DE2726482B2 - Kapazitätsvergrößerungsschaltung - Google Patents
KapazitätsvergrößerungsschaltungInfo
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Description
C =
(G-I)(CD-(Cl)-
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nenner (G-1)(C2)-C\ gleich
<5 ist,mitO < δ <Ci.
4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei dem Verstärker (20) um einen Differenz-Operationsverstärker handelt, wobei
der erste Kondensator (13) zwischen das positive Eingangstor (21) und das Ausgangstor (22) des
Verstärkers (20) geschaltet ist;
daß der zweite Kondensator (11) zwischen das positive Eingangstor (21) um das Schaltungseingangstor (23) geschaltet ist; und
daß die Verstärkung des Verstärkers definiert ist durch einen ersten Widerstand (14), der zwischen das Ausgangstor (22) des Verstärkers und das negative Eingangstor (25) des Verstärkers geschaltet ist, und einen zweiten Widerstand (17), der zwischen das negative Eingangstor (25) und eine Quelle konstanten Potentials (27) geschaltet ist.
daß der zweite Kondensator (11) zwischen das positive Eingangstor (21) um das Schaltungseingangstor (23) geschaltet ist; und
daß die Verstärkung des Verstärkers definiert ist durch einen ersten Widerstand (14), der zwischen das Ausgangstor (22) des Verstärkers und das negative Eingangstor (25) des Verstärkers geschaltet ist, und einen zweiten Widerstand (17), der zwischen das negative Eingangstor (25) und eine Quelle konstanten Potentials (27) geschaltet ist.
Die Erfindung betrifft Kapazitätsvergrößerungsschaltungen mit einem Verstärker und einem Kondensator,
der zwischen das Verstärkereingangstor und das Verstärkerausgangstor geschaltet ist.
Die Möglichkeit zur Vergrößerung der Kapazität eines Kondensators wurde zuerst als unerwünschter
Nebeneffekt bei der Signalverstärkung entdeckt, als die Platten-Gitter-Kapazität einer Elektronenröhre durch
die Verstärkung des Verstärkers effektiv verstärkt wurde. Diese Erscheinung, Miller-Effekt genannt, wurde
zur absichtlichen Verstärkung der Größe eines Kondensators verwendet, wodurch ein großer Kapazitätswert
mit einem körperlich kleinