DE2223772A1

DE2223772A1 - Unter Verwendung einer Spannungsfolgerschaltung aufgebautes Potentiometer

Info

Publication number: DE2223772A1
Application number: DE19722223772
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Kaizawa; Sakuji Watanabe
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1971-05-17
Filing date: 1972-05-16
Publication date: 1972-11-30
Also published as: US3771053A

Description

Nippon Kogaku K.K. Nippon Kogaku Case

Unter Verwendung einer Spannungsfolgerschaltung aufgebautes Potentiometer

Die Erfindung bezieht sich auf ein unter Verwendung einer Spannungsfolgerschaltung aufgebautes Potentiometer. .

Es sind bereits zahlreiche Arten von Spannungsfolgerschaltungen bekannt. Um eine Folgerschaltung mit guten Eigenschaften zu schaffen, könnte der Fachmann daran denken, einen Operationsverstärker als Element dieser Folgerschaltung zu verwenden; dies würde jedoch teuer sein und die Leichtigkeit der Zusammenfügung der Schaltung behindern, insbesondere wenn der Verstärkungsfaktor der sich daraus ergebenden integrierten Schaltung in Betracht gezogen wird. Deshalb ist die als Emitterfolger bekannte Schaltung (deren Bin-, und Ausgang jeweils durch die Basis bzw. den Emitter eines Transistors gebildet werden) mehr verwendet worden. Da jedoch die Versetzungs- oder Offsetspannung (Offset voltage) des Emitterfolger (d.h., die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung) eine logarithmische Funktion des Stromes ist, hängt die Abhebespannung von der Änderung des im Emitter fließenden Stromes als Ergebnis der Zu- oder Abnahme der Eingangsoder Ausgangsspannung ab. Zusätzlich ergibt sich eine bedeutende Temperaturabhängigkeit aus der Temperaturcharakteristik des Sperrsattigungsstromes der Diode.

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Andererseits kann eine Folgerschaltung, die eine hohe Impedanz aufweist, dadurch geschaffen werden, daß Transistoren in einer komplementärsymmetrischen Verbindung oder als Darlington Verbindung geschaltet werden (d.h., die Verbindung von zwei pnp oder npn Transistoren derart, daß ein einzelner äquivalenter Transistor gebildet wird), aber dies würde die Temperaturcharakteristik der erhaltenen Polgerschaltung verschlechtern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß die Bildung einer integrierten Schaltung erleichtert, daß die Änderung der Versetzungsspannung - offset voltage - sehr klein für Änderungen der Eingangsspannung ist, während die Temperatürcharakteristik verbessert ist, und die Eingangsimpedanz hoch ist.

Durch die Schaltung soll auch die Potentialdifferenz zwischen zwei Eingängen durch ein Amperemeter angezeigt werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist den Ansprüchen zu entnehmen.

Bei einer Ausführungsforra der Erfindung weist die Spannungsfolgerschaltung eine Spannungsquelle, einen ersten npn Transistor, dessen Basis als Eingangsklemme der Spannungs-

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schaltung wirkt, einen pnp Transistor, dessen Basis und Emitter mit dem Kollektor des npn Transistors bzw. der positiven Klemme der Spannungsquelle verbunden sind, und ein gleichrichtendes Element auf, dessen Kathode und Anode mit dem Emitter des npn Transistors bzw. dem Kollektor des pnp Transistors verbunden sind. Der Verbindungspunkt zwischen der Anode des Gleichrichterelementes und dem Kollektor des npn Transistors wirkt als Ausgangsklemme der Spannungsfolgerschaltung. Das eine Ende eines Widerstandes ist mit dem Verbindungspunkt zwischen der Kathode des Gleichrichterelementes und dem Emitter des npn Transistors verbunden. Das andere Ende des Widerstandes ist geerdet. Das Gleichrichterelement kann einen zweiten npn Transistor aufweisen, dessen Basis und Kollektor beide mit dem Kollektor des pnp Transistors verbunden sind und dessen Emitter mit dem Emitter des ersten npn Transistors in Verbindung steht. Der erste und der zweite npn Transistor sind bezüglich des Sattigungsstromes in Sperrichtung/reverse saturation current/ gleich.

Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung löst ein Paar derartiger Spannungsfolgerschaltungen zu einer Doppeleingangspotentiometerschaltung miteinander kombiniert, welche ferner einen Versatzwiderstand aufweist, dessen eines Ende mit der Ausgangsklemme der einen der beiden Spannungsfolgerschaltungen verbunden ist, und dessen anderes Ende

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mit einem Amperemeter in Verbindung steht, welches wiederum mit der Ausgangsklemme der zweiten Spannungsfolgerschaltung in Verbindung steht.

Diese etwas kursorische Beschreibung der bedeutenderen Merkmale der Erfindung erfolgte zum besseren Verständnis der nachfolgenden Einzelbeschreibung und im Hinblick darauf, daß der Beitrag zur Fortentwicklung der Technik besser gewürdigt werden kann. Es gibt natürlich noch zusätzliche Merkmale der Erfindung, die nachfolgend beschrieben werden und Gegenstand der Ansprüche sind. Der Fachmann wird wahrnehmen, daß die Konzeption, auf welcher diese Offenbarung beruht, leicht als Basis zum Entwurf anderer Strukturen benutzt werden kann, um die verschiedenen Zwecke der Erfindung auszuführen. Es ist deshalb wichtig, daß die Ansprüche auch solche äquivalenten Konstruktionen umfassen, die nicht vom Erfindungsgedanken und Umfang abweichen.

Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung ist zu Zwecken der Darstellung und der Beschreibung ausgewählt, und in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Spannungsfolgerschaltung gemäß Erfindung und

Fig. 2 eine Potentiometerschaltung mit zwei Eingängen, die durch Kombination zweier Spannungsfolgerschaltungen gemäß Erfindung entstanden ist.

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Es wird nunmehr auf Figur 1 Bezug genommen, welche die Spannungsfolgerschaltung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Diese Schaltung weist ein Element 1, z.B. ein npn Transistor, ein Element 2, z.B. ein pnp Transistor und ein Element 3, beispielsweise ein npn Transistor oder ein Diode auf. Die beiden npn Transistoren 1 und 3 weisen die gleiche Charakteristik auf, d.h., gleiche Sättigungsströ'me in Sperrichtung und werden im nachfolgenden als "Elemente von gleicher Charakteristik" bezeichnet. Das Element 1 gleicher Charakteristik weist einen Stromverstärkungsfaktor ßn und einen Sättigungsstrom in Sperrichtung von is auf. Der pnp Transistor 2 hat einen Stromverstärkungsfaktor ß. Der Sättigungsstrom in Sperrichtung des Elementes 3 ist gleich is. Die Schaltung schließt ferner einen Widerstand 4 mit einem Widerstandswert R ein. An der Basis des npn Transistors 1 liegt eine Eingangsspannung Vin und der Kollektor dieses Transistors ist mit der Basis des pnp Transistors 2 verbunden. Der Emitter des Transistors 1 ist mit dem Emitter des npn Transistors 3 verbunden. Der Widerstand 4 ist in Serie mit dem Verbindungspunkt zwischen den Transistoren 1 und 3 geschaltet, und ist auch mit Erdpotential verbunden. Die Basis und der Kollektor des npn Transistors 3 (oder der Diode) sind zusammengeschaltet und der Verbindungspunkt steht' mit dem Kollektor des pnp Transistors 2 in Verbindung, dessen Ausgang durch Vout repräsentiert wird. Der Emitter des npn Transistors 2 ist

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mit einer Quelle positiven Potentials +Vco verbunden.

Wenn der Stromverstärkungsfaktor ßn des npn Transistors 1 zu einem genügend großen Wert gewählt wird, beispielsweise ßn??1 und wenn der zum pnp Transistor 2 fließende Strom und die-Versetzungs- oder Offsetspannung durch i und Vo dargestellt werden, dann werden die folgenden Beziehungen erhalten:
Vo - Vout - Vin

= iun ^i - i/ß)/is| - h^n U±/ß)/lsj = hai (ß-i)..

Vin = h/ni - hfnßis + R^#i (2),

kT
dabei gilt i/ßj> is und h = ~—, wobei k die Boltzmannsche Konstante, q die Elektronenladung und T die absolute Temperatur ist.

Wenn daher die Charakteristik des Stromverstärkungsfaktors ß für den Strom i bekannt ist, kann der Wert von ß für jede Eingangsspannung aus der Gleichung(2) errechnet werden, da ß eine Funktion von i oder ß~=ß(i) ist. Indem der bekannte Wert von ß in die Gleichung (1) eingeführt wird, kann der Wert der Versetzungsspannung Vo errechnet werden. Im Hinblick auf die Tatsache, daß gewöhnlich ß ^?" 1 ist, kann die folgende Beziehung hergeleitet werden:

Vo ? h,6i ß (3)

Im allgemeinen ist der Strom i kleiner als 1 Milliampere, während der Stromverstärkungsfaktor ß die logarithmische

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Funktion des Stromes ist und daher, wie aus Gleichung (3) ersichtlich, die Änderung der Versetzungsspannung Vo extrem klein bei einer Änderung des Strom i ist. Zusätzlich wird die Temperaturcharakteristik der Versetzungsspannung Vo gegenüber dem Emitterfolger stark verbessert, da der Verstärkungsfaktor ß viel weniger von der Temperatur abhängt als der Sättigungsstrom is in Sperrichtung. Auch ist der Eingangsstrom i/(ßn*ß), was zu einer hohen Eingangsimpedanz führt.

Eine modifizierte Folgerschaltung der. Erfindung kann durch Ersatz der drei verwendeten Transistoren erzielt werden, in dem die Polarität der Stromversorgangsquelle umgekehrt wird. Eine solche modifizierte Ausführungsform kann durch Ersetzen des npn Transistors 1, das pnp Transistors 2 und npn Transistors 3 der Figur 1 durch einen pnp Transistor, einen npn Transistor und einen pnp Transistor und indem die Klemme positiven Potentials +Vcc der positiven Potentialquelle mit dem Widerstand 4 verbunden wird, wobei ferner der npn Transistor geerdet wird, welcher den pnp Transistor 2 in Figur 1 ersetzt.

Die modifizierte Folgerschaltung hat den gleichen technischen Effekt wie die in Figur 1 dargestellte Folgerschaltung.

Es wird nunmehr auf Figur 2 Bezug genommen, wo eine Schaltung dargestellt ist, die ein Paar von Spannungsfolgerschal-

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tungen aufweist, die ähnlich den in Figur 1 gezeigten sind, jedoch so angeordnet sind, daß die Potentialdifferenz zwischen den beiden Eingängen von einem Ampdrementer angezeigt werden kann. Die kombinierte Schaltung schließt Elemente gleicher Charakteristik 5, 7, 12 und 14, beispielsweise npn Transistoren und andere Elemente gleicher Charakteristik 6 und 11, z.B. pnp Transistoren ein. Die Stromverstärkungsfaktoren der Elemente 5 und 14 sind ß-,(?· 1) bzw. ßp (> 1), und die der Elemente 6 und 11 sind jeweils ß (> 1). Die Schaltung weist ferner Widerstände 8 und 13 mit einem Widerstandswert R und ein Ampdremeter 9 mit einem inneren Widerstandswert im wesentlichen gleich Null sowie ein Widerstand 10 auf, welcher den inneren Widerstand des Amperemeters 9 einschließt und einen Vorwiderstandswert Ro aufweist.

Das Paar der Spannungsfolgerschaltungen sind so kombiniert, daß die Emitter der pnp Transistoren 6 und 11 miteinander verbunden sind, und der Verbindungspunkt mit einer Quelle positiven Potentials +Vcc in Verbindung steht. Ferner ist der 'Vorwiderstand 10 und das Amperemeter 9 in Serie zwischen den beiden Ausgangspotentialen Vout^ und Vout₂ geschaltet. Die beiden Spannungsfolgerschaltungen haben jeweils Eingangspotentiale Vin,, und Vinp·

Wenn Ströme i^ und i₂ zu den Emittern der pnp Transistoren

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6 bzw. 11 fließen und wenn ein Strom ±_Q vom Ausgang ₁ zum Ausgang Voutp fließt, dann fließen zahlreiche Ströme zu den verschiedenen Elementen, wie sich aus Figur 2 ergibt. Dabei gelten folgende Beziehungen:

VoUt₁ = VIn₁ - hÄ I₁Ai₁ - i_Q) + 1^nB₁ (4)

Vout₂ = Vin₂ - hai I₂ZU₂ ^{+ 1}O^ ^{+ h}^^nß2 * ^

VoUt₁ - VoUt₂ = R_Qi₀ (6)

_{1 11}) + R(I₁ - i_Q) ..(7)

Vin₂ = ^n(I₂ZIsB₂) + R(±₂ + i_Q) (8)

Aus der Kenntnis der Charakteristik des Stromverstärkungsfaktors ß für den Strom i und mit der Funktionsbeziehung ß = ß(i) können die unbekannten Werte VoUt₁, Vout₂, i₀, I₁(B(I)), i₂(ß(i₂)) in den vorhergehenden simultanen Gleichungen (4) bis (8) ermittelt werden, und zwar durch wiederholte Annäherung oder durch eine graphische Lösung oder durch elektrische Errechnung.

Für den Fall, daß VIn₁ - Vin₂ konstart ist, werden Änderungen des Stromes i_Q nunmehr betrachtet. Es sei angenommen, daß den beiden Eingangspotentialen willkürlich Werte Vin^ und Vin^ gegeben werden und daß VIn₁ - Vin₂ = Vin, - Vin^ (konäant) ist.

