DE2646161A1

DE2646161A1 - Analoger spannungsspeicher

Info

Publication number: DE2646161A1
Application number: DE19762646161
Authority: DE
Inventors: Shunji Minami
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1975-10-13
Filing date: 1976-10-13
Publication date: 1977-04-14
Also published as: US4068136A; CA1086426A

Description

DR. BERG DIFL. ING. SIaPF DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR 2646161

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 86 02 45

Anwaltakte: 2?

Matsushita Electric Industrial Co.Ltd. Kadoma-shi Osaka-fu/Japan

Analoger Spannungsspeicher

Die Erfindung betrifft einen analogen Spannungsspeicher, mittels welchem der Unterschied zwischen zwei analogen Eingangsspannungen oder deren Summe gehalten werden kann.

Bisher sind verschiedene Arten von analogen Spannungsspeichern erdacht und geschaffen worden, um den genauen Unterschied zwischen zwei analogen Eingangsspannungen oder deren Summe zu erhalten und das Ergebnis lange Zeit zu halten; bis jetzt haben sie jedoch in der Praxis noch nicht den Erwartungen entsprochen, da ihre Schaltungen sehr kompliziert und ihrer Operationen nicht zuverlässig und betriebssicher sind.

VII/B/Kt. 7098 15/09*1 _₂_

Ϊ (089) 98 8272 8 München 80, Mauerkircherstraße 45 Banken: Bayerische Vereinsbank München 453 HXI

987043 Telegramme: BERGSTAPFPATENT München Hyno-Bank München 3890002624

983310 TELEX: 0524560 BERG d Postscheck München 65343-8118

Gemäß der Erfindung soll daher ein analoger Spannungsspeicher geschaffen werden, mit welchem der genaue Unterschied oder die Summe von zwei analogen Eingangsspannungen zu einem beliebigen Zeitpunkt erhalten und das Ergebnis für eine ziemlich lange Zeit genau gehalten werden kann, welcher im Aufbau sehr einfach, preiswert herzustellen und im Betrieb hochzuverlässig und betriebssicher ist.

Gemäß der Erfindung weist ein analoger Spannungsspeicher daher folgende Einrichtungen auf: einen Differenzverstärker, um den Unterschied zwischen zwei analogen Eingängen zu erhalten, einen Operationsverstärker mit einem nichtinvertierenden Eingang, der mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden ist, eine analoge Schalteinrichtung, von der eine Seite mit der Ausgangsschaltung des Operationsverstärkers verbunden ist, einen MOS-FeIdeffekttransistor, dessen Steuerelektrode mit der anderen Seite der analogen Schaltanordnung verbunden ist und dessen Quellenelektrode mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, einen nichtpolarisierten Kondensator, der zwischen die Steuerelektrode des MOS-Feldeffekttransistors und eine negative Energiequelle oder Erde geschaltet ist und einen Ausgangswiderstand, der zwischen die Quellenelektrode des MOS-Feldeffekttransistors und die negative Energiequelle oder Erde geschaltet ist, wodurch der Ausgang des Differenzverstärkers als eine Quellenelektroden-Folgespannung des Feldeffekttransistors erhalten und für eine ziemlich lange Zeit gehalten werden kann.

709815/0941

Gemäß der Erfindung kann die Summe von zwei analogen Eingängen oder deren Differenz mittels einer Schaltung erhalten werden, welche im Aufbau einfach ist und welche für eine ziemlich lange Zeit genau gehalten wird. Infolgedessen kann ein analoger Spannungsspeicher gemäß der Erfindung vorteilhaft in Verbindung mit einem Meßinstrument verwendet werden, um die Summe von zwei analogen Eingängen oder deren Differenz abzutasten und um das Ergebnis zu erhalten. Außerdem findet die Erfindung in großem Umfang Anwendung bei medizinischen Geräten und Einrichtungen.

