DE2245401B2 - Gleichstromkompensierter Integrator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Analog-Rechentechnik. und insbesondere die Verbesserung der Betriebskennwerte bekannter Integratoren. Ihr Anwendungsgebiet sind sowohl die eigentlichen Rechenorgane als auch Steuer- und Regeleinrichtungen.

In den für die elektronische Rechentechnik bestimmten Integratoren wird in der Regel ein Operationsverstärker mit zwei Eingängen ( ) und ( -) verwendet, wobei das zu integrieiende Signal auf den Eingang (■-) gegeben wird und wobei eine Kapazität im Nebenschluß zwischen dem Eingang!—) und dem Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist. Ein derartiger Integrator gewährleistet\im Prinzip eine einwandfreie Integration, jedoch kann bei sehr niedrigen Frequenzen auf Grund des hohen Verstärkungsgrades, der nicht durch Rückkopplung kompensiert wird, ein astabiler Zustand oder die Sättigung des Verstärkers eintreten. Es ist bekannt, ein derartiges astabiles Verhalten des Verstärkers dadurch zu verhindern, daß ein Widerstand zur Integrationskapazität parallel geschaltet wird. In diesem Fall wird jedoch keine einwandfreie Integration mehr erzielt, und zwar insbesondere bei den tiefen Frequenzen, so daß hierdurch der Frequenzbereich eines derartigen Integrators nach unten hin begrenzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden. Zu diesem Zweck geht die 5c Erfindung aus von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Integrator und ist gekennzeichnet durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs angegebenen Maßnahmen. Ein Ausführungsbeispiel wird an Hand der Zeichnung beschrieben.

F i g. 1 ist ein Schaltbild eines im Prinzip idealen, in Wirklichkeit jedoch astabilen bekannten Integrators;

F i g. 2 ist ein Schaltbild eines bekannten Rückkopplungsintegrators, der das astabile Verhalten des Integrators nach F i g. 1 berichtigt, jedoch keine absolut einwandfreie Integration gewährleistet;

F i g. 3 zeigi das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Integrators, der bei einer Eingangsspannung, die einen bestimmten Pegel übersteigt, eine einwandfreie Integration liefert sowie bei Abwesenheit eines Eingangssignals stabil ist.

Der in F i g. 1 gezeigte Integrator weist einen Operationsverstärker A sehr hohen Verstärkungsgrads Is
IV

Rl ■ Cp

mit ρ = j·-,, die den Ausdruck einer Integration darstellt.

Eine solche Schaltung ist jedoch praktisch schwer zu verwenden, denn der Operationsverstärker weist in Abwesenheit eines Signals IV eine Störpotentialdifferenz zwischen El und E2. eine sogenannte Abweichungsspannung oder Offsetspannung auf. Bei sehr niedrigen Frequenzen ist daher die von dem Kondensator C bewirkte Rückkopplung ohne Wirkung, und infolge des hohen Verstärkungsgrads des Verstärkers Λ gerät das Ausgangspotential Vs auf einen Sättigungspegel, wenn die Eingangsspannung IV nach Null tendiert.

F i e. 2 zeigt wie dieser Nachteil mit Hilfe eines Rückkopplungswiderstands R2\ der in Parallelschaltung zum Konde ■--ator C angeordnet ist. vermiede;· werden kann.

Die Übertragungsfunktion dieser Rückkopplungsschaltung ist gegeben durch:

Vs Vc

Rl

Λ 1(1 - Rl- Cp)

Bei niedrigen Frequenzen, wenn ρ nach 0 tendiert, ergibt sich:

Vs _ Rl Ve ~~ Rl'

Die Stabilität bei Gleichstrombetrieb wird daher durch Begrenzung der Niederfrequenzverstärkung gewährleistet.

Im Hinblick auf die Übertragungsfunktion, die f öl sende Form aufweist:

Vs Ve

Rl

wobei

Rl(\ ·- Rl- Cp) a - ρ

₌ und a =

Rl C Rl-C

ist, zeigt es sich, daß diese Schaltung um so besser als Integrator arbeitet, je größer ρ als α ist, also

Rl C

Mit ρ — jv> wird durch den Wert -=-. -„ die untere

Grenzfrequenz bestimmt, unterhalb der die Integration nicht mehr einwandfrei ist.

Da> Schaltbild der F i g. 3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht zusätzlich zum Schema der F i g. 2 eine positive Rückkopplung zwischen dem Ausgang .S und dem Eingang El des Operationsverstärkers .·), die aus einem Widerstand "2" mit einem ohmschen Wert Rl besteht, der mit zwei zueinander antiparallelen Dioden Dl und Dl in Reihe geschaltet ist.

Die Schaltung nach F i g. 3 weist daher zwei unterschiedliche Betriebszustände auf:

1. Die Schwelienspannung der Dioden sei u. dann ist bei einem Wert von

Rl

die Übertragungsfunktion bei Gleichstrombetrieb gegeben durch:

Ks
Ve

R2 Rl

Integration in einem weiten Frequenzband gewährleistet:

(V

1
Rl-Cp

Die Stabilität bei Gleichstrombetrieb ist somit gewährleistet.

2. Wenn Ve > —u -^ ist, wird eine einwandfreie Im ersten Fall ist keine der Dioden Dl und Dl leitend, so daß das Schema der F i g. 2 gilt; die Verstärkung der Schaltung bei Gleichstrombetrieb ist also begrenzt, und die Stabilität ist gewährleistet.

Im zweiten Fall ist eine der Dioden durchlässig, je nach der Polarität der Ausgangsspannung Ij. Auf diese Weise wird durch die positive Rückkopplung Rl Rl im unteren Teil der Figur die Wirkung der Rückkopplung Rl Rl im oberen Teil der Figur aufgehoben, und es folgt daraus, daß die Wirkung des Widerstands Rl parallel zum Kondensator C aufgehoben wird und daß >n einem weiten Frequenzspektrum die Bedingungen für eine einwandfreie Integration erneut gegeben sind.

Eine ins einzelne gehende Berechnung der Übertragungsfunktion in den verschiedenen Fällen, die hier jedoch nicht wiedergegeben sind, bestätigt diese

Ergebnisse.

Als praktische Größenordnung gilt beispielsweise:

11 = 300 mV; — = -—.
Rl 1000

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   GleicliNiromkompensierter Integrator in Gestalt eines Operationsverstärkers mit einem negativen Eingang und einem positiven Eingang sowie einem Ausgang, mit einem Widerstand des Wertb ( R 1). der zwischen dem positi\en Eingang und Masse liegt, sowie mit der Parallelschaltung eines Kondensators und eines Widerstands mit dem ohmschen W"ert(/?2) zwischen dem Ausaang und dem negativen Eingang, wobei die Eingangsspannung über einen Widerstand des Werts (/?1) auf den negativen Eingang gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (S) über zwei antiparallele Dioden (Dl. Dl) in Reihe mit einem Widerstand (R2") eines ohmschen Werts(Rl) mil dem positiven Eingang {El) verbunden '.st.

   mit einem Eingang £1 ( -Keinem Eingang £2<—) und einem Ausgang £( — ) auf. Zwischen dem Eingang El imddemAusgangSliegtein IntegrationskondensatorC. Die Einaangsspannung I V wird auf eine Klemme E eeaeben." die über einen Widerstand R\ mit dem ohmschen Wert Λ1 an der Klemme El liegt. Die Klemme/.2 liegt über einen Widerstand Rl" des gleichen ohmschen Werts Rl an Masse. Zwischen der Ausgangsklemme 5 und Masse wird die Ausgangsspannung r.s abgegriffen.

   Die Übertragungsfunktion einer derartigen Schaltuns: ist bekanntlich gleich: