DE2357323C3

DE2357323C3 - Abtast- und Haltekreis

Info

Publication number: DE2357323C3
Application number: DE19732357323
Authority: DE
Inventors: Max Dipl.-Ing. 8000 München Rathgeber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1973-11-16
Publication date: 1976-09-23

Description

Die Erfindung betrifft einen Abtast- und Haltekreis für eine Spannungsverstärkung +1 mit einem Differenzverstärker, dessen Plus-Eingang als Gesamteingang dient, mit einem einseitig geerdeten ersten Kondensator, mit einem zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers und dem ersten Kondensator angeordneten Schalter, mit einem weiteren Verstärker für eine Spannungsverstärkung +1, dessen Eingang mit dem ersten Kondensator verbunden ist und dessen Ausgang als Gesamtausgang dient, mit einem zweiten Kondensator zwischen dem Minus-Eingang und dem Ausgang des Differenzverstärkers und mit einem ersten Widerstand zwischen dem Minus-Eingang des Differenzverstärkers und dem Gesamtausgang derart, daß das Widerstands-Kondensator-Glied im Übertragungsfrequenzband vom Gesamtausgang zum Minus-Eingang des Differenzverstärkers als Tiefpaß und vom Ausgang des Differenzver stärkers zum Minus-Eingang des Differenzverstärkers als Hochpaß wirkt

Ein Abtast- und Haltekreis der einleitend geschilderten Art ist aus der US-PS 33 04 507 bekannt. Bei dieser Schaltungsanordnung zieht der weitere Verstärker einen konstanten Eingangsstrom, den er bei geöffnetem Schalter dem ersten Kondensator entnimmt, was eine lineare Dachschräge der am Gesamtausgang entstehenden Treppenspannung zur Folge hat.

Aus der US-PS 32 29 212 ist weiter ein Abtast- und Haltekreis bekannt, der aus einer Kettenschaltung aus einem Differenzverstärker, einem Spannungsteiler, einem Verstärker, einem Kondensator für eine Gleichstrom-Abblockung, einem Speichergatter und einem Millerspeicher besteht, der durch einen Ladekondensator überbrückt ist. Ein Rückkopplungsweg verläuft über eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand vom Ausgang des Differenzverstärkers zu seinem einen Eingang und ein zweiter Rückkoppelungsweg verläuft vom Gesamtausgang über einen weiteren Spannungsteiler zum anderen Eingang des Differenzverstärker». Diese Schaltungsanordnung ist für gewisse Anwendungsfälle zu instabil oder zu langsam.

Ein Abtast- und Haltekreis ist schließlich in der Zeitschrift »Analog Dialogue«, Analog Devices, Ine Norwood, Massachusetts, USA, Vol. 5, Nr. 4, S. 6 bis 9, beschrieben.

F i g. 1 zeigt eine idealisierte Grundschaltung dieses bekannten Abtast- und Haltekreises. Sie enthält eine Quelle Q, einen Schalter 5, einen Kondensator C1 und einen Verstärker Vl.

Wird der Schalter S geschlossen, so lädt die Spannungsquelle Q den Kondensator Ci auf ihren Augenblickswert Ue(t) um. Wird der Schalter S zum Zeitpunkt fi geöffnet, so bleibt die Spannung Ue(t\) am Kondensator C1 liegen. Bei einem periodischen öffnen und Schließen des Schalters 5 mittels eines Pulses ergibt sich der Spannungsverlauf nach F i g. 2.

Für einen, entsprechenden realen Abtast- und Haltekreis gilt ohne Berücksichtigung dynamischer Effekte angenähert die Ersatzschaltung nach F i g. 3. Diese enthält gegenüber der Schaltung nach F i g. 1 zusätzlich einen Innenwiderstand R1 der Signalquelle Q, einen Serienwiderstand R 2 des Schalters S, einen Parallelwiderstand R3 des Schalters 5 und einen Parallelwiderstand /?4 des Verstärkers Vl. Mit Lhs ist die Versatzspannung des Schalters S, mit LhA die Versatzspannung des Verstärkers Vl und mit A ist der Vorstrom des Verstärkers Vl bezeichnet.

