DE2407421B1 - Redundant electronic amplifier circuit - Google Patents
Redundant electronic amplifier circuitInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine redundante elektronische Verstärkerschaltung mit mehreren parallelen Verstärkerzweigen sowie mit zwei gemeinsamen Eingängen und einem gemeinsamen Ausgang.The invention relates to a redundant electronic amplifier circuit with several parallel Amplifier branches as well as with two common inputs and one common output.
Solche Schaltungen werden für besonders betriebssichere Geräte angewendet, die auch bei Ausfall eines Verstärkers störungsfrei weiterarbeiten müssen.Such circuits are used for particularly reliable devices that even if one fails Amplifier must continue to work without interference.
In elektronischen Schaltungen sind die aktiven Bauteile (Röhren, Transistoren, Dioden) meist störungsanfälliger als die passiven Bauteile (Widerstände, Kondensatoren, Spulen). Bei Schaltungen für extreme Sicherheitsanforderungen werden daher die wichtigsten aktiven Bauteile in mehreren parallelen Zweigen angeordnet. Dabei kann man entweder zur gleichen Zeit nur einen Zweig benutzen und die anderen Zweige in Reserve halten (= stand-by-Schaltung), oder alle parallelen Zweige zugleich arbeiten lassen und die von ihnen gelieferten Signale auswerten (Redundanz-Schaltung).In electronic circuits, the active components (tubes, transistors, diodes) are usually more prone to failure than the passive components (resistors, capacitors, coils). With circuits for Extreme safety requirements are therefore the most important active components in several parallel Branches arranged. You can either use only one branch and the others at the same time Keep branches in reserve (= stand-by circuit), or all parallel branches work at the same time and evaluate the signals they deliver (redundancy circuit).
Es sind verschiedene redundante Verstärkerschaltungen bekannt, bei denen die von den parallelen Verstärkerzweigen kommenden Ausgangssignale (UAl — UAo—UAs ...) in einer besonderen Auswertungsschaltung miteinander verglichen und zu dem einzigen Ausgangssignal (UAges) der Gesamtschaltung verarbeitet werden.Various redundant amplifier circuits are known in which the output signals (U Al - U A o - U As ...) coming from the parallel amplifier branches are compared with one another in a special evaluation circuit and processed into the single output signal (U Ages ) of the overall circuit.
ίο In einigen Auswertungsschaltungen ist UAges der arithmetischer Mittelwert aus UAl— UA2— UAs ... ίο In some evaluation circuits, U Ages is the arithmetic mean of U Al - U A2 - U As ...
In anderen Auswertungsschaltungen wird UAges aus den Ausgangssignalen der parallelen Verstärkerzweige ausgewählt, z.B.: UAges=UAl. Sie werdenIn other evaluation circuits, U Ages is selected from the output signals of the parallel amplifier branches, for example: U Ages = U Al . you will be
daher »Auswahlschaltungen« genannt.hence called "selection circuits".
Bei Ausfall eines Verstärkerzweiges steht an seinem Ausgang ein fehlerhaftes Signal (z. B. UAl), das nicht zur Bildung von UAges herangezogen werden darf. Die Auswertungsschaltung muß das fehlerhafte Signal erkennen und ausschließen. Die Feststellung, ob ein Signal fehlerhaft ist, kann bei Schaltungen mit mindestens drei parallelen Verstärkerzweigen nach einem Prinzip erfolgen, das als »majority voting« bekannt ist. Ihm liegt folgende Annahme zugrunde:If an amplifier branch fails, there is a faulty signal at its output (e.g. U Al ), which must not be used to generate U Ages . The evaluation circuit must recognize and exclude the faulty signal. The determination of whether a signal is faulty can take place in circuits with at least three parallel amplifier branches according to a principle known as “majority voting”. It is based on the following assumption:
Wenn gleiche Glieder zur gleichen Zeit das gleiche Eingangssignal erhalten, dann müssen auch ihre Ausgangssignale gleich sein. Sind sie nicht gleich, dann sind wahrscheinlich die in der Mehrheit übereinstimmenden Ausgangssignale richtig und die in der Minderheit davon abweichenden Ausgangssignale falsch. Eine den Mittelwert bildende Auswertungsschaltung muß daher die Ausgangssignale der parallelen Verstärkerzweige miteinander vergleichen und ein Signal ausschließen, wenn es über einen vorgegebenen Toleranzbereich hinaus vom Mittelwert der übrigen Signale abweicht. Hierzu ist ein erheblicher schaltungstechnischer Aufwand mit mehreren Halbleitern erforderlich, die ebenso störanfällig sind, wie die Halbleiter in den parallelen Verstärkerzwe'Vpn.If the same elements receive the same input signal at the same time, then so must their output signals be equal. If they are not the same, then the majority will likely be the same The output signals are correct and the output signals that differ in the minority are incorrect. An evaluation circuit forming the mean value must therefore read the output signals of the parallel Compare amplifier branches with each other and exclude a signal if it exceeds a given one Tolerance range deviates from the mean value of the other signals. This is a significant one circuitry effort with several semiconductors required, which are just as prone to failure, as the semiconductors in the parallel amplifier branches.
Die mit der Redundanzschaltung angestrebte hohe Betriebssicherheit wird also durcn die Halbleiter in
der Auswertungsschaltung zum Teil wieder aufgehoben.
Die Auswahlschaltungen herkömmlicher Art vergleichen die Ausgangssignale der parallelen Verstärkerzweige
miteinander und suchen sich ein Signal heraus, dessen Wert zwischen den Werten der anderen
Signale liegt. Da der Wert eines fehlerhaften Signals meist wesentlich vom Mittelwert der anderen
Signale abweicht, wird das fehlerhafte Signal mit Sicherheit nicht gewählt. Die bekannten Auswahlschaltungen
enthalten aber ebenfalls mehrere Halbleiter, wodurch die Betriebssicherheit des gesamten
Gerätes beeinträchtigt wird.The high operational reliability aimed for with the redundancy circuit is thus partially canceled out again by the semiconductors in the evaluation circuit.
The selection circuits of the conventional type compare the output signals of the parallel amplifier branches with one another and seek out a signal whose value lies between the values of the other signals. Since the value of a faulty signal usually deviates significantly from the mean value of the other signals, the faulty signal is definitely not selected. However, the known selection circuits also contain several semiconductors, whereby the operational reliability of the entire device is impaired.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine redundante Verstärkerschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der für die Auswertung der von den parallelen Verstärkerzweigen abgegebenen Ausgangssignale keine besonderen aktiven Bauteile erforderlich sind.The invention is therefore based on the object of providing a redundant amplifier circuit of the initially introduced to create the type mentioned, in the case of the evaluation of the output from the parallel amplifier branches Output signals no special active components are required.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Verstärkerschaltung mindestens drei Operationsverstärker besitzt, deren Ausgänge über einzeln zugeordnete Schutzwiderstände mit dem Ausgang der Schaltung verbunden sind, und daß ein Rückkopplungspfad vorgesehen ist, der zwischen dem Ausgang der Schaltung und einem Eingang der Schaltung liegt, und an dessen virtuellemTo solve the problem, the invention proposes that the amplifier circuit at least has three operational amplifiers, the outputs of which have individually assigned protective resistors are connected to the output of the circuit, and that a feedback path is provided which between the output of the circuit and an input of the circuit, and its virtual
Nullpunkt die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker angeschlossen sind, während die nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker gemeinsam an dem zweiten Eingang der Schaltung angeschlossen sind.Zero point the inverting inputs of the op amps are connected while those are not inverting inputs of the operational amplifier commonly connected to the second input of the circuit are.
