DE2436638A1

DE2436638A1 - Voltage limiter for variable gain amplifier output - has limiting element in feedback loop

Info

Publication number: DE2436638A1
Application number: DE2436638A
Authority: DE
Inventors: Juergen Giera
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1974-07-26
Filing date: 1974-07-26
Publication date: 1976-02-05
Also published as: BE830984A; ES439157A1; ZA754590B; IT1040114B; LU72909A1

Abstract

The operational amplifier (p1) is provided with a feedback loop containing an element, controlled by a separate voltage limiting circuit, e.g. a FET (p5) with variable channel resistance, so as to control the amplification ratio of the operational amplifier (p1). The feedback loop may also include a further amplifier (p3) which allows the voltage limit to be present to a different value in dependence on the polarity of the output of the operational amplifier (p1). A switch (b1) may be provided to allow the voltage limiting circuit to be selectively brought into operation, or the FET (p5) itself may be used to block the voltage limiting circuit.

Description

Geregelte Begrenzung der Ausgangsspannung von Regelverstärkern Die Erfindung bezieht sich auf eine Begrenzungsschaltung für die Ausgangsspannung von Operationsverstärkern.Controlled limitation of the output voltage of control amplifiers Die The invention relates to a limiting circuit for the output voltage of Operational amplifiers.

An Operationsverstärkern, die in Regelkreisen eingesetzt sind, wird häufig die Anforderung einer Begrenzung des Ausgangshubes gestellt, wobei die Begrenzungswerte bezogen auf positive und negative Polaritt unterschiedlich sein können.On operational amplifiers that are used in control loops frequently the requirement of a limitation of the output stroke is made, whereby the limitation values can be different in terms of positive and negative polarity.

Neben Operationsverstärkern7 die bereits über eine integrierte Begrenzungsschaltung verfügen, sind Schaltungen bekannt, die mittels einer nnchgeschalteten Transistorstufe begrenzt werden können, oder die mittels zusitzlicher Operationsverstärker im Gegenkopplungszweig arbeiten.In addition to operational amplifiers7 that already have an integrated limiting circuit have, circuits are known which by means of an additional transistor stage can be limited, or by means of additional operational amplifiers in the negative feedback branch work.

Bei integrierten Begrenzungsschaltungen ergibt sich jedoch eine geringe Reproduzierbarkeit der Begrenzungsspannung.In the case of integrated limiting circuits, however, there is a small one Reproducibility of the limiting voltage.

Operationsverstärker mit nachgeschlteter Transistorstufe weisen Übersteuerungs-Effekte am Verst,irkerausgang auf, wfihrend der Einsatz von zusätzlichen Opertionsverstarkern im Gegenkopplungszweig aufwendig ist.Operational amplifiers with a downstream transistor stage have overdrive effects at the amplifier output, while additional operation amplifiers are used is expensive in the negative feedback branch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Verstärkerausoang bei geringstem Aufwand und ohne Einflußnahme von Schwellwerten und Übersteuerungseffekten (im Operationsverstcrker) zu begrenzen, wobei sich die Ausgangsspannungs-Maxima geregelt einstellen.The invention is based on the object of providing the amplifier as well minimal effort and without influencing threshold values and override effects (in the operational amplifier), whereby the output voltage maxima set regulated.

Diese Aufgabe wird für eine Begrenzungsschaltung der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß im Gegenkopplungszweig des Operationsverstärkers ein von einem zusätzlichen Regelkreis beaufschlagtes Stellglied vorgesehen ist, durch das die Proportionalverstärkung des zu begrenzenden Operationsverstärkers beeinflußt ist.For a limiting circuit, this task is as stated at the beginning Kind according to the invention solved in that in the negative feedback branch of the operational amplifier an actuator acted upon by an additional control circuit is provided, by the proportional gain of the operational amplifier to be limited is affected.

In spezieller Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist in den Gegenkopplungszweig des Operationsverstärkers ein Feldeffekttransistor geschaltet, der mit seinem verstellbaren Kanalwiderstand über den zusätzlichen Regelkreis als Stellglied für die Begrenzung vorgesehen ist.In a special embodiment of the inventive concept is in the negative feedback branch of the operational amplifier switched a field effect transistor, which with its adjustable Channel resistance via the additional control loop as an actuator for the limitation is provided.

Damit werden in vorteilhafter Weise mit einfachen Mitteln Ubersteuerungseffekte vermieden, da die Eigenschaften des zu begrenzenden Verstärkers durch Aufzwingen der für die Begrenzung erforderlichen Proportionalverstärkung dieses unmöglich machen. Auch ist der Vorteil, eine genaue Begrenzung im Bereich um null Volt zu erreichen, und auch generell reproduzierbare Begrenzungswerte zu erreichen, gegeben.Override effects are thus advantageously achieved using simple means avoided because the properties of the amplifier to be limited by forcing the proportional gain required for the limitation make this impossible. There is also the advantage of achieving a precise limit in the area around zero volts, and generally to achieve reproducible limiting values are given.

Entweder sind durch eine Vorgabe eines Begrenzungswertes die positive und die negative Ausgangsspannung des Verstärkers auf den gleichen Wert begrenzt oder aber es sind in vorteilhafter Ausbildung der Erfindung unter Einschaltung eines die Ausgangspolaritt des Operationsverstärkers erfassenden Verstärkers polaritätsgerecht unterschiedliche Begrenzungswerte vorgegeben. Die Vorgabe der Begrenzungsspannungen kann von beliebigen Signalquellen oder Funktionsgeneratoren vorgenommen werden, sofern sich ihr Ausgangssignal im positiven Bereich befindet.Either the positive ones by specifying a limiting value and the negative output voltage of the amplifier is limited to the same value or there are in an advantageous embodiment of the invention with the involvement of a The amplifier that detects the output polarity of the operational amplifier is polarized different limit values are specified. The specification of the limiting voltages can be made by any signal sources or function generators, provided that their output signal is in the positive range.

Durch einen zusätzlichen mechanischen oder elektrischen Schalter ist es weiterhin vorteilhaft möglich, das Stellglied auch zum Zwecke der Reglersperre zu verwenden.By means of an additional mechanical or electrical switch it is also advantageously possible to lock the actuator for the purpose of the controller to use.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung die Erfindung für zwei Ausführungsbeispiele beschrieben.In the following the invention for two exemplary embodiments will be described with reference to the drawing described.

Es zeigen Figur 1 eine Schaltskizze für eine Begrenzungsschaltung, bei der die positive und die negative Ausgangsspennung des Operationsverstärkers auf den gleichen Wert begrenzt sind und Figur 2 eine Schaltskizze für eine Begrenzungsschaltung, bei der für die positive und die negative Ausgangs spannung des Operationsverstärkers unterschiedliche Werte der Begrenzung vorgegeben werden können.FIG. 1 shows a circuit diagram for a limiting circuit, where the positive and negative output voltage of the operational amplifier are limited to the same value and FIG. 2 shows a circuit diagram for a limiting circuit, for the positive and negative output voltage of the operational amplifier different values of the limitation can be specified.

Die in Figur 1 dargestellte Schaltung zeigt neben dem mit den Riderständen rl, r2 und r3 sowie dem Kondensator kl beschaltetn Operationsverstä rk er pl die für die Begrenzung und Sperrung dienenden Schaltungsteile, wobei die Begrenzung, einstellbar am Punkt wl, für positive und negative Ausgangsspannung gleich ist.The circuit shown in Figure 1 shows next to that with the resistors rl, r2 and r3 as well as the capacitor kl wired operational amplifier pl die for the limitation and blocking serving circuit parts, whereby the limitation, adjustable at point wl, is the same for positive and negative output voltage.

Der für die geregelte Begrenzung erforderliche Regelkreis besteht im wesentlichen aus dem Stellglied p5, dem Regelverstärker p2, der Regelgrößenanpassung p4 und der Führungsgrößenvorgabe wl, die der Begrenzungsspannung entspricht.The control loop required for the controlled limitation exists essentially from the actuator p5, the control amplifier p2, the control variable adjustment p4 and the reference variable specification wl, which corresponds to the limiting voltage.

Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß der als Stellglied verwendete Feldeffekttransistor p5 einen über die Gatespannung steuerbaren Kanalwiderstand zwischen Drain und Source aufweist, der sich z. B. im Bereich von einigen 1052 bis einigen 100 MR vorstellen läßt. Hierdurch kann ungeachtet der Beschaltung des Operationsverstärkers pl die Proportionalverstärkung des Kreises so beeinflußt werden, daß ein maximaler Wert der Ausgangsspannung nicht überschritten wird, wobei sich aufgrund des Begrenzungsregelkreises der Kanalwiderstand im Stellglied abhängig von den Eingangsspannungen des Operationsverstarkers Pl permanent anpaßt.The invention is based on the fact that the used as an actuator Field effect transistor p5 has a channel resistance that can be controlled via the gate voltage has between drain and source, z. B. in the range of a few 1052 to a few 100 MR can be imagined. This allows regardless of the wiring of the operational amplifier pl affects the proportional gain of the circuit be that a maximum value of the output voltage is not exceeded, wherein the channel resistance in the actuator depends on the limiting control loop of the input voltages of the operational amplifier Pl permanently adapts.

Für den Begrenzungsfall, d. h. will die Ausgangsspannung UAp1 des Operationsverstä.rkers Pl größer werden als die vorgegebene Begrenzungsspannung, gilt mit der Eingangsspannung U und epl dem Eingangswiderstand rep1 des Operationsverstärkers sowie dem Kanalwiderstand von p5 des Feldeffekttransistors p5: UAp1 = Uep1 . ronp5 rep1 und bei UAp1 und rep1 = konstant wird ronp5 = f (Uep1).For the limitation case, i. H. wants the output voltage UAp1 des Operational amplifier Pl become greater than the specified limiting voltage, applies with the input voltage U and epl to the input resistance rep1 of the operational amplifier and the channel resistance of p5 of the field effect transistor p5: UAp1 = Uep1. ronp5 rep1 and with UAp1 and rep1 = constant, ronp5 = f (Uep1).

Da der verwendete Feldeffekttransistor p5 sperrt, wenn die Gatespannung gegenüber Drain oder Source um eine Spannung u p negativer ist, wird bei einem maximalen Ausgangsspannungshub des Operationsverstärkers Pl unter Berücksichtigung von LJ P für den gesperrten Zustand des Feldeffekttransistors p5, eine negative Gatespannung von etw£> 10 V + U benötigt, Diese p Spannung liefert der Regelverstärker p2, der aufgrund positiver Führungsgröße wl negative Scckenspannung annimmt. Diese Betrachtung gilt für Betriebszustände des Operationsverstarkers pl, wenn dessen Ausgangsspannung den Wert der eingestellten Begrenzungsspannung noch nicht erreicht hat.Since the field effect transistor used p5 blocks when the gate voltage is more negative than drain or source by a voltage u p, is at a maximum Output voltage swing of the operational amplifier Pl taking into account from LJ P for the blocked state of the field effect transistor p5, a negative one Gate voltage of about £> 10 V + U is required. This voltage is supplied by the control amplifier p2, which assumes negative voltage due to the positive reference variable wl. These Consideration applies to operating states of the operational amplifier pl when its Output voltage has not yet reached the value of the set limit voltage Has.

Für den Fall, daß die Ausgangsspannung UAPl gleich der eingestellten Führungsgröße Uwl wird, löst sich die Ausgangsspannung des Regelverstärkers p2 von der negative Deckenspannung mit der Tendenz sich in Richtung positiverer Werte zu verändern, wodurch der Kanalwiderstand von p5 geringer und damit über die Beziehung UAp1 = Uep1 # ronp5 die Ausgangsspannung UApl so rep1 beeinflußt, daß sich die am Punkt wl eingestellte Begrenzungs-Spannung ergibt.In the event that the output voltage UAPl is equal to the set Reference variable Uwl, the output voltage of the control amplifier p2 is released from the negative ceiling tension with the tendency towards more positive values change, whereby the channel resistance of p5 is lower and therefore over the relationship UAp1 = Uep1 # ronp5 influences the output voltage UApl so rep1 that the am Point wl results in the set limiting voltage.

Der Betragsbildner p4 sorgt aufgrund möglicher positiver und negativer Ausgangsspannung am Operationsverstärker pl für polarittsgerechte Anpassung der Regelgröße.The amount generator p4 takes care of possible positive and negative Output voltage at the operational amplifier pl for polarity-appropriate adaptation of the Controlled variable.

Anwendungen, bei denen unterschiedliche Begrenzungsspannungen für positiven bzw. negativen Ausgangsspannungsbereich des Operationsverstä.'rkers p1 gewünscht werden, realisiert die in Figur 2 dargestellte Schaltung.Applications where different limiting voltages for positive or negative output voltage range of the operational amplifier p1 are desired, the circuit shown in Figure 2 is implemented.

Der wesentliche Unterschied zu der in Figur 1 beschriebenen Schaltung besteht in dem die Polarität der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers Pl erfassenden Verstärkers p3 p3 ist invertierend geschaltet und verfügt über eine hohe Verstärkung, so daß sich die Werte seiner Ausgangsspannung UAp3 im wesentlichen in Deckenspannungsbereichen des Verstrkers befinden.The main difference to the circuit described in FIG consists in which the polarity of the output voltage of the operational amplifier Pl is detected Amplifier p3 p3 is switched inverting and has a high gain, so that the values of its output voltage UAp3 are essentially in ceiling voltage ranges of the amplifier.

Uber die durch die Spannung UAp3 angesteuerten Feldeffektschalttransistoren p6 und p7 lassen sich je nach Polarität der Ausgangsspannung des Cperationsverstärkers pl unterschiedliche Begrenzungsspannungen, d. h. Führungsgrößen für die geregelte Begrenzung vorgeben.Via the field effect switching transistors controlled by the voltage UAp3 p6 and p7 can be adjusted depending on the polarity of the output voltage of the operation amplifier pl different limiting voltages, d. H. Reference variables for the regulated Specify limitation.

Bei positiver Ausgangsspannung UAp1 ergibt sich eine negative Ausgangsspannung UAp3 des Verstärkers p3 und somit sperrende Feldeffekttransistoren p6 und p7. Damit wird die Führungsgröße Uw1 über die Widerstände riO und r12 wirksam, wuhrend die Führungsgröße Uw2 durch den Feldeffekttransistor p6 abgeschaltet ist.A positive output voltage UAp1 results in a negative output voltage UAp3 of amplifier p3 and thus blocking field effect transistors p6 and p7. In order to the reference variable Uw1 becomes effective via the resistors riO and r12, while the Reference variable Uw2 is switched off by the field effect transistor p6.

Nach Polaritätswechsel der Ausgangsspannung UApl ergibt sich eine positive Ausgangsspannung UAp3 und damit leitende Feldeffekttransistoren p6 und p7, wodurch die Führungsgröße Uw1 über dem Widerstand r12 auf Null geschaltet wird und die Führungsgröße w2 über den FeldeffekEtransistor p6 und den Widerstand r9 zur Verfügung steht.After changing the polarity of the output voltage UApl a positive output voltage UAp3 and thus conductive field effect transistors p6 and p7, whereby the reference variable Uw1 is switched to zero via the resistor r12 and the Reference variable w2 via the field effect transistor p6 and the Resistance r9 is available.

Der eingestellte Spannungswert bei wl gibt damit die maximale positive Spannung und der eingestellte Spannungswert bei w2 die maximale negative Spannung m Ausgang von pl an.The set voltage value at wl thus gives the maximum positive Voltage and the set voltage value at w2 the maximum negative voltage m exit from pl.

Der Feldeffekttransistor p5 kann, da durch den Widerstand r6 entkoppelt,nach Zuschalten einer positiven Spannung durch Betätigung des Schalters bl über den Widerstand r4 zur Reslersperre verwendet werden, da hierdurch der minimale Kenalwiderstand erreicht wird, wodurch sich unter Berücksichtigung der Eingangswiderst-nde (ca. 20 K 2 ... 100 Kg ) eine Ausgangsspannung von wenigen mV einstellt.The field effect transistor p5 can, since decoupled by the resistor r6, after Switching on a positive voltage by actuating the switch bl via the resistor r4 can be used to block the Reslers, as this results in the minimum kenal resistance is achieved, which, taking into account the input resistance (approx. 20 K 2 ... 100 Kg) sets an output voltage of a few mV.

Claims

Limiting circuit for the output voltage of operational amplifiers, characterized in that in the negative feedback branch of the operational amplifier (pl) an actuator acted upon by an additional control loop is provided? by the proportional gain of the operational amplifier to be limited (pol) is influenced.

2. Limiting circuit according to claim 1, characterized in that a field effect transistor in the negative feedback branch of the operational amplifier (p1) (p5) is connected, with its adjustable channel resistance via the additional Control loop is provided as an actuator for the limitation.

3. Limiting circuit according to one of claims 1 or 2, characterized characterized in that with the inclusion of the output polarity of the operational amplifier (pl) detecting amplifier (P3) polarity-appropriate different limiting values (wl, w2) are given.

4. Limiting circuit according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that an additional switch (bl) is provided through which the Actuator can be used as a controller lock.