Die zusätzlichen Elemente bringen Fehler in den idealen Verlauf der Ausgangsspannung Ua(t) nach F i g. 2, die für einen Umladungsvorgang F i g. 4 zeigt. Die Widerstände R1 + R 2 verlangsamen den Umladevorgang, die Spannungen Lhs+ Lh α versetzen die Ausgangsspannung gegen den richtigen Wert, der Widerstand R 3 verursacht ein Übersprechen des Eingangssignals, der Vorstrom Λ bringt eine konstante Dachschräge in die gehaltene Spannung, und der Widerstand R 4 entlädt den Kondensator C1 exponentiell gegen Null.

Zur Verringerung des Einflusses dieser Fehlerquellen wird dem Abtast- und Haltekieis ein Trennverstärker vorgeschaltet. Mit diesem wird zwar eine Wirkungslosigkeit des Widerstandes R 1 als Fehlerquelle erreicht, jedoch entsteht eine Versatzspannung. Die restlichen Fehlerquellen wirken sich weiter voll aus.

Wird eine Gegenkopplung in der Weise vorgenommen, daß eingangsseitig ein Differenzverstärker vorgesehen ist, dessen Minus-Eingang mit dem Gesamtausgang A verbunden ist, so werden die Widerstände R1 und R 2 als Fehlerquellen ebenso wirkungslos wie die Versatzspannungen Lfcsund Uoa verschwinden.

Für sehr schnell arbeitende Abtast- und Haltekreise ist diese Anordnung jedoch ungeeinget, da der Schalter Sso lange geschlossen bleiben muß, bis die Gegenkopplungsschleife eingeschwungen ist. Die übrigen Fehlerquellen werden nicht erfaßt.

Fig.5 zeigt einen bekannten Abtast- und Haltekreis mit dem Differenzverstärker V2, dem Ausgangsverstärker V!,dem Schalter 5,den Kondensatoren Cl und

C2 und dem Widerstand /?5. Der Eingang ist mit £ der Ausgang mit A und die Masse mit M bezeichnet.

Für die Gleichspannung und tiefe Frequenzen wirken sich der Schalter 5 und der Gegenkopplungszweig mit dem Kondensator C2 nicht aus. Die Anordnung erscheint wie ein als Spannungsfolger geschalteter Rechenverstärker, der sich zur Übertragung dieser Anteile optimal verhält

Während der Abtastung, also bei geschlossenem Schalter Si bewirkt der Gegenkopplungszweig über den Kondensator Cl während der sehr kurzen Schließzeit des Schalters S; daß Änderungen des Eingangssignals Uc auch in der Spannung LA auftreten und daß der Ausgang des Differenzverstärkers V 2 für die Belastung durch die Umladung des Kondensators Cl genügend niederohmig ist.

In der Haltephase, d h, bei offenem Schalter 5, wirkt der Differenzverstärker V2 mit dem Gegenkopplungskondensator C2 als Integrator für die am Widerstand R 5 im anderen Gegenkopplungszweig abfallende Differenzspannung Ue-Ua.

Dadurch entsteht die Spannung aus einem gewünschten Anteil, der dem Verlauf der Eingangsspannung Uo folgt und einem Anteil mit dem Wert Δ U\

It₁ -

RC

η bedeutet den Beginn der Haltephase bei geöffnetem Schalter 5 und r> das Ende der Haltephase, wenn der Schalter Sgeschlossen wird.

Dieser Anteil U\ verfälscht die nächste Abtastung und muß daher durch Wahl von T = RS- C 2 genügend klein gehalten werden.

Der ungünstigste Fall liegt vor, wenn eine Eingangsspannung der höchsten Frequenz (mix mit den maximalen Scheitelspannungswerten ± 1 V jeweils in den Nulldurchgängen abgetastet wird.

Es ergibt sich mit vernachlässigter Schalterschließzeit:

RCJ

2 η /„.,_1Af dr = U RC

COS 2 y /,_Μι|ιί

IL₁ =

RC 2 7 i,_ll( ;= cos 2.7 / _xt ! RC 2 τ /_MM<

! k

RC -7 ■ /.,._jv

Für 1",_X) Fehler folgt mit /„_lJV 5 MH/:

2 L
HHH) " H)(K) '

^: .τ· ./„_w

2 r
loon

KXK) HXK)S

RC > ν -.— = - γ- = 3.1S ■ H) - s.

2-f./™« -τ- ID

wählt man R=KfLl so folsU C > 3.1K KV" F = 3.18nF.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abtast- und Haltekreis zu realisieren, bei dem der Vorstrom Iv abgefangen wird, um die Dachschräge der Treppenspannung zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Ausgang des Differenzverstärker und dem Eingang des weiteren Verstärkers eine Reihenschaltung aus einem zweiten und dritten Widerstand vorgesehen ist, daß zwischen dem Verbindungspunkt des zweiten und dritten Widerstandes und dem Gesamtausgang ein dritter Kondensator vorgesehen ist und daß zwischen dem ersten Kondensator und dem Eingang des weiteren Verstärkers ein vierter Kondensator vorgesehen ist.

Das Produkt der Werte R und C des ersten Widerstandes und des zweiten Kondensators ist derart zu bemessen, daß

R-C >

Dabei bedeutet fmax die höchste Eingangsfrequenz und /vu/den zulässigen Fehler:

zul Fehlerspannung

ι-:. „,.„

Ue_ssmax bedeutet die maximale von Spitze zu Spitze gemessene Amplitude der Eingangsspannung.

F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abtast- und Haltekreises. Die Anordnung enthält gegenüber der nach der F i g. 5 zusätzlich Widerstände R 6 und R 7 sowie Kondensatoren C3 und C 4.
Durch die kapazitive Kopplung über den Kondensator C 4 werden Vorströme des Eingangs des Verstärkers V1 vom Kondensator C1 abgetrennt und fließen durch die Widerstände R 7 und R 6 ab. Die damit entstandene Versatzspannung U (R 1 + R 2) kann durch den Widerstand R5 und den Kondensator Cl unwirksam gemacht werden.

Der Widerstand R 7 wirkt durch den Bootstrap-Kondensator C3 dynamisch hochohmig, so daß er selbst keinen Einfluß auf die am Kondensator Cl gehaltene Spannung nehmen kann. Da Gleichstrom und Anteile (sehr) niederer Frequenz nicht vom Schalter 5 übertragen werden müssen, wird die Versatzspannung des Schalters Sunwirksam.

Durch die Schaltung nach Fig.6 wird ΣUo auf den Wert der Eingangsversatzspannung des Differenzverstärkers V2 verringert, wird der Widerstand R1 für die Abtastung durch die Gegenkopplung über den Kondensator C 2 beseitigt und wird der Vorstrom h durch kapazitive Kopplung wirkungslos.
Der erfindungsgemäße Abtast- und Haltekreis ist

beispielsweise für ein Übertragungsfrequenzband 0</<5MHz, eine Abtastfrequenz fr= 10 MHz und eine Eingangsspannung —1 V<Ue< +W bei einem maximalen Fehler von l%o ausgelegt.

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Claims

Patentanspruch:

Abtast- und Haltekreis für eine Spannungsverstärkung + 1 mit einem Differenzverstärker, dessen Pius-Eingang als Gesamteingang dient, mit einem einseitig geerdeten ersten Kondensator, mit einem zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers und dem ersten Kondensator angeordneten Schalter, mit einem weiteren Verstärker für eine Spannungsverstärkung +1, dessen Eingang mit dem ersten Kondensator verbunden ist und dessen Ausgang als Gesamtausgang dient, mit einem zweiten Kondensator zwischen dem Minus-Eingang und dem Ausgang des Differenzverstärkers und mit einem ersten Widerstand zwischen dem Minus-Eingang des Differenzverstärkers und dem Gesamtausgang derart, daß das Widerstands- Kondensator-GHed im Übertragungsfrequenzband vom Gesamtausgang zum Minus-Eingang des Differenzverstärkers als Fiefpaß und vom Aasgang des Differenzverstärkers zum Minus-Eingang des Differenzverstärkers als Hochpaß wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers (V2) und dem Eingang des weiteren Verstärken (V\) eine Reihenschaltung aus einem zweiten (R6) und dritten (R7) Widerstand vorgesehen ist, daß zwischen dem Verbindungspunkt des zweiten (R 6) und dritten (R 7) Widerstandes und dem Gesamtausgang (A) ein dritter Kondensator (C3) vorgesehen ist und daß zwischen dem ersten Kondensator (C I) und dem Eingang des weiteren Verstärkers (Vl) ein vierter Kondensator (C 4) vorgesehen ist ( F i g. 6).

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