Die Erfindung schafft somit einen analogen Spannungsspeicher mit einem Differenzverstärker, um die Differenz zwischen zwei analogen Eingängen zu erhalten, mit einem Operationsverstärker, an welchen der Ausgang des Differenzverstärkers und die Quellenelektroden-Folgespannung eines MOS-Feldeffekttransistors angelegt werden, mit einer Schalteinrichtung, die mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers und der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors verbunden ist, mit einem Ausgangswiderstand, der zwischen die Quellenelektrode des Feldeffekttransistors und eine negative Energiequelle oder Erde geschaltet ist, und mit einen nichtpolarisierten Kondensator, der zwischen die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors und eine negative Energiequelle oder Erde geschaltet ist, wodurch die Ausgangsspannung von dem Differenzverstärker als .Ausgangsspannung erhalten werden kann, welche die Quellenelektroden-Folgespannung des Feldeffekttransistors ist und gehalten wird· Mit dem analogen Spannungsspeicher kann somit der Unterschied zwischen zwei beliebigen analogen Eingängen für

709815/0941

lange Zeit auf eine sehr einfache Weise erhalten und gehalten werden^und infolgedessen hat er eine doppelte Funktion als Addier- oder Subtrahiereinrichtung und als analoger Speicher, ist sehr brauchbar und findet in großem Umfang Anwendung bei Meßinstrumenten und medizinischen Geräten oder Einrichtungen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von drei bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltung einer ersten Ausführungsform eines analogen Spannungsspeichers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 Wellenformen von zwei Eingangsspannungen, eines Steuersignals und einer Ausgangsspannung;

Fig. 3 eine Schaltung einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 4 Wellenformen von zwei Eingangsspannungen, eines Steuersignals und einer Ausgangsspannung;

Fig. 5 eine Schaltung einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer MOS-Feldeffekttransistüranordnung, die in der dritten, in Fig. 5

dargestellten Ausführungsform verwendet ist. 709815/0941

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt, welche einen Operationsverstärker A^ mit einem invertierenden Eingang a^ und einem nichtinvertierenden Eingang b. aufweist, welche über Widerstände R. bzw. R^ mit den Eingangsanschlussen T. und T₂ verbunden sind, an welchen Eingänge e. bzw. e₂ angelegt werden. Der invertierende Eingang a. ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers A^₁ über einen V/iderstand Rp verbunden, während der nichtinvertieren.de Eingang b. über einen V/iderstand R^, geerdet ist. Auf diese V/eise stellen der Operationsverstärker A. und die Widerstände R. bis R^, einen Differenzverstärker A. mit einer Verstärkung von eins dar.

Der Ausgang des Operationsverstärkers A^. ist über einen Widerstand Rg mit einem nichtinvertierenden Eingang b₂ des zweiten Operationsverstärkers Ap verbunden, dessen Ausgang über einen Widerstand R₇ und ein Schutzgas- oder Reedrelais RL mit der Steuerelektrode eines MOS-Feldeffekttransistors verbunden ist. (Im folgenden wird in diesem Zusammenhang von "FET" gesprochen.) Die Quellenelektrode des FET¹SQ₂ ist über einen Widerstand R₁-mit einem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers Ap, mit einem Ausgangsanschluß T^, an welchem ein Ausgang Vq erhalten wird, undnit einer Seite eines Ausgangswiderstands R₀ verbunden. Die Steuerelektrode des FET's Qp ist mit einem Anschluß eines nichtpolarisierten Kondensators G. verbunden, dessen anderer Anschluß zusammen mit der anderen Seite des Ausgangswiderstands Rq mit einer negativen Energiequelle (-) verbunden ist. Die Senkenelektrode des FET's ist mit einer positiven Energiequelle (+) und mit einem Ende einer Spule eines Schutzgas- oder Reed-

709815/09 4 1

— b —

relais RL verbunden, deren anderes Ende mit dem Kollektor eines Schalttransistors Q. verbunden ist. Dessen Basis ist über einen Widerstand Rg mit einem Steueranschluß T^ verbunden, während sein Emitter geerdet ist.

Die positive Energiequelle (+) ist auch mit den positiven Anschlüssen des ersten und zweiten Operationsverstärkers A,, und Ap und über das Schutzgas- oder Reedrelais RL mit einer Seite des Kondensators G, verbunden, während die negative Energiequelle (-) mit den negativen Anschlüssen des ersten und zweiten Operationsverstärkers A. und Ap verbunden ist.

Als nächstes wird die Arbeitsweise der ersten Ausführungsform mit dem vorbeschriebenen Aufbau anhand von Fig. 2 beschrieben. Wenn die zwei Eingänge e^ und e₂» wie in Mg. 2 (a) dargestellt ist, an den ersten Operationsverstärker A. angelegt werden, wird der nachstehend wiedergegebene Ausgang eQ erhalten:

_r V2 >, ^R4 ^R2

^eo " ⁽ΐζϊϊζ; > iq · ^e2 -

Wenn R. = R₂ = R^ =R^ ist, wird: e_Q = e₂ - e^. Der Ausgang an dem ersten Verstärker A,. ist infolgedessen die Differenz zwischen den zwei Eingängen.