Wenn die zahlreichen Werte i_Q, 1*, i₂, Q^ und ß₂ für die Eingänge VIn₁ und Vin₂ den zahlreichen Werten i_0Q, i-,, i^, ß., und βi^ für die Eingänge Vin, und Vin^ entsprechen, wird

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der Stromveränderungsfaktor ^Iq/iq durch die Gleichungen » (5) und (6) wie folgt wiedergegeben:

Ai₀	-ν	Λ	- ¹OO	1 -	O\| CM -H I-H	. ^ß3	. ^ß2
¹O	^Roⁱo	li	- ia	1 -	I- ^00	^ß1	^ß4
dabei	ist 4i_Q		D " ¹OO*

In Gleichung (9) ist der Wert in der logarithmischen Klammer im wesentlichen gleich 1 und daher kann der Stromänderungsfaktor ^i-n/i-Q kleiner als Λ% sein, wenn die Quellenspannung nur einige Volt beträgt und der Strom i_Q in der Größenordnung von einigen zehn Mikroampere ist.

Wie aus obiger Beschreibung hervorgeht, umfasst die neue Spannungsfolgerschaltung zwei npn Transistoren, einen pnp Transistor und einen Widerstand und diese Konstruktion führt zu dem Vorteil, daß die Änderung der Versetzungsspannung extrem klein für eine Änderung der Eingangsspannung ist, daß die Temperaturcharakteristik in starkem Maße verbessert ist, im Vergleich mit dem konventionellen Emitterfolger, und daß die Eingangsimpedanz vergrößert ist.

Ferner hat das doppelte Eingangspotentiometer mit einem Paar solcher Spannungsfolgerschaltungen keinen Temperatur-

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gang, jedoch eine hohe Eingangsspannung. Wenn die Potentialdifferenz zwischen den beiden Eingängen konstant ist, ist der Anzeigefehler dieser Potentialdifferenz extrem klein für eine Änderung in den Eingangsspannungen. Dies bedeutet, daß dieser Potentiometer speziell für visuelle Messung wirksam ist, z.B. in dem Meßsystem einer Kamera, wo ein Amperemeter die Potentialdifferenz zwischen zwei Eingangssignalen anzeigt, um die Verschlußzeit oder die Blende darzustellen.

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Claims

Patentansprüche

.J Spannungsf olger schaltung,
gekennzeichnet durch:

a. eine Spannungsquelle

b. einen ersten Transistor (1, 5, 14) dessen Basis als Eingangsklemme der Spannungsfolgerschaltung wirkt;

c. einen zweiten, zum ersten Transistor komplementären Transistor (2, 6, 11) dessen Basis und Emitter mit dem Kollektor des ersten Transistors (1, 5, 14) "bzw. einer Klemme (Vcc) der Spannungsquelle verbunden ist,

d. einen Widerstand (4, 8, 13), dessen eines Ende mit dem Emitter des ersten Transistors (1, 5, 14) und dessen anderes Ende mit der zweiten Klemme (Erde) der Spannungquelle verbunden sind;

e. eine Diode (3, 7, 12), die in Durchlaßrichtung zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors (2, 6, 11) und dem Verbindungspunkt des einen Endes des Widerstandes (4, 8, 13) mit dem Emitter des ersten Transistors (1, 5, 14) geschaltet ist, wobei der Kollektor des zweiten Transistors (2, 6, 11) als Ausgang der Spannungsfolgerschaltung wirkt.

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2. Spannungsfolgerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsströme in Sperrichtung des ersten Transistors (1, 5, 14) und der Diode (3, 7, 12) bezüglich ihres Wertes gleich sind.
3. Spannungsfolgerschaltnng nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (1) ein npn Transistor und die Diode ein npn Transistor ist, dessen Basis und Kollektor mit dem Kollektor des zweiten Transistors (2, 6, 11) und dessen Emitter mit dem Verbindungspunkt des einen Endes des Widerstandes (4, 8, 13) und dem Emitter des ersten Transistors (1, 5, 14) verbunden sind.
4. Spannungsfolgerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

gekennzeichnet durch eine Verdopplung und eine Verbindung der Ausgänge miteinander über einen Vorwiderstand (10) und ein Amperemeter (9).
5. Spannungsfolgerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsströme in Sperrichtung der ersten Transistoren (5, 14) und der Dioden (7, 12) der jeweiligen Zweige bezüglich ihres Wertes gleich sind.

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6. Spannungsfolgerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor jeder Teilschaltung ein npn Transistor und die Diode jeder Teilschaltung ein npn Transistor ist, dessen Basis und Kollektor jeweils mit dem Kollektor des zweiten Transistors und dessen Emitter mit dem Verbindungspunkt des einen Endes des Widerstandes und des Emitters des ersten Transistors in Verbindung stehen.

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