DE2508850A1

DE2508850A1 - Spannungsdifferenzverstaerker

Info

Publication number: DE2508850A1
Application number: DE19752508850
Authority: DE
Inventors: Robert Poujois
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1974-03-01
Filing date: 1975-02-28
Publication date: 1975-09-04
Also published as: GB1503566A; NL7502383A; US3982196A; JPS50159235A; FR2262884A1; FR2262884B1; NL160446C; NL160446B; DE2508850C2

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R. B E ETZ sen. Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT Dr.-Ing. R, B E E TZ Jr.

8 München 22, stein*dorfstr.io Tel. (089)227201/227244/295910

Telegr. Allpatent München Telex 522O48

410-23.874P

28. 2. 1975

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE, Paris (Frankreich)

Spannung sdiff er enzver stärker

Die Erfindung betrifft einen Spannungsdifferenzverstärker mit einem bistabilen Glied oder, allgemeiner, einem instabilen Glied.

Genauer ausgedrückt, die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung mit niedrigem Eingangspegel, die bei erhöhtem Verstärkungsfaktor und breitem Durchlaßband integrierbar ist.

Unter dem Begriff "bistabiles Glied" soll ein Glied verstanden werde"n, das zwei stabile und einen instabilen Zustand hat. Eine Einrichtung ist vorgesehen, um das bistabile Glied so lange in seinem instabilen Zustand zu halten, wie die Einrichtung einwirkt. Diese Einrichtung

410-(B 5188.3)-Ko-r (8)

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wird im allgemeinen als Sperreinrichtung bezeichnet. Wenn kein Eingangssignal vorliegt, bleibt das im instabilen Zustand gehaltene bistabile Glied in diesem Zustand. Dagegen bewirkt ein zum Eingang des Gliedes gespeistes Signal eine Gleichgewichtsstörung des Gliedes in einen seiner beiden stabilen Zustände. Diese stabilen Zustände sind vorzugsweise in bezug auf den instabilen Zustand symmetrisch.

Oft wird ein Verstärker mit erhöhtem Verstärkungsfaktor für ein Eingangssignal mit sehr niedrigem Pegel benötigt. In gleicher Weise muß dieser Verstärker oft ein sehr breites Durchlaßband haben.

Es sind schon Verstärker für Eingangs signale mit sehr niedrigem Pegel entwickelt worden. Hierzu kann insbesondere auf Zerhacker-Verstärker verwiesen werden. Bei diesen Verstärkern wird die zu verstärkende Gleichspannung durch Zerhacken oder periodisches Modulieren der Spannung auf eine beliebige Frequenz in eine Wechselspannung umgewandelt. Der Gleichspannungs zerhacker oder -modulator ist gewöhnlich eine Diode oder ein Transistor. Derartige Verstärker habai den Nachteil, daß sie bei gleicher Leistung etwa 10mal teurer sind als der erfindungsgemäße Verstärker. Weiterhin ist ihr Durchlaßband aufgrund der großen Anzahl von Stufen (über 6 Stufen) sehr klein, die erforderlich sind, um einen erhöhten Verstärkungsfaktor zu erzielen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Verstärker mit einem instabilen Glied anzugeben, der die oben aufgezeigten Nachteile vermeidet .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein instabiles

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Glied mit einem instabilen Gleichgewichtszustand und zwei einzelnen Gleichgewichtszuständen, die während einer bestimmten Zeitdauer vorliegen, eine Eingangsstufe, die zum Eingang des instabilen Gliedes Signale während einer vorgegebenen Zeitdauer speist, eine Einrichtung, die das instabile Glied in seinen instabilen Gleichgewichtszustand rücksetzt, eine Kalibriereinrichtung, die das Ausgangssignal des instabilen Gliedes auf eine Spannung V_m oder eine Spannung -V_m entsprechend dem nichtinstabilen Gleichgewichtszustand kalibriert, einen Integrierer, der das kalibrierte Signal am Ausgang des bistabilen Gliedes während einer vorbestimmten Zeitdauer integriert, und einen Synchronisier-Taktgeber für das instabile Glied.

Vorzugsweise ist das instabile Glied ein bistabiles Glied; es hat zwei komplementäre Ausgänge und besteht aus zwei gleichen zueinander gegengekoppelten Verstärkern.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Kalibriereinrichtung aus zwei Quellen für jeweils eine Spannung + V_1n und - V_m besteht, deren jede über einen durch den Zustand oder das entsprechende Ausgangssignal des bistabilen Gliedes gesteuerten Schalter mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung verbunden ist.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Integrierer aus zwei parallel zwischen der gemeinsamen Ausgangsleitung und Erde geschalteten Kapazitäten besteht, wobei die gemeinsame Leitung einen Schalter zwischen den beiden Kapazitäten aufweist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Kompensation der

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Offset-Spannung hat die Eingangsstufe für jeden Eingang über einen Schalter einen Erdungsschalter, und der Verstärker hat einen zweiten Integrier er parallel zum ersten Integrierer, wobei der Ausgang zu einem der beiden Eingänge des bistabilen Gliedes rückgeführt (rückgekoppelt) ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines bistabilen Gliedes mit einem instabilen Gleichgewichtszustand,

Fig. 2 das bistabile Glied der Fig. 1 mit einem Differenz-Eingang, Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Verstärker,

Fig. 4 einen Verstärker mit einer Kompensiereinrichtung für die Off set-Spannung,

Fig. 5 einen Verstärker mit einer Kalibriereinrichtung, die von den Ausgangsspannungen angesteuert ist,

Fig. 6 ein Beispiel einer Eingangs stufe,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der Eingangsstufe,

Fig. 8 ein Prinzipschaltbild mit einer Kompensiereinrichtung für die Offset-Spannung,

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Fig. 9 und 10 Ausführungsbeispiele für die Kompensation der Offset-Spannung nach dem anhand der Fig. 8 erläuterten Prinzip,

Fig. 11 und 12 zwei Ausführungsbeispiele des Verstärkers mit Offset-Kompensation,

Fig. 13 a, 13b und 13c Ausführungsbeispiele für die Sperr- oder Inhibitionssteuerung, und

Fig. 14 ein Ausführungsbeispiel eines Analog-Digital-Umsetzers mit einem erfindungsgemäßen Verstärker.

In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines bistabilen Gliedes mit einem instabilen Zustand und zwei stabilen Zuständen gezeigt. Das Glied besteht aus zwei identischen Verstärker stufen A und A , die

J. Ct

insgesamt rückgeführt sind, d. h., der Ausgang jedes Verstärkers ist zum Eingang des anderen Verstärkers rückgeführt.

Durch Widerstände R und Kapazitäten C ist die Frequenzbegrenzung jeder Verstärkerstufe angedeutet. An den Eingängen der Verstärker A und A liegen jeweils Spannungen V und V . Es ist ein in-

i. dt Λ Λ.

stabiles Gleichgewicht vorhanden, wenn V und V Null sind, und so-

X d*

mit ist die Beziehung Ax V = V erfüllt (A = gemeinsamer Ver-

dt dl dl

Stärkungsfaktor der Verstärker). Es kann im Gegenteil gezeigt werden, daß das Glied in eine seiner beiden stabilen Gleichgewichtszustände kippt, wenn die Spannungen nicht Null oder identisch sind. Das Glied wird durch die beiden folgenden Differentialgleichungen beschrieben:

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^dV2

dV

Wenn mit L die Zeitkonstante jedes Verstärkers bezeichnet wird, die gleich RC ist, so gilt für den Wert von V +

- (A ₊ l)jr (A-I) ~

V₁ = C₁ β ₊ C₂ e

mit C , C = zwei Integrationskonstanten.

Wenn angenommen wird, daß die Gleichgewichtsstörung (Ungleichgewicht) durch eine feste Spannung V erzeugt wird, so wird als Anfangsbedingung V = V und dV /dt = 0 erhalten. Damit können die
Werte der Konstanten C und C ermittelt werden, und die allgemeine Lösung des Gleichungssystems ist gegeben durch:

_v ._v

^Vl

l 0 2A ^e 0 2A

Das Glied beendet den Einschwingvorgang, wenn die Spannung V die Sättigungsspannung ΐ V des Verstärkers erreicht hat.

Wenn als Anfangsbedingung V= -V genommen wird, kippt das System zum Wert -V . Dies zeigt also die Möglichkeit des Kippens eines Gliedes mit einer geringen Spannung V , wobei das Kippen vom Vorzeichen von V abhängt. Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Fall

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stellt die Spannung V die Anfangsladung einer der Kapazitäten des instabilen Gliedes dar.

In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel des oben erläuterten bistabilen Gliedes in Differenz-Schaltung dargestellt. Die beiden identischen Verstärker A und A sind insgesamt gegengekoppelt

J. £l

geschaltet, d. h. der eine ist zum anderen gegengekoppelt. Die Kapazitäten C und die Widerstände R stellen die Frequenzbegrenzung der Verstärker dar. Die Differenz-Eingänge sind jeweils mit Schaltern K und K ausgestattet, die eine Einspeisung des Signals in Differenzform in das bistabile Glied ermöglichen. Eine der obigen Berechnung analoge Überlegung zeigt, daß das Glied im instabilen Gleichgewicht bleibt, wenn die beiden Kapazitäten mit entgegengesetzten Spannungen -V und +V aufgeladen werden. Bei den gegenwärtig üblichen bistabilen Gliedern haben die Verstärker in Wirklichkeit negative Verstärkungsfaktoren - A, und für identische Span nungen an den Kapazitäten bleibt das Glied im instabilen Gleichgewicht. In diesem Fall bewirkt das Differenzsignal V = V - V (V_n und V_n„ liegen jeweils an den Differenz-Eingängen des bistabilen Gliedes) eine Gleichgewichtsstörung des Gliedes zu einem seiner beiden stabilen Zustände. Indem die Schalter K und K geschlos-

1 dt

sen werden, sind die Kapazitäten C auf den Spannungen V und V

U A \j£

entsprechende Werte vorgeladen. Sobald die Schalter erneut geöffnet sind, kippt das Glied in einen stabilen Gleichgewichtszustand, der vom Vorzeichen der Differenz der Spannungen abhängt, die an den Kapazitäten des Gliedes vorliegen. Entsprechend dem Vorzeichen des Signales V_n, d. h. entsprechend den relativen Werten von V-. und V ♦ kippt das Glied zu den Sättigungswerten - V oder +V . Um das bi-

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stabile Glied in seinem instabilen Gleichgewichtszustand zu halten oder um es in diesen Zustand zurückzubringen, ist es am einfachsten, wenn die Ausgänge S und S der Verstärker durch einen Schalter K verbunden werden. Dies wird im folgenden als Sperrsteuerung bezeichnet.

Zwei zusätzliche Eingänge sind so beigefügt, daß die Kondensatoren C während des Sperrens geändert und mit zwei Eingängen hoher Impedanz versehen werden können.

In der Fig. 3 ist ein von dem oben erläuterten bistabilen Glied ausgehendes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Verstärker A und A sind insgesamt mit ihren der Frequenzbegrenzung entsprechenden Gliedern R und C gegengekoppelt geschaltet. Weiterhin sind in gleicher Weise Schalter K und K zum Anlegen der Differenzspannung und der Sperr schalter K vorgesehen. Die Ausgangssignale der Verstärker A und A steuern jeweils Schalter K und K ■ Diese Schalter K und K können Quellen von Spannungen +VM und -V mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung 2 verbinden. Zwischen der gemeinsamen Ausgangsleitung 2 und Erde sind jeweils zwei Kapazitäten C und C vorgesehen. Die gemeinsame Ausgangsleitung 2 hat zwischen den beiden Kapazitäten C und C einen Schalter K,. Hinter der Kapazität C befindet sich der Ausgang S der Anordnung.

Im folgenden soll gezeigt werden, daß die in der Fig. 3 dargestellte Schaltung einen Verstärker bildet. Das bistabile Glied liefert Ja-Nein-Informationen. Wenn die Ausgangsinformationen gemittelt werden, was durch n-maliges Kippen (in der Sekunde) der in der Fig. 3

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dargestellten Schaltung unter dem Einfluß des Eingangssignales erfolgt, wird ein Proportionalverstärker erhalten, und zwischen zwei Kippvorgängen wird die Schaltung durch die Sperrsteuerung in ihre instabile Gleichgewichtsstellung rückgesetzt - Die Quellen für Spannungen + V und - V dienen zur Kompensation der Tatsache, daß sich der Ausgang einer einfachen Verstärkerstufe (Verstärker A oder A) in genau festgelegten Grenzen nicht ändert, und um so an den beiden Ausgängen des bistabilen Gliedes einen genau festgelegten, im Absolutwert identischen Pegel für diese zu erzeugen. Dieser Nachteil wird ausgeschlossen, indem mit den Ausgangssignalen der in der Fig. 2 dargestellten bistabilen Gliedes die Schalter K und K gesteuert werden, die die Quellen der Spannungen +V und -V mit dem neuen Ausgang (Punkt B) des bistabilen Gliedes verbinden.

Die gesamte Schaltung aus den Kapazitäten C und C bildet einen Integrierer für das kalibrierte Ausgangssignal, das durch das bistabile Glied am Punkt B erzeugt wird. Die Spannung + V_M oder - V_M induziert in der Kapazität C Ladungen +AQ oder - AQ bei jedem Kippen in einen der beiden Gleichgewichtszustände. Diese Ladungen werden in der Kapazität C mit großem Wert gesammelt. Die Spannung an den Klemmen dieser Kapazität ändert sich schritt- oder stufenweise. Diese Stufen sind proportional zu +V und zum Verhältnis der Kapazitäten C und C . Genauer ausgedrückt, eine AV-Spannungsstufe ist gleich (± V) C /C . Diese besondere Integrationsmöglichkeit ist sicher nicht unbedingt erforderilich, sie hat aber den Vorteil, daß sie leicht monolithisch herstellbar ist. Ein Integrierer dieser Art, der aus den Kapazitäten C und C₀ besteht, ist gleichwertig einer Zeitkonstanten, die C /C f beträgt, wobei f die Kippfrequenz des bi-

μ X

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stabilen Gliedes darstellt, was zur folgenden Schaltfrequenz des ge samten Verstärkers führt:

F C

C 2

Im folgenden wird der Verstärkungsfaktor des in der Fig. 3 dargestellten Verstärkers ermittelt. Es wird vorausgesetzt, daß das bistabile Glied vollständig symmetrisch ist, d. h. daß die beiden Verstärker A und A genau identisch sind, und daß das Glied alterna-

X Ct

tiv im Gleichgewichtszustand durch Sperren (Schalter K„) und dann unter dem Einfluß des Eingangs signals im Kippzustand ist, was periodisch durchgeführt wird.

Der Ladungsübergang von C nach C erfolgt nur nach einem

J. Uj

Kippen, das durch das Signal hervorgerufen wird, das auf einem Schließen des Schalters K, beruht.Mit e soll die Rauschspannung der beiden Verstärker bezeichnet werden, die die zu einem einzigen Eingang rückgeführte Spannung ist. Mit f (x) soll die Rauschverteilung bezeichnet werden, für die ein zum Eingang gleichmäßiger Gauß-Verlauf angenommen wird. Mit U soll die Eingangs-Differenzspannung bezeichnet werden. Die beobachtete Ausgangsspannung ist der Mittelwert der Spannungen + V , die entsprechend den Wahrscheinlichkeiten ihres Vorliegens gewichtet sind. Es wird immer ein positives Signal erhalten, wenn die Spannung U größer als die Rauschspannung ist. Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch:

•U

f (x) dx

- OD

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Es wird ein negatives Signal erhalten, wenn das Rauschen viel größer als das Signal ist. In diesem zweiten Fall ist die Wahrscheinlichkeit gegeben durch:

<+ co

f (x) dx

Das mittlere Signal am Ausgang der Anordnung ist die Differenz ι

V = V
S M

f (x) dx -

/ - cn

cd

f (x) dx

Wenn F (x) das Integral von f (x) ist, so gilt:

γ = ν
S M

[2 F (U)J

Der Verstärkungsfaktor dV /dU ist gegeben durch /2 V f (ujj:

G(U) =

2^VM e

CS

Für x = 0 ergibt sich:

2 V

G =

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Damit hängt der Verstärkungsfaktor lediglich vom thermischen Rauschen am Eingang der Anordnung ab. Beispielsweise beträgt bei V=I OV und einer MOS-Transistorschaltung, für die β'in der Größenordnung von 100 μ\ί liegt, der Verstärkungsfaktor G 80 000. Bei einer Schaltung mit bipolaren Transistoren, für die & in der Größenordnung von 10 uV liegt, beträgt der Verstärkungsfaktor dann 800 000.

Der oben erläuterte Betrieb des erfindungsgemäßen Verstärkers verdeutlicht, daß das verwendete instabile Glied nicht genau als bistabiles Glied bezeichnet werden kann: Die beiden genauen nichtinstabilen Gleichgewichtszustände können begrenzte Zeitdauern haben (z. B. für einen Multivibrator); es genügt, daß das Steuern der Kalibriereinrichtung (Schalter K , K) während dieser Zeitdauer durchgeführt wird (Beibehalten des durch die Einspeisung des Eingangssignales hervorgerufenen Gleichgewichtszustandes). Die erfindungsgemäße Schaltung hat offenbar Verstärker, in denen ein instabiles Glied der oben erläuterten Art vorgesehen ist.

In der Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des Verstärkers mit einer Korrektureinrichtung für dessen Offset-Spannung dargestellt. Unter Offset-Spannung eines Verstärkers in Differenz-Schaltung wird die Spannung verstanden, die an einen der Eingänge des Verstärkers gelegt werden muß, um am Ausgang eine Nullspannung zu erhalten. Die Offset-Spannung beträgt für einen idealen Verstärker 0. Der erläuterte Verstärker wird so geändert, daß er alternativ zur Verstärkung des Nutzsignals oder der Offset-Spannung eingesetzt werden kann. Während der automatischen Abgleichperiode liegt der Eingang des Signales auf Erde, und der Ausgang ist mit einem zweiten Ladungs-In-

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tegrierer verbunden- Dieser zweite Integrierer ist zum Eingang der Verstärkerschaltung rückgeführt.

Jeder Verstärker hat so drei Eingänge (die verschiedene Empfindlichkeiten besitzen können), einen für das Signal, einen zur Rückführung und einen zur Korrektur der Offset-Spannung.

Um dieses Ergebnis zu erhalten, werden an der in der Fig. 3 dargestellten Schaltung folgende Änderungen vorgenommen: Zwischen die Kapazität C und dem Punkt B wird ein Schalter K„ eingefügt. Parallel zur Kapazität C wird ein zweiter Integrierer aus einer mit einem Schalter K₀ ausgestatteten Integrationskapazität C' geschaltet. Die an den Klemmen der Kapazität C auftretende Spannung wird zum Eingang des Verstärkers A über eine Leitung 4 rückgeführt. Die Eingangsstufe des Verstärkers hat zusätzlich zu den Schaltern K und K Schalter K_Q und K_n, die es ermöglichen, die Eingänge der Verstärker A und A auf Erde zu bringen.

1 Ca

Im folgenden wird der Betrieb der oben erläuterten und in der Fig. 4 dargestellten Schaltung näher beschrieben? Vor jedem Betrieb ist das bistabile Glied im instabilen Gleichgewichtszustand durch de η Sperrschalter K gesperrt. Die Schalter K und K sind geöffnet, und die Schalter K und K sind geschlossen. Der Schalter K wird geöffnet. Das bistabile Glied kippt in einen Gleichgewichtszustand unter dem Einfluß der Offset-Spannung und des Rauschens. Der Schalter K„ wird geschlossen, um den Kondensator C mit einer Ladung AQ aufzuladen, und dann ist der Schalter K„ geöffnet. Der Schalter K₀ wird

7 ο

geschlossen. Die Ladung ΔQ korrigiert dann die Spannung an den

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Klemmen der Kapazität C , um das bistabile Glied symmetrisch zu machen. Durch die Leitung 4 wird diese Ungleichgewichtsspannung zum Eingang des bistabilen Gliedes rückgeführt.

Im folgenden wird der Schalter K erneut leitend gemacht. Das Signal wird in den Eingang des bistabilen Gliedes eingespeist, in dem die Schalter K und K„ geschlossen und die Schalter K und K _ geöffnet werden. Der Sperrschalter K wird geöffnet. Das bistabile Glied kippt unter dem Einfluß des an seinem Eingang liegenden Signales. Der Schalter K wird geschlossen, um die Kapazität C mit einer Ladung Δ Q aufzuladen. Anschließend wird der Schalter K geöffnet, und der Schalter K, wird geschlossen. Die Ladung A. Q än-

dert dann die Spannung an den Klemmen der Kapazität C₀.

Am Ende einer bestimmten Kippanzahl wird die Offset-Spannung sehr gering.

Um die beste mögliche Kompensation der Offset-Spannung zu erzielen, sollte der Kapazität C ein erhöhter Wert gegeben werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Folge-Taktgeber vorgesehen, der erzeugt einen Impuls, um jede Betriebsperiode des Verstärkers auszulösen, und in bezug auf diesen Anfangsimpuls versetzte Impulse, um das Öffnen oder Schließen der Schalter K und K-, K und K , K , K , K_, K₀ hervorzurufen.

In den Figuren sind die Schalter zur Vereinfachung der Zeichnung lediglich als Kontakte zum mechanischen Abschalten dargestellt.

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Bei einem integrierten Ausführungsbeispiel können diese Schalter in vorteilhafter Weise aus MOS-Transistoren bestehen, deren Gatter den Steuereingang darstellen.

Die in der Fig. 3 dargestellte Grundschaltung kann auf andere Weise verändert werden. Diese betrifft eine bestimmte Kalibrierart der durch das bistabile Glied erzeugten Signale und ist in der Fig. gezeigt. Damit ist es möglich, die auf Ungenauigkeiten der Werte der

Spannungen V und -V sowie der durch die Schalter K. und K_ her- * ^y m m 4 5

vorgerufenen Streuwerte beruhenden Fehler zu unterdrücken oder wenigstens zu verringern.

Das bistabile Glied ist durch das Rechteck 7 mit seinen Ausgängen S und S entsprechend den beiden stabilen Zuständen gezeigt. Das durch den Ausgang S. ausgesandte Signal steuert einerseits den Schalter K' , der zum Verbinden der Quelle der Spannung +V mit der gemeinsamen Leitung 2 dient, und andererseits den Schalter K" , der zum Verbinden der Quelle der Spannung -V mit einer zweiten gemeinsamen Leitung 2¹ dient, die die gleiche Rolle wie die Leitung 2 spielt und mit Kapazitäten C und C (identisch zu den Kapazitäten C und C) und einem Schalter K' ausgestattet sind. Auf gleiche Weise steuert das durch den Ausgang S ausgesandte Signal einerseits einen Schalter K¹ , der zum Verbinden der Quelle der Spannung - V mit der gemeinsamen Leitung 2 dient, und andererseits einen Schalter K" , der zum Verbinden der Quelle der Spannung + V mit der gemeinsamen Leitung 2' dient. Zwischen den Punkten S und S · wird ein Differenz-Ausgangssignal erhalten.

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Es soll angenommen werden, daß die positive SpannungsqueHe nicht genau den Wert + V_, sondern + V,, + £ hat, und daß die An-Ordnung von einer Seite so oft wie von der anderen Seite kippt. Das Ausgangssignal S beträgt £/2, das Ausgangssignal S¹ beträgt ebenfalls 6/2, und das Differenz-Ausgangssignal hat effektiv den Wert 0. Eine Berechnung zeigt, daß die Impulse der Störgeräusche kompensiert werden, die von den Schaltern K¹ und K" kommen, wenn diese identisch sind.

Eine dritte Abwandlung betrifft die Eingangsstufe des bistabilen Gliedes und ermöglicht es, eine Sättigung der Schaltung bei gemeinsamem Betrieb zu verhindern, wenn die Eingangsspannungen groß sind.

In der Fig. 6 ist eine derartige Eingangsstufe gezeigt. Der Eingang der Schaltung besteht aus Klemmen D und D , und die Eingangs-

JL d

stufe ist mit den Eingängen des bistabilen Gliedes über Klemmen B und B verbunden.

Diese Stufe hat Kapazitäten G , G , G' , G' , die parallel ge-

1 di 1 d*

schaltet und unter sich durch Schalter I und I verbunden sind, wo-

j. dt

bei alle Schalter I gemeinsam betätigbar sind. Das gleiche gilt auch für die Schalter I . Eingangssignale E und E werden in die Eingangs-

Ct 1 C*

klemmen D und D eingespeist. Die Schalter I werden geschlossen,

X. dt 1

und die Schalter I werden geöffnet. Die Kapazitäten G und G¹ laden

dt 11

sich bei der Spannung E auf, und die Kapazitäten G und G¹ laden sich bei der Spannung E auf. Dann werden die Schalter I geöffnet,

c· 1

und die Schalter I werden geschlossen. An der Klemme B wird eine

" 1

Spannung E-E erhalten, und an der Klemme B wird eine Spannung

ic* Ci

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E-E erhalten. Also liegt zwischen den Klemmen B und B eine

Ct \ X Lt

Spannung U = 2 (E - E), aber an jedem Eingang des bistabilen Gliedes liegen lediglich Spannungen E-E₀ und E - E , was eine eventuelle Sättigung der Grundverstärker verhindert, die einen Teil dieses bistabilen G iedes bilden.

Die Fig. 7 stellt ein Ausführuhgsbeispiel eines der Verstärker A oder A und deren Eingangsstufe dar. Der Verstärker besteht aus zwei MOS-Transistoren M₁ und M₀, wobei der Transistor M₀ eine große Eingangskapazität C hat.

Der Transistor M empfängt über den Schalter K das Eingangssignal und über den Schalter K' das vom Ausgang des Verstärkers A kommende Rückführ signal. Das Signal wird eingespeist (Schalter K), um in einer ersten Zeit die Eingangskapazitäten aufzuladen. Dann wird die Schaltung rückgeführt (Schalter K¹ ), und sie kippt abhängig von den zugeführten anfänglichen Ladungen. Um den Einfluß des Rauschens auf das Kippen möglichst klein zu machen, wrd ein Filter F am Ausgang vorgesehen.

Die Fig. 8 erläutert einen Fall, bei dem eine Kapazität C zur Verbindung zwischen dem Eingang der Verstärkerschaltung und dem Eingang jedes Verstärkers A und A dient. Mit e soll die Offset-

L· Ut

Spannung der Stufe bezeichnet werden. Der Ausgang des Verstärkers A ist zu seinem Eingang über einen Schalter K" rückgekoppelt (rückgeführt) .

Diese Schaltung hat folgenden Zweck: Die Kapazität C₀ wird vor-

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geladen, indem K und K" geschlossen werden. Die Kapazität C

χ 1 ο

lädt sich auf eine Spannung

e _

1 + JL_-A

wenn S die Ausgangsspannung bedeutet. Wenn K und K" geöffnet werden, liegt eine Stufe mit einer Verbindungskapazität C vor, die auf die Spannung S aufgeladen ist. Die Offset-Spannung, die ursprünglich

e e

e war, wird zu e¹ ~ e - —-—: = -—;—r-, wodurch die Offset-Spannung

1 + 1 1 + A

der Stufe beträchtlich A

verringert wird (Faktor 1 +A),

Die Fig. 9 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, das gleichzeitig eine Verringerung der Spannung bei gemeinsamem Betrieb und der Offset-Spannung ermöglicht. Wie leicht einzusehen ist, vereinigt dieses Ausführungsbeispiel die in der Fig. 6 gezeigte Eingangsstufe und die Schaltung der Fig. 8.

Es werden die gleichen Bezugs zeichen verwendet wie in der Fig. Die Erde ist jeweils durch die Ausgangsspannung S des Verstärkers A und die Ausgangsspannung S des Verstärkers A ersetzt.

1 ^ d

Wenn die Schalter I geschlossen und die Schalter 1 geöffnet sind, laden sich die Kapazitäten G , G₀, G¹ und G' auf die folgenden Wer-

1^1 c*

te auf:

i für G.: E„ -

"* V τη - h ^md ^{tUr Q1}2^{! E}2 - τη

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Nach dem Öffnen der Schalter I werden zwei Verstärker (G , G¹ , A) und (G , G¹ , A) erhalten, die eine Offset-Spannung von genau 0 besitzen, wenn Schalt-Störgeräusche der Schalter" vernachlässigt werden.

Wenn E=O angenommen wird, liefert die auf

^ei

¹ + I

A
aufgeladene Kapazität G₁ am Eingang des Verstärkers A eine Spannung

+ -~ — (A hat einen Verstärkungsfaktor -A). Diese Spannung wird

der Spannung an den Klemmen der Kapazität G¹ beigefügt, die

- e + — — b eträgt.

Ä
Die Summe dieser Spannungen gibt eine Spannung 0.

Die Fig. 10 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem die Spannung bei gemeinsamem Betrieb mittels eines Differenz-Einganges verringert ist. Der Eingang hat einen Verstärker A in Differenz-Schaltung und zwei Kondensatoren C und C' zum Speichern der Spannung in gemeinsamem Betrieb, die auf den vorhergehenden Stufen, einschließlich K , beruht. Den Verstärkern A und A wird die in der Fig. 10 dargestellte Schaltung zugeordnet, wobei die Indizes 1 dem Verstärker A und die Indizes 2 dem Verstärker A entsprechen.

X u

Die Schalter I ermöglichen das Anlegen einer Polarisationsspannung .V , die zürn Einstellen der Spannung für gemeinsamen Betrieb dient, die beim Kippen an den Verstärkern A und A liegt. Wenn die Schal-

1 £λ

ter I¹ , K₁, K" , K und K" geschlossen sind, werden C , C ,

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C und C aufgeladen. Wenn der Eingang U den Wert O hat, kompensieren die Kapazitäten C und C' den auf den vorhergehenden Stufen beruhenden gemeinsamen Betrieb, und die Kapazitäten C und C¹ kompensieren ihrerseits die Offset-Spannung, wie dies oben anhand der Fig. 8 erläutert wurde.

Die Fig. 11 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel des gesamten Verstärkers dar. Dieses Ausführungsbeispiel vereinigt die in der Fig. 9 gezeigte Verstärkerstufe mit der anhand der Fig. 5 erläuterten Kalibrierung.

Der Verstärker hat eine Eingangsstufe J , eine zu der Fig. 9 identische Verstärkerschaltung, die in der Fig. 5 gezeigte Kalibrierstufe mit im wesentlichen den Quellen für Spannungen +V und -V

^ ^ m m

und dem Doppel-Integrierer und eine Ausgangsanpaßstufe J₀.

Die Fig. 12 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Verstärkers, bei dem der Schaltung der Fig. 10 eine einfache Kalibrier- und Integrierstufe und eine Ausgangsanpaßstufe J beigefügt sind.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß die in den Fig. 8, 9, 10, 11 und 12 dargestellten Schaltungen, die Verbindungskapazitäten aufweisen und alternative Verstärker sind, eine Grundschaltung verwenden, die nicht mehr ein bistabiles Glied, sondern ein Multivibrator ist: Dies stört nicht, wenn, wie oben erläutert wurde, die Kalibrierstufen angesteuert sind, bevor der Multivibrator nicht von selbst kippt.

In den Fig. 13a, 13b und 13c sind andere Ausführungsbeispiele der Sperrstufe als der Schalter K dargestellt.

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Bei dem in der Fig. 13a dargestellten Beispiel ist ein Schalter (jeweils I und I ) in jeder Beschaltung 15 und 15' der Verstärker

o 4

A und A vorgesehen, die das bistabile Glied bilden. Damit kann

X ε*

die Schaltung nicht mehr kippen. Es ist nicht erforderlich, diese im Zustand eines instabilen Gleichgewichtes zu halten, und die Eingänge haben eine hohe Impedanz. Dies ist die bei den Schaltungen der Fig. 7, 8, 9, 10, 11 und 12 verwendete Sperrart.

Bei dem in der Fig. 13b dargestellten Beispiel sind lediglich Schalter K und K vorgesehen. Zur Einspeisung des Signales wird eine Spannungsquelle mit geringer Impedanz verwendet, was die Sperrstufe ersetzt. Wenn K₁ und K geschlossen sind, sind die Eingange und die Ausgänge der Verstärker A und A kurzgeschlossen. Wenn K und K geöffnet werden, tritt ein Kippen des bistabilen

X La

Gliedes von der Seite des Einganges auf, der den höheren Pegel hat.

Beim letzten, in der Fig. 13c dargestellten Beispiel steuert das Ausgangssignal des Verstärkers A einen Verstärker A des Verstärkungsfaktors - 1, dessen Ausgang mit dem Eingang des Verstärkers A über einen Schalter I verbunden ist, wobei der Ausgang des Verstärkers A direkt mit dem Eingang des Verstärkers A über

J. &

einen Schalter I,. verbunden sein kann,
ο

Die Erfindung betrifft in gleicher Weise die Verwendung des Verstärkers zur Herstellung eines Analog-Digital-Umsetzers.

In der Fig. 14 ist ein Beispiel eines derartigen Umsetzers dargestellt. Es beruht auf dem Verstärker zur Kompensation der Offset-

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Spannung (Fig. 4). Das gesamte bistabile Glied ist vereinfacht durch ein Rechteck 7 gezeigt, wobei die Kalibrierspannungen +V und -V für die beiden Integrierstufen im wesentlichen aus den Kapazitäten C und C bestehen. Das durch den Kondensator C' erzeugte Signal ist zum Korrektureingang des bistabilen Gliedes 7 rückgeführt. Der Umsetzer hat zusätzlich eine Rückführleitung 8 vom Ausgang des Verstärkers zum "Signal"-Eingang des bistabilen Gliedes, die im wesentlichen aus Widerständen R und R besteht. In gleicher Weise ist ein Zweirichtungszähler 10 vorgesehen, der durch die vom Folge-Taktgeber H des Verstärkers erzeugten Signale fortgeschaltet wird. Jeder Impuls des Taktgebers entspricht dem Beginn jeder Betriebsperiode des oben anhand der Fig. 4 erläuterten Verstärkers. Der Aufwärts-Abwärts-Zählbefehl des Zählers 10 wird durch das logische Signal +V oder -V angesteuert, das am Ausgang B des Verstärkers erzeugt wird, wobei das Signal +V das Aufwärts zählen und das Signal - V das Abwärtszählen auslösen. Das Signal des Taktgebers schaltet in gleicher Weise einen zweiten Zähler 12 fort.

Der Umsetzer arbeitet auf die folgende Weise: Die Rückführleitung 8 des Verstärkers ermöglicht es, daß dessen Verstärkungsfaktor genau linear gemacht wird. Sobald die Ausgangsspannung V_c ihren Gleichgewichtswert erreicht hat, .;ind die positiven und negativen Ladungen im Gleichgewicht, und es gilt:

Daraus folgt, wenn mit V der Mittelwert von V- bezeichnet wird:

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S N

mit N = Gesamtzahl der Impulse des Signales vom Taktgeber.

Wenn die Anzahl der positiven Impulse N (+ V) und die Anzahl der negativen Impulse N₉ (- V) ist, gilt:

£ JYl

^Nl-^N2

γ _ ± — γ

S N + N M

Der Zähler des Bruches wird durch den Zweirichtungszähler und der Nenner durch den Zähler 14 bestimmt.

Die in der Fig. 4 dargestellte Schaltung kann leicht umgewandelt werden, um einen Spannungsvergleicher mit Kompensation der Offset-Spannung zu erhalten. Es genügt, wenn der Zweig mit dem

Kondensator C_ und dem Unterbrecher K, weggelassen wird. Die 2, 6

beiden logischen Ausgänge des Vergleichers sind die Ausgänge der Verstärker A und A . In gleicher Weise kann als Ausgang der¹ Punkt B verwendet werden, der entsprechend den relativen Werten der an den beiden Eingängen des bistabilen Gliedes liegenden Spannungen die Spannung +V oder -V erzeugt. Die Kompensation der Offset-Spannung erfolgt immer, indem der Ausgang der Integrierstufe zum Eingang des Verstärkers A rückgeführt wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Spannungsverstärker, gekennzeichnet durch

ein instabiles Glied (7) mit einem instabilen Gleichgewichtszustand und zwei einzelnen Gleichgewichtszuständen, die während einer bestimmten Zeitdauer vorliegen,

eine Eingangsstufe (J₁), die zum Eingang des instabilen Gliedes (7) Signale während einer vorgegebenen Zeitdauer speist,

eine Einrichtung, die das instabile Glied (7) in seinen instabilen Gleichgewichtszustand rücksetzt,

eine Kalibriereinrichtung (K- K), die das Ausgangssignal des instabilen Gliedes (7) auf eine Spannung V oder eine Spannung -V entsprechend dem nichtinstabilen Gleichgewichtszustand kalibriert,

einen Integrierer (C₁, C), der das kalibrierte Signal am Ausgang des bistabilen Gliedes (7) während einer vorbestimmten Zeitdauer integriert, und

einen Synchronisier-Taktgeber (H) für das instabile Glied (7).

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das instabile Glied (7) ein bistabiles Glied ist.

3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das instabile Glied (7) zwei Ausgänge (S , S_) mit Einrichtungen

X dt

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(A , A , R) besitzt, die einen Ausgang auf die Spannung V und den

X w XXi

anderen Ausgang auf die Spannung -V kalibrieren.

4. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das instabile Glied (7) aus zwei zueinander gegengekoppelten Verstärkern (A , A) besteht.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibriereinrichtung jeweils aus zwei Quellen für Spannungen +V und -V besteht, die jeweils über einen entsprechend dem Zustand des bistabilen Gliedes (7) gesteuerten Schalter (K'₄, K"₄? K'₅, K"₅) mit ei

(2, 2¹) verbunden sind (Fig. 5).

ter (K¹ , K" A K¹ , K" ) mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung

6 - Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrierer aus zwei parallel zwischen die gemeinsame Leitung (2, 2¹) und Erde geschalteten Kapazitäten (C , C ; C„, C) besteht, wobei die gemeinsame Leitung (2, 2¹) einen Schal-

ter (K_A, K' ) zwischen den Abzweigpunkten der Kapazitäten (C₁, C₀j C , C) zur gemeinsamen Leitung (2, 2^f) hat.

7. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrier einrichtung aus einer Quelle der Spannung + V und einer Quelle der Spannung - V besteht, und daß der Integrierer (C , C) zwei einzelne Integrier stuf en hat, wobei jede

X C*

Gruppe einer Spannung + V und einer Spannung - V über zwei Schalter mit einer der Integrierstufen verbunden ist, wobei die Schalter

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der gleichen Gruppe durch die verschiedenen Zustände des instabilen Gliedes (7) gesteuert sind, und wobei der gleiche Zustand des instabilen Gliedes (7) zwei Schalter steuert, die den Quellen für Spannungen unterschiedlichen Vorzeichens zugeordnet sind.

8. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (J ) für jeden Eingang des instabilen Gliedes (7) einen Schalter und eine Kapazität in Reihe hat, daß der Ausgang jedes das instabile Glied (7) bildenden Verstärkers (A , A) zum Eingang des anderen Verstärkers (A₀, A) über einen Schalter rückgeführt ist, und daß jeder Verstärker (A , A) eine

X &

Rückkopplungsschleife von seinem Ausgang zu seinem Eingang über einen Schalter aufweist.

9. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Eingang des bistabilen Gliedes (7) einerseits mit dem Eingang des entsprechenden und das bistabile Glied (7) bildenden Verstärkers (A bzw. A) über einen ersten Schalter und eine erste Koppelkapazität und andererseits mit dem Ausgang des Verstärkers (A bzw. A) über einen zweiten Schalter und eine zweite Koppelkapazität verbunden ist, daß jedei , das bistabile Glied (7) bildende Verstärker (A , A) direkt von seinem Ausgang zu seinem Eingang über einen Schalter eine direkte Schleife (Rückkopplungsschleife) aufweist, und daß der Eingang jeder ersten Koppelkapazität, die einem Verstärker (A bzw. A) zugeordnet ist, über einen Schalter mit dem Ausgang der zweiten Koppelkapazität verbunden ist, die dem anderen Verstärker (A bzw. A) zugeordnet ist.

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10. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Eingang über einen Schalter ein Erdungsschalter vorgesehen ist, und daß ein zweiter, zum ersten Integrierer (C , C) paralleler Integrierer (C ') vorgesehen ist, dessen Ausgang zu einem der beiden Eingänge des bistabilen Gliedes (7) rückgeführt ist.

11. Verwendung des Verstärkers nach Anspruch 10 für einen Analog-Digital-Umsetzer, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Integrierer (C , C) zum anderen Eingang des bistabilen Gliedes (7) rückgeführt ist, und daß der Synchronisier-Taktgeber (H) einen ersten Zweirichtungszähler (10) fortschaltet, dessen Zählrichtung durch das Vorzeichen des kalibrierten Signales gesteuert ist, das durch das bistabile Glied (7) und einen zweiten Zähler (14) erzeugt ist.

12. Verwendung des Verstärkers nach Anspruch 10 für einen Spannungsvergleicher mit Kompensation der Offset-Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß .die beiden zu vergleichenden Spannungen an den beiden Eingängen des Verstärkers (A , A) liegen, und daß das logische Vergleichs-Ausgangssignal im Ausgang des bistabilen Gliedes (7) erhöht ist.

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