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Schaltungsanordnung zur Kompensation der Offsetspannung bei einem
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als Analog-Vergleicher betriebenen Operationsvestärker unter Berücksichtigung
der temperaturbedingten Änderungen dieser Offset-Spannung.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Kompensation
der Offsetspannung bei einem als Analog-Vergleicher betriebenen Operationsverstärker
unter Berücksichtigung der temperaturbedingten Änderungen dieser Offsetspannung.
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Im Zusammenhang mit Operationsverstärkern ist es bereits bekannt ("Internationale
Elektronische Rundschau", 1973, Nr.5, Seiten 99 bis 102, insbesondere Bild 5) zur
Ableitung der Einflüsse von Offsetspannung und Offsetstrom den Eingang des zu betrachtenden
Operationsverstärkers kurzzuschließen. Zur Kompensation von Offsetspannungen ist
es bekannt ("Internationale Elektronische Rundschau". 1973, Nr.6, Seiten 123 bis
126), zumindest einem Eingang der Eingänge des betreffenden Operationsverstärkers
eine gesonderte Kompensationsspannung zuzuführen. Diese Kompensationsspannung wird
üblicherweise von einem Potentiometer abgegriffen, das an einer geeigneten Spannungsquelle
liegt.
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Obwohl es durch die bekannten Kompensationsmaßnahmen möglich ist,
die bei einem Operationsverstärker vorhandene Offsetspannung relativ gut zu kompensieren,
eignen sich die bekannten Kompensationsmaßnahmen jedoch nicht dazu, auch temperaturbedingte
Änderungen
der Offsetspannung bei einem als Analog-Vergleicher betriebenen Operationsverstärker
ohne eine gesonderte EinsteXhng der Kompensationsschaltmittel zu kompensieren.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Wee zu zeigen,
wie bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art auf besonders einfache
Weise die Offsetspannung des als Analog-Vergleicher betriebenen O rationsverstärkers
kompensiert werden kann und wie dabei zugleich temperaturbedingte Änderungen dieser
Offsetspannung mit-berücksichtigt werden können.
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Gelöst E rd die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die bei kurzgeschlossenen
Eingängen des Operationsverstärkers von dessen Ausgang abgegebene Ausgangsspannung
zur Aufladung eines Kondensators ausgenutzt ist, der über einen Widerstand an demjenigen
Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist, an dem die an dem Kondensator
liegende Spannung die genannte Offsetspannung kompensiert.
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Die Erfindung bringt &n Vorteil eines relativ geiingen schaltungstechnischen
Aufwands mit sich, um die Offsetspannung bei dem als Analog-Vergleicher betriebenen
Operationsverstärker und zugleich temperaturbedingte Änderungen dieser Offsetspannung
zu kompensieren.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltungder Erfindung ist der Kondensator
über einen Schalter aufladbar, der gleichzeitig mit einem zur Herstellung eines
Kurzschlusses zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers dienenden Schalterbetätigbar
ist.
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Hierdurch ergibt sich ein relativ geringer schaltungstechnisChr Aufwand
für die Aufladung des Kondensators auf eine Spannung zur Kompensation der Offsetspannung
des Operationsverstärkers
unter gleichzeitiger Berücksichtigug von
temperaturbedingten Änderungen dieser Offsetspannung.
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Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung
sind die beiden Schalter zu Beginn jedes Vergleichsvorganges kurzzeitig betätigbar.
Hierdurch ist auf besonders einfache Weise sichergestellt, daß während jedes Vergleichsvorganges
eine Kompensation der Offsetspannung und der temperaturbedingten Änderung dieser
Offsetspannung bei dem als Analog-Vergleicher betriebenen Operationsferstärker sichergestellt
ist.
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Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung
liegt im Ladekreis des Kondensators ein weiterer Operationsverstärker, der als Spannungsfolger
oder als Inverter geschaltet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer besonders
wirksamen Entkoppelung zwischen dem Ausgang des als Analog-Vergleicher betriebenen
Operationsverstärkers und dem genannten Kondensator.