Als weitere Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Verstärkerschaltung mindestens drei Operationsverstärker besitzt, deren Ausgänge über einzeln zugeordnete Schutzwiderstände mit dem Ausliegt. Diese Schaltung arbeitet nicht nur bei Ausfall eines Operationsverstärkers, sondern auch bei Ausfall einer Zenerdiode ungestört weiter.As a further solution to the problem it is proposed that the amplifier circuit have at least three Operational amplifiers, the outputs of which are connected to the output via individually assigned protective resistors. This circuit works not only if an operational amplifier fails, but also if it fails a Zener diode continues undisturbed.
Der erfindungsgemäße Vorschlag geht von folgender Überlegung aus:The proposal according to the invention is based on the following consideration:
Verstärkerschaltungen, die einen Operationsverstärker mit äußerer Gegenkopplung enthalten, sind in ihrem Verhalten praktisch nur von der Dimensionierung der äußeren Beschallung abhängig, währendAmplifier circuits that contain an operational amplifier with external negative feedback are in their behavior practically only dependent on the dimensioning of the external sound, while
gang der Schaltung verbunden sind, und daß meh- 10 die individuell streuenden Eigenschaften des benutzrere Rückkopplungspfade vorgesehen sind, die zwi- ten unbeschalteten Operationsverstärkers weitgehend sehen dem Ausgang und einem Eingang der Schal- unterdrückt werden, solange der Operationsverstärker tung liegen und an deren virtuelle Nullpunkte die in- überhaupt arbeitet.output of the circuit are connected, and that more than 10 the individual characteristics of the user Feedback paths are provided, which largely between unconnected operational amplifiers see the output and one input of the switching suppressed as long as the operational amplifier and at their virtual zero points the in all works.
vertierenden Eingänge der Operationsverstärker ein- Der analoge Stellbereich der Eingangsdifferenz-The analog setting range of the input difference
zeln angeschlossen sind, während die nichtinvertie- 15 spannung eines Operationsverstärkers ist wesentlich renden Eingänge der Operationsverstärker gemein- schmaler als der Exemplar-Streubereich der Einsam an den zweiten Eingang der Schaltung ange- gangs-Offsetspannung. Daher wird in einer nach der schlossen sind. Erfindung aufgebauten Schaltung meist nur ein Ope-individually connected, while the non-inverting voltage of an operational amplifier is essential The common inputs of the operational amplifiers are narrower than the specimen spread of the lonely offset voltage input to the second input of the circuit. Therefore, in one after the are closed. Invention constructed circuit usually only one operat-
Die Schaltung läßt sich als unsymmetrischer Ver- rationsverstärker analog arbeiten. Die anderen sind stärker oder als Differenzverstärker ausbilden. In den 20 in der Sättigung und haben an ihren Ausgängen die Rückkopplungspfaden können zeitabhängige Netz- positive oder negative Sättigungsspannung. Die vonThe circuit can be operated in analogue mode as an unbalanced veration amplifier. The others are train stronger or as a differential amplifier. In the 20 in saturation and have the at their outputs Feedback paths can be time-dependent network positive or negative saturation voltage. The from
einander abweichenden Ausgangsspannungen UAl — Uä2~Uä3 der Operationsverstärker bewirken Ausgleichsströme über die nachgeschalteten Schutzwiderstände, wodurch sich am Ausgang der Gesamtschaltung eine bestimmte mittlere Spannung UA ges einstellt. Output voltages U Al- U-2 ~ U-3 of the operational amplifiers that differ from one another cause equalizing currents via the downstream protective resistors, whereby a certain average voltage U A tot is established at the output of the overall circuit.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß diese Spannung UAges am Ausgang der Gesamtscheidet sich dadurch vorteilhaft von den bekannten 30 schaltung stets die richtige Spannung ist, die sich Schaltungen und bietet hohe Betriebssicherheit. nach der äußeren Beschaltung ergeben soll.The invention is based on the knowledge that this voltage U Ages at the output of the total differs advantageously from the known circuit and is always the correct voltage, which is the circuit and offers high operational reliability. according to the external wiring.
Weitere Einzelheiten werden an Hand der Zeich- Der analog arbeitende Operationsverstärker erzeugtFurther details are produced on the basis of the drawings
nung beschrieben, die in den Fig. 1, 2 und 3 Aus- nämlich an seinem Ausgang infolge der Gegenkoppführungsbeispiele der Erfindung zeigt. lung immer die Spannung, die erforderlich ist, umtion described in FIGS. 1, 2 and 3, namely at its output as a result of the counter-coupling guide examples of the invention shows. lung always the tension that is required to
Die in Fig. 1 dargestellte redundante Verstärker- 35 jene Ausgleichsströme herbeizuführen, bei denen
schaltung hat drei parallele Operationsverstärker UA ges den richtigen Wert einnimmt.
1—2—3 und einen gemeinsamen Rückkopplungs- Welcher Operationsverstärker analog arbeitet undThe illustrated in Fig. 1 redundant amplifier 35 to bring about those equalizing currents in which the circuit has three parallel operational amplifiers U A tot assumes the correct value.
1—2—3 and a common feedback Which operational amplifier works analog and
pfad, 8, 9, 10, 11, 12, der ein .RC-Netzwerk enthält, welcher nicht, das richtet sich nach den individuell welches der gesamten Verstärkerschaltung ein PID- streuenden Eingangs-Offsetspannungen, den ToIe-Regelverhalten gibt. Der virtuelle Nullpunkt 10 des 40 ranzabweichungen der Beschaltungsglieder und nach Rückkopplungspfades ist mit den invertierenden Ein- der jeweiligen Größe der Eingangsspannung UEges path, 8, 9, 10, 11, 12, which contains an .RC network, which does not depend on the individual which of the entire amplifier circuit gives a PID-scattering input offset voltages, the ToIe control behavior. The virtual zero point 10 of the 40 tolerance deviations of the connection elements and after the feedback path is associated with the inverting inputs of the respective value of the input voltage U Eges
der Gesamtschaltung. Ändert sich z. B. die Eingangsspannung UEges, dann kann der bisher analog arbeitende Operationsverstärker in die Sättigung kom-the overall circuit. If z. B. the input voltage U Eges , then the operational amplifier, which was previously working in an analog manner, can reach saturation
ten Eingang 14 der Schaltung angeschlossen, der am 45 men, worauf sofort einer der anderen Operationsver-Schaltungs-Nullpunkt liegt stärker aus der Sättigung in den analogen Bereichth input 14 of the circuit connected to the 45 men, whereupon immediately one of the other Operationsver-Schaltungs zero point lies more out of saturation in the analog area
werke (R, C, L) oder Glieder mit nichtlinearer Kennlinie liegen. Mit der Schaltung lassen sich also alle Aufgaben eines üblichen Rechenverstärkers durchführen. works (R, C, L) or elements with a non-linear characteristic. All the tasks of a conventional computer amplifier can be carried out with the circuit.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene redundante Verstärkerschaltung erfordert für die Auswertung der von den parallelen Verstärkerzweigen abgegebenen Ausgangssignale keine aktiven Bauteile. Sie Untergängen aller drei Operationsverstärker 1—2—3 verbunden. Die nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker sind gemeinsam an dem zwei-The redundant amplifier circuit proposed according to the invention requires the evaluation of the Output signals emitted by the parallel amplifier branches do not have any active components. You sinkings of all three operational amplifiers 1—2—3 tied together. The non-inverting inputs of the operational amplifiers are common to the two