Wenn die Steuerspannung V .,wie in Fig. 2(b) dargestellt, an den Steueranschluß T₁. angelegt ist, fließt ein Strom über den Widerstand Rg, so daß der Schalttransistor CL· angeschaltet wird, und

709815/0941 " ⁷ ~

folglich die Spule des Schutzgas-oder Reedrelais EL erregt, um den Schutzrohrkontakt zu schließen. Wenn Vq > e_Q ist, ist der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers Ap negativ, und der Kondensator C- wird über den Widerstand R₇ entladen. Als Folge hiervon nimmt der Strom an der Senkenelektrode des FET's Q₂ mit der Spannungsabnähme an dem Kondensator Gy. ab und folglich nimmt die Ausgangsspannung Vq an dem Ausgangswiderstand Rq ab und wird schließlich gleich e₀. Der Ausgang an dem zweiten Operationsverstärker Ap ist dann ausgeglichen, und die Entladung des Kondensators C- wird unterbrochen.

Wenn das Steuersignal V- weggenommen, d.h. nicht mehr angelegt wird, wird das Schutzgas- oder Reedrelais RL abgeschaltet, so daß die Spannung an dem Kondensator C- unverändert bleibt. Auf diese Weise wird, während das Steuersignal V- angelegt wird, die Ausgangsspannung Vq = e_Q (Vq = e_Q), um den Spannungsunterschied zwischen den zwei Eingängen e. und βρ zu halten.

Wenn e_Q > V_Q ist, und wenn das Steuersignal V^ an den Steueranschluß T^, angelegt wird, ist der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers Ap positiv, und das Schutzgas- oder Reedrelais RL wird in der vorbeschriebenen Weise geschlossen, so daß mit dem Laden des Kondensators G, begonnen wird, wodurch die Spannung an diesem zunimmt, bis die Quellenelektroden-Folgespannung oder die Ausgangsspannung Vq gleich e_Q wird. Der zweite Operationsverstärker Ao ist dann in den Gleichgewichtszustand gebracht, und selbst wenn das Steuersignal V- entfernt, d.h. nicht mehr ange-

- 8 709815/09 41

legt wird, bleibt die Ausgangsspannung Vq gleich e_Q, wie in S¹Ig. 2(c) dargestellt ist.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu ersehen, daß mit einer ausreichend kleinen Zeitkonstanten einer Schaltung aus dem Widerstand R₇ und dem Kondensator C. die analoge Operation oder Berechnung, um Vq = e₂ - e. zu erhalten, sehr vereinfacht werden kann. In ähnlicher V/eise kann eine analoge Addition und Speicherung bewirkt werden, wenn der Eingang e, in die Größe -e. invertiert wird und an den invertierenden Eingang a^, des ersten Operationsverstärkers A^, angelegt wird.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in welcher ein Differenzverstärker A.q mit einer Verstärkung von eins einen ersten Operationsverstärker A^ sowie Widerstände R^^ bis R^₇, aufweist, und Eingänge e^ und e^p an einen invertierenden Eingang a^y, bzw. einen nichtinvertierenden Eingang 'by.y, angelegt werden. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers ky.y, ist mit einem nichtinvertierenden Eingang b,p eines zweiten Operationsverstärkers a^p verbunden, dessen negativer Anschluß über eine Zenerdiode D mit einer negativen Energiequelle (-) verbunden ist. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers A. ρ ist mit der Senkenelektrode eines ersten FET's Q.. verbunden, dessen Quellenelektrode mit der Steuerelektrode eines zweiten FET's Q,p verbunden ist. Ein nichtpolarisierter Kondensator CL,. ist zwischen die Steuerelektrode des zweiten FET's CLp und Erde geschaltet, und die Quellenelektrode des zweiten FET¹S Q^₂ ist über einen Widerstand R^ mit der negativen Energiequelle, mit

- 9 -709815/0941

einem Ausgangsanschluß T und mit einem invertierenden Eingang a.g cLes zweiten Operationsverstärkers A.p verbunden. Die Steuerelektrode des ersten FET's CL·. ist über einen Widerstand R.g mit der negativen Energiequelle und über einen Widerstand R.,- mit einem Steueranschluß T.^ verbunden. Die positiven Anschlüsse des ersten und zweiten Operationsverstärkers A^~ und A-_? und die Senkenelektrode des zweiten IET's Q^o sind mit einer positiven Energiequelle (+) verbunden, und die negativen Anschlüsse des ersten Opei'ationsverstarkers A^y. sind mit der negativen Energiequelle (-) verbunden. Auf diese Weise wird die Quellenelektroden-Folgespannung des zweiten FET's Q_x.- al^s Ausgangsspannung V^₀ an dem Ausgangswiderstand R^ erhalten.