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Von Vorteil bei der zuletzt betrachteten zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung ist es gemäß einer noch weiteren zweckmäßgen Ausgestaltung der Erfindung,
im Rückkopplungskreis des genannten weiteren Operationsverstärkers Widerstände mit
solchen, durch die Amplitude der jeweils miteinander zu vergleichenden Spannungen
bestimmten Widerstandswerten wirksam zu schalten, daß bei Vorhandensein von gleich
großen relativen Abweichung,en zwischen miteinander verglichenen Spannungen am Ausgang
des genannten weiteren Operationsverstärkers eine Ausgangsspannung mit einer von
den absoluten Amplituden der jeweils miteinander verglichenen Spannungen zumindest
weitgehend unabhängigen, allein durch die Größe der genannten relativen Abweichungen
bestimmten Amplitude auftritt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß mit relativ
geringem schaltungstechnischen Aufwand sichergestellt ist, daß auf einen Vergleich
von Spannungen hin Ausgangsspannungen abgegeben werden, die eine von den absoluten
Amplituden der jeweils miteinander verglichenen Spannungen weitgehend unabhängige,
allein von der
Größe der genannten relativen Abweichungen bestimmte
Amplitude besitzen, wobei zugleich die Offsetspannung und die temperaturbedingter
Änderungen dieser Offsetspannung bei dem als Analog Vergleicher betriebenen Operationsverstärker
und auch bei dem genannten weiteren Operationsverstärker kompensiert sind.
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Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Inder Zeichnung ist ein erster Operationsverstärker V1 gezeigt, der
als Analog-Vergleicher betrieben ist. Dieser Operationsvertärker V1 ist mit seinem
invertierenden Eingang (-) über einen Widerstand R1 an einem Eingangsanschluß El
angeschlossen. Mit seinem nichtinvertierenden Eingang (+) ist der Operationsverstärker
V1 über einen Widerstand R2 an einem Eingangsanschluß E2 angeschlossen. Neben den
erwähnten Eingangsanschlüssen ist noch ein weiterer Eingangsanschluß E3 vorhanden,
der als Masse-Eingangsanschluß dient. Zwischen den beiden Eingangsanschlüssen El
und E3 sowie zwischen den Eingangsanschlüssen E2 und E3 werden die jeweils miteinander
zu vergleichenden Spannungen, das sind Analog-Spannungen, angelegt.
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Der nichtinvertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers V1 liegt
ferner über einen Widerstand R4 an Masse. Der Ausgang des Operationsverstärkers
V1 ist über einen Widerstand R3 mit dem invertierenden Eingang (-) dieses Operationsverstärkers
V1 verbunden.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers V1 ist über einen Schutzwiderstand
R5 an dem invertierenden Eingang (-) eines weiteren Operationsverstärkers V2 mgeschlossen,
der mit seinem nichtinvertierenden Eingang (+) an Masse liegt. Der Ausgang dieses
weiteren Operations verstärkers 72 ist über gesondert wirksam schaltbare Widerstände
Ra bis Rm bzw. über eine Kurzschlußverbindungsleitung mit dem invertierenden Eingang
(-) dieses
Operationsverstärkers V2 verbunden. Die betreffenden
Widerstände Ra bis Rm liegen dabei über Schalter Sa bis Sm im Rückkopplungskreis
des betreffenden Operationsverstärkers V2, der somit als Spannungsfolger arbeitet.
Die erwähnte Kurzschlußverbindungsleitung legt dabei über einen Schalter So im Rückkopp
gskreis des Operationsverstärkers V2. Die Schalter Sa bis Sm sind mit ihren Betätigungselngängen
an Ausgängen eines Decoders Dec angeschlossen, der eingangsseitig an den Ausgängen
von Registerstufen eines Schieberegisters Reg angeschlossen ist. Dieses Schieberegister,
das im vorliegenden Fall lediglich drei Registerstufen umfaßt, ist mit seinem Schiebeeingang
an einem Eingangsanschluß E4 angeschlossen. Der Betätigungseingang des bereits erwähnten
Schalters So ist an einem Eingangsanschluß E5 angeschlossen.
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Der Ausgang des betrachteten weiteren Operationsverstärkers V2 ist
über einen Schutzwiderstand R6 an einem Ausgangsanschluß Al angeschlossen. Zwischen
dem Ausgangsanschluß Al und einem weiteren, an Masse liegenden Ausgangsanschluß
A2 ist die jeweilige Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung abnehmbar.
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Neben den zuvor erläuterten Schaltungselementen weist die in der Zeichnung
dargestellte Schaltungsanordnung noch einen Schalter Sli auf, der mit seiner Schaltstrecke
die Eingänge des als Analog-Vergleicher betriebenen Operationsverstärkers Vi verbindet.
Der Betätigungseingang des Schalters S1 liegt an einem Eingangsanschluß E6.
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Die betrachtete Schaltungsanordnung weist noch einen weiteren Schalter
S2 auf, über dessen Schaltstrecke ein Widerstand R7 am Ausgang des genannten weiteren
Operationsverstärkers V2 angeschlossen ist. Der Betätigungseingang des Schalters
S2 liegt an einem Eingangsanschluß E7. An demjenigen Ende des Widerstandes R7, das
dem mit der Schaltstrecke desnchalters
S2 verbundenen Ende abgewandt
ist, liegt ein Kondensator Cl mit seiner einen Belegung. Die andere Belegung des
Kondensators C liegt an Masse. Der Verbindungspunkt des Kondensators C und des Widerstands
R7 ist über einen weiteren Widestand R8 mit dem nichtinvertierenden Eingang (+)
des als Analog-Vergleicher betriebenen Operationsverstärkers V1 verbunden.
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Wie oben bereits erwähnt, werden den Eingangsanschlüssen El und E3
einerseits sowie E2 und E3 andererseits-die jeweils miteinander zu vergleichenen
Spannungen zugeführt. Der Operation verstärker V1 gibt ausgangsseitig auf die im
eingangsseitig zugeführten Spannungen hin eine der Spannungsdifferenz zwischen den
jeweils miteinander verglichenen Spannungen entsprechende Ausgangsspannung ab. Beträgt
beispielsweise die den Eingangsanschlüssen El, E3 zugeführte Spannung 1,0 V und
betragt die den Eingangsanschlüssen E2, E3 zugeführte Spannung 1,1 V, so gibt der
Operationsverstärker V1 eine Ausgangsspannung ab, die der Spannungsdifferenz zwischen
den beiden miteinander verglichenen Spannungen proportional ist, also einer Spannung
von 0,1 V.
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Beträgt hingegen die den Eingangsanschlüssen El, E3 zugeführte Spannung
10 V und beträgt die den Eingangsanschlüssen E2, E3 zugeführte Spannung l1.V, so
gibt der Operationsverstärker V1 ausgangsseitig eine Ausgangsspannung ab, die der
Spannungsdifferenz zwischen den beiden miteinander verglichenen Spannungen, also
der Spannung von 1 V proportional ist. In beiden gerade betrachteten Fällen war
jedoch die relative Abweichung zwischen den miteinander verglichenen Spannungen
gleich groß.
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Die im Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers V2 liegenden ohm'schen
Widerstände Ra bis Rm werden nun in Abhängigkeit von der Höhe der dem als Analog-Vergleicher
arbeiteten Operationsverstärker V1 jeweils zugeführten zu vergleichenden Spannungen
derart wirksam geschaltet, daß am Ausgang des Operationsverstärkers V2 und damit
am Ausgangsanschluß Al bezogen auf Masse Ausgangsspannungen auftreten, die - bei
Überschreiten eines
bestimmten Schwellwertes durch die Spannungsdifferenz
zwischen den jeweils miteinander zu vergleichenden Spannungen -eine weitgehend gleichbleibende
Amplitude besitzen. Bezogen auf die zuvor betrachteten Zahlenbeispele heißt dies,
daß der Operationsverstärker V2 in beiden Fällen - also sowohl bei Abgabe eines
einer Spannungsdifferenz von 0,1 V proportionalen Ausgangssignals als auch bei Abgabe
eines einer Spannungsdifferenz von 1,0 V proportionalen Ausgangssignals durch den
Operationsverstärker Vl - ein Ausgangssignal mit ein und derselben Amplitude abgibt.
Zu aiesem Zweck wird die Verstärkung des Operationsverstärkers V2 durch die in dessen
Rückkopplungskreis wirksam schaltbaren Widerstände entsprechend eingestellt. Zur
Wirksamschaltung der betreffenden Widerstände Ra bis Rm dient dabei ein Digital-Signal,
das nach Einführung in das'Schieberegister Reg über den Decoder Dec die Schließung
des in Frage kommenden Schalters steuert. Das betreffende Digital-Signal ist dabeijdurch
eine Bitfolge gebildet, die in einer durch ein vorgegebenes Codierungs- oder Decodierungsgesetz
bestimmten Beziehung zu der Amplitude der jeweils miteinander zu vergleichenden
Spannungen steht.
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Zu Beginn eines jeden Vergleichsvorganges werden lediglich die beiden
Schalter S1 und S2 geschlossen. Durch die Schließung des Schalters S1 tritt am Ausgang
des Operationsverstärkers V2 eine Ausgangsspannung auf, die aus der Offsetspannung
der beiden Operationsverstärker V1 und V2 resultiet. Die Höhe dieser Ausgangsspannung
ist im übrigen auch von temperaturbedingten Änderungen der betreffenden Offsetspannungen
abhängig. Infolge der Schließung des Schalters S2 wird somit der Kondensator C über
den Widerstand R7 auf eine der betreffenden Ausgangs spannung entsprechende Spannung
aufgeladen. Diese Spannung besitzt hier eine solche Polarität, daß im Zuge der nach
Öffnen des Schalters S2 einsetzenden Entladung des Kondensators C über den Widerstand
R8 und den Widerstand R4 am nichtinvertierenden Eingang (+)
des
Operationsverstärkers V1 eine solche Spannung liegt, daß die Offsetspannungen beider
Operationsverstärker V1 und V2 und die t-emperaturbedinz en Änderungen dieser Offsetspannungen
kompensiert sind. Wird beispielsweise der Vergleich von Spannungen wahrend einer
Zeitspanne von z.B. 100 ps durchgeführt, so genügt es, die Schalter S1 und S2 für
einige Mikrosekunden, z.B.für 5 ps, zu schließen. Dadurch ist sichergestellt, daß
in jedem Vergleichszyklus die Offsetspannungen der Operationsverstärker V1 und V2
kompensiert sind.
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Abweichend von den vorstehend erläutertm Verhältnissen sei noch darauf
hingewiesen, daß bei Wegfall des Operationsverstärkers V2 der Schalter S2 direkt
am Ausgang des Operationsverstärkers V1 angeschlossen sein kann und daß in diesem
Fall die nennung am Kondensator C an dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers
V1 abzugeben wäre. In diesem Fall erfolgte lediglich eine Kompensation der Offsetspannung
des Operationsverstärkers V2 und der temperaturbedingten Änderungen dieser Offsetspannung.
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Zusatzlich zu den in der Zeichnung dargestellten Schaitungselementen
könnte noch ein zusätzlicher Schalter im Entladekreis des Kondensators C enthalten
sein. Dieser zusätzliche Schalter wäre dann lediglich in der Entladephase des Kondensators
C geschlossen.
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Bezüglich der in der Zeichnung dargestellten und oben erwähnten Kurzscklußverbindungsleitung
über den Schalter So sei noch bemerkt, daß dem Betätigungseingang des Schalters
So vom Eingangsanschluß E5 her dann ein Schließungssignal zugeführt werden kann,
wenn beispielsweise das Vorliegen einer einen bestimmten Wert überschreitenden Abweichung
zwischen den miteinander verglichenen Spannung festgestellt wird.DurchSchließung
des Schalters So wird dann unverzüglich die Verstärkung des Operationsverstärkers
V2 auf Null herabgesetzt. Dadurch lassen sich
bei dem Operationsverstärker
V2.besonders schnell wieder beliebige Verstärkungswerte im Zuge eines weiteren Vergleichsvorgangs
erreichen.
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5 Patentansprüche 1 Figur
L e e r s e i t e