Die in Fig. 2 dargestellte redundante Verstärkerschaltung hat ebenfalls drei parallele Operationsverstärker 15, 16, 17, aber drei getrennte Rückkopplungspfade 22, 23, 24—25, 26, 27—28, 29, 30, deren virtuelle Nullpunkte 23—26—29 einzeln an die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 15, 16, 17 angeschlossen sind. Die nichtmvertierenden Eingänge der Operationsverstärker sind wieder gemeinsam am zweiten Eingang 32 der Schaltung angeschlossen, der am Schaltungs-Nullpunkt liegt. Da die Rückkopplungspfade nur Widerstände enthalten, arbeitet die Schaltung als proportionaler Spannungsverstärker. The redundant amplifier circuit shown in FIG also has three parallel operational amplifiers 15, 16, 17, but three separate feedback paths 22, 23, 24-25, 26, 27-28, 29, 30, their virtual zero points 23-26-29 individually the inverting inputs of the operational amplifiers 15, 16, 17 are connected. The non-converting ones Inputs of the operational amplifiers are again connected together to the second input 32 of the circuit, which is at the circuit zero point. Since the feedback paths only contain resistors, the circuit works as a proportional voltage amplifier.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Verstärkerschaltung wird das zwischen den beiden gemeinsamen Eingängen 54, 55 anstehende Eingangssignal UEges einzeln mit den Referenzspannungen von drei gleichen Zenerdioden 56, 58, 60 verglichen. Die dabei erfaßüberspringt und die Regelungs-Aufgabe übernimmt.In the amplifier circuit shown in FIG. 3, the input signal U Eges present between the two common inputs 54, 55 is individually compared with the reference voltages of three identical Zener diodes 56, 58, 60. Which skips detection and takes on the control task.
In gleicher Weise schützt sich die Schaltung gegen schädliche Folgen beim Ausfall eines Operationsverstärkers: In the same way, the circuit protects itself against harmful consequences if an operational amplifier fails:
Der ausgefallene Operationsverstärker liefert an seinem Ausgang eine unbekannte Spannung, die im ungünstigen Fall gleich der positiven oder negativen Versorgungsspannung ist.The failed operational amplifier supplies an unknown voltage at its output, which is im in the worst case is equal to the positive or negative supply voltage.
Wenn der bislang analog arbeitende Operationsverstärker ausfällt und an seinem Ausgang die Versorgungsspannung liefert, so wird die Regelungsaufgabe sofort von einem der anderen Operationsverstärker übernommen.If the operational amplifier, which was previously working in analog, fails and the supply voltage at its output supplies, the control task is immediately carried out by one of the other operational amplifiers accepted.
Wenn ein bisher gesättigter Operationsverstärker ausfällt und an seinem Ausgang diejenige Versorgungsspannung steht, welche das gleiche Vorzeichen wie die bisherige Sättigungsspannung hat, dann kann der analog arbeitende Operationsverstärker das leichtIf a previously saturated operational amplifier fails and the supply voltage at its output which has the same sign as the previous saturation voltage, then can the analog operational amplifier that easily
ten Differenzen steuern die invertierenden Eingänge 65 ausgleichen, wobei er im analogen Bereich bleibt und der Operationsverstärker 35, 36, 37, deren nicht- somit die Regelungsaufgabe behält.th differences control the inverting inputs 65 equalize, while it remains in the analog range and the operational amplifier 35, 36, 37, whose non- thus retains the control task.
FaUs ein bisher gesättigter Operationsverstärker an seinem Ausgang die Versorgungsspannung liefert,FaUs a previously saturated operational amplifier supplies the supply voltage at its output,
invertierende Eingänge gemeinsam an dem Eingang 55 angeschlossen sind, der am Schaltungsnullpunktinverting inputs are commonly connected to input 55, which is at the circuit zero point
welche der bisherigen Sättigung im Vorzeichen entgegengesetzt ist, wird der bisher analog arbeitende Operationsverstärker in die Sättigung gehen und dadurch die Regelungsaufgabe an einen anderen intakten Operationsverstärker abgeben, welcher dabei aus seiner bisherigen Sättigung in den analogen Bereich übergeht.which is opposite in sign to the previous saturation will be the one that has worked in an analogue manner up to now Operational amplifiers go into saturation and thereby the control task to another intact Output operational amplifier, which thereby from its previous saturation in the analog range transforms.
In einer nach der Erfindung aufgebauten Schaltung sind mehrere Fehler zugleich zulässig, ohne daß die Gesamtfunktion gestört wird. Hat die Schaltung drei parallele Verstärkerzweige, dann dürfen z. B. folgende fehlerhafte Zustände auftreten:In a circuit constructed according to the invention, several errors are permitted at the same time without the Overall function is disturbed. If the circuit has three parallel amplifier branches, then z. B. the following faulty states occur:
1. Ein Operationsverstärker ist beschädigt. An seinem Ausgang steht die positive oder negative Versorgungsspannung. Die beiden anderen Operationsverstärker sind intakt.1. An operational amplifier is damaged. At its exit there is the positive or negative Supply voltage. The other two op amps are intact.
2. Zwei Operationsverstärker sind beschädigt. Am Ausgang des einen steht die positive, am Ausgang des anderen die negative Versorgungsspannung. Der dritte Operationsverstärker ist intakt. 2. Two operational amplifiers are damaged. At the exit of one is the positive, at the exit the other the negative supply voltage. The third op amp is intact.
3. Zwei Operationsverstärker sind beschädigt. Sie haben eine interne Unterbrechung am Ausgang. Der dritte Operationsverstärker ist intakt.3. Two operational amplifiers are damaged. You have an internal interruption at the output. The third op amp is intact.
Außerdem kann die Schaltung nicht nur den Ausfall der Operationsverstärker, sondern auch den Ausfall von einigen anderen Gliedern der Verstärkerzweige ertragen: Wenn z.B. eine der in Fig. 3 dargestellten Zenerdioden 56, 58, 60 infolge eines Defektes kurzgeschlossen ist, so kann dieser Fehler ausgeregelt werden, sofern die Operationsverstärker 35, 36, 37 intakt sind.Besides, the circuit can prevent not only the failure of the operational amplifier but also the failure endured by some other members of the amplifier branches: If for example one of those shown in fig Zener diodes 56, 58, 60 is short-circuited as a result of a defect, this error can be corrected provided that the operational amplifiers 35, 36, 37 are intact.
Nach der Erfindung werden mehrere Operationsverstärker mit ar> sich bekannter Einzel-Beschaltung derart verbunden, daß sich eine neuartige und einheitliche Wirkung ergibt, die der einzelne beschaltete Operationsverstärker nicht haben kann: nämlich die Unterdrückung des fehlerhaften Ausgangssignals eines zerstörten Operationsverstärkers. Die Schaltung stellt also eine Kombination dar, in der die Einzelelemente zu einem einheitlichen Endeffekt funktionell verschmolzen sind.According to the invention, several operational amplifiers with ar> known single circuit connected in such a way that a new and uniform Effect results that the individual connected operational amplifier cannot have: namely the Suppression of the faulty output signal of a destroyed operational amplifier. The circuit thus represents a combination in which the individual elements are functional to a unified end effect are fused.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
Claims (4)
Priority Applications (5)
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BE153159A BE825297A (en) | 1974-02-16 | 1975-02-07 | ELECTRONIC AMPLIFIER MOUNTING WITH REDUNDANCY |
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Applications Claiming Priority (1)
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DE19742407421 DE2407421C2 (en) | 1974-02-16 | Redundant electronic amplifier circuit |
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DE2407421B1 true DE2407421B1 (en) | 1975-05-28 |
DE2407421C2 DE2407421C2 (en) | 1976-01-29 |
Family
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EP0388802A2 (en) * | 1989-03-24 | 1990-09-26 | National Semiconductor Corporation | Error amplifier for use with parallel operated autonomous current or voltage regulators using transconductance type power amplifiers |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
BE825297A (en) | 1975-05-29 |
GB1487688A (en) | 1977-10-05 |
FR2261651B3 (en) | 1978-07-07 |
FR2261651A1 (en) | 1975-09-12 |
IT1031648B (en) | 1979-05-10 |
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