Als η ächstes wird die Arbeitsweise dieser Schaltung anhand der Fig. M- beschrieben. Wenn das Steuersignal V χ.., wie in Fig. 4-(b) dargestellt, an den Steueranschluß T.^ und somit an die Steuerelektrode des ersten FET's Q^. angelegt wird, und die zwei Eingänge e^y, und e.p ^an <3-^en invertierenden Eingang a.. bzw. den nichtinvertierenden Eingang b.. des ersten Operationsverstärkers A^ angelegt werden, wie in Fig. 4-(a) dargestellt ist, wird der erste FET Q.. für eine Zeitdauer angeschaltet gehalten, welche gleich der Impulsbreite ? des Steuersignals V ,»,. ist. (Siehe Fig. 4-(b)). (Der Widerstand R_x,^ hat einen Wert, der erheblich kleiner ist als der des Widerstands R^₆; das heißt, R_-1,- « ^R^ig·) Der Ausgang e.Qdes Differenzverstärkers A^q, welcher den ersten Operationsverstärker L^ und die V/iderstände R.. bis R.. aufweist, läßt sich dann ausdrucken durch:

^e10 ^{= e}12 " ^e11

- 10 709815/0941

Wenn e.Q > V^₀ ist, dann ist der Ausgang des Operationsverstärkers A^₂ positiv, und der Kondensator C.. wird über einen Innenwiderstand r des ersten FET's Q.. geladen. Aufgrund der Wirkung des zweiten Operationsverstärkers A^₂ steigt dann der Ausgang des zweiten FET¹S Q^₂ an, bis

V₁₀ = e₁₀ ist.

Bei Verschwinden des Steuersignals V ., wird der erste FET Q.,. abgeschaltet, und die an sich vorhandene Spannung an dem Kondensator C^₁ bleibt erhalten, so daß die Beziehung V^q = e^Q gehalten wird.

V/enn dann das nächste Steuersignal Ϊ >. an den Steueranschluß T.^ angelegt wird, wird eine entsprechende Operation wiederholt, so daß der analoge Spannungsspeicher die Ausgangsspannung hält, welche gleich e^A = β/ιό ~ ^ei<i i^s*· Auf diese Weise ändert sich dann die Ausgangsspannung V^₀ mit der Zeit, wie in Fig. 4(c) dargestellt ist.

Die dritte in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform der Erfindung entspricht im wesentlichen dem Aufbau der zweiten in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, außer daß statt des ersten FET's Q^₁ zwei FET'en verwendet sind. Insbesondere weist eine FET-Anordnung Q ' zwei FET'en auf, deren Masseanschlüsse und Quellenelektroden jeweils mechanisch miteinander verbunden sind, und deren Quellenelektroden elektrisch miteinander verbunden sind, so daß der Sperrzustand der FET-Anordnung Q^₁ äquivalent dem Zustand ist, der durch zwei Dioden geschaffen ist, die gegenpolige geschaltet sind, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Infolgedessen arbeitet die

- 11 709815/0941

«Η

ΕΈΤ-Anordnung Q-' wie ein Schalter mit einem erheblich höheren Isolierungsgrad. Die Arbeitsweise der dritten Ausführungsform entspricht im wesentlichen der der zweiten Ausführungsform.

Sowohl die zweite als auch die dritte Ausführungsform arbeiten jeweils als ein analoger Addier-Speicher wie im Fall derersten Aus führungsform.

In der ersten Ausführungsform ist der andere Anschluß des Kondensators G mit der negativen Energiequelle verbunden, während in der zweiten und der dritten Ausführungsform der Kondensator C--an dem anderen Anschluß geerdet ist; ihre Wirkungsweisen sind jedoch abgesehen von dem Unterschied bei dem Bezugsspannungspegel für den Kondensator C- im wesentlichen ähnlich. Die Wahl hängt davon ab, ob der negative Ausgang der Quellenelektroden-Folgestufe, welcher als Ausgangsspannung gehalten wird, gefordert wird oder nicht.

Wenn einer der Eingänge e* oder e^ bzw. e.^, oder e^ ³^ Differenzverstärker Aq oder A-q als Bezugs spannung gewählt wird, kann die Erfindung in sehr vorteilhafter Weise in Verbindung mit einem Instrument zum Messen des Gehalts an giftigen Gasen in der Atmosphäre bzw. der Umgebungsluft, eines Flüssigkeitspegels oder des Blutdrucks verwendet werden.

Patentansprüche - 12 -

709815/0941

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Analoger Spannungsspeicher, gekennzeichnet durch einen Differenzverstärker(Aq-, A.q), um die Differenz zwischen zwei analogen Eingängen (e^., e₂; e.., e^) ^zu erhalten; durch einen Operationsverstärker (A₂; A^₂) ^m^ einem nichtinvertierenden Eingang (b₂; b/i?)» ^-^{er m}^-* ^^em Ausgang des Differenzverstärkers (Aq; A^q) verbunden ist; durch eine analoge Schalteinrichtung (RL; Q/1-1; Q/iJi)» die mit einer Seite mit der Ausgangsschaltung des Operationsverstärkers (A₂; A^₂) verbunden ist; durch einen MOS-Feldeffekttransistor (Q₂; Qz₁₂)» dessen Steuerelektrode mit der anderen Seite der analogen Schalteinrichtung (RL; Q/1Z1; Q/i-i) verbunden ist, und dessen Quellenelektrode mit einem invertierenden Eingang (a₂; a^₂) des Operationsverstärkers (A₂; A^₁₂) verbunden ist; durch einen nichtpolarisierten Kondensator (G^; C..), der zwischen die Steuerelektrode des MOS-Peldeffekttransistors (Q₂; Q/ip) ^un<3· ^ei^ne negative Energiequelle (-) oder Erde geschaltet ist; und durch einen Ausgangswiderstand (Rq; ^R-*in)» der zwischen die Quellenelektrode des MOS-Feldeffekttransistors (Q₂; Qzip) ^und· ä-i-^e negative Energiequelle (-) oder Erde geschaltet ist.
2. Analoger Spannungspeicher nach Anspruch 1, dadurch g e k e η nz e i ohne t, daß die analoge Schalteinrichtung ein Schutzgas- oder Reedrelais (RL) ist·
3. Analoger Spannungsspeicher nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß die analoge Schalteinrichtung einen

7098 15/0941 - 13 -

zweiten MOS-Feldeffekttransistor (Q₁₁) aufweist, und daß eine Zenerdiode (D) zwischen die negative Energiequelle (-) und einen negativen Anschluß des Operationsverstärkers (Α,^) geschaltet ist.
4·. Analoger Spannungssepeicher nach Anspruch 2, dadurch g ekennzeichnet, daß der Eingangswiderstand (Rr₇) zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers (Aq) und einen Anschluß des Schutzgas- oder Reedrelais (RL) geschaltet ist, dessen anderer Anschluß mit der Steuerelektrode des MOS-Feldeffekttransistors (Q₂) verbunden ist, und daß eine Seite der Spule des Schutzgas- oder Reedrelais (RL) über einen Schalttransistor (Gh) mit einem Steueranschluß (T^.) verbunden ist, an welchem ein Steuersignal (V ^) angelegt wird.
5. Analoger Spannungsspeicher nach Anspruch 3, dadurch g ekennz eichnet, daß die Steuerelektrode des zweiten MOS-Feldeffekttransistors (Q₁X,) über einen Widerstand (R₁₆) mit der negativen Energiequelle (-) und über einen Widerstand (R₁I=) mit einem Steueranschluß (T₁^.) verbunden ist, an welchen das Steuersignal (? .,) angelegt wird.
6. Analoger Spannungsspeicher nach Anspruch 1, dadurch g ekennz eichnet, daß die analoge Schalteinrichtung zwei MOS-Feldeffekttransistoren aufweist, bei welchen die Masse und Quellenelektroden Jeweils mechanisch miteinander verbunden sind, und deren Quellenelektroden elektrisch miteinander ver-

- 14 -

709816/0941

bunden sind, und daß eine Zenerdiode (D) zwischen einen negativen Anschluß des Operationsverstärkers (A^p) und die negative Energiequelle (-) geschaltet ist.
7. Analoger Spannungsspeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden der zwei MOS-Feldeffekttransistoren (Q^i) über einen Widerstand(E-g) mit der negativen
Energiequelle (-) und über einen Widerstand (-Bvin) mit einem
Steueranschluß (^W) verbunden sind, an welchen das Steuersignal
angelegt wird.

709815/0941