zum Verstärker 21 ein Widerstand 26 angeordnet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In der oberen Stellung der Umschalteinrichtungen ist die Teilschaltung
13 an die Referenzspannung URef ateschlossen.
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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.
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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.
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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.
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7 Seiten Beschreibung 4 Patentansprüche 2 Bl. Zeichnungen mit 2 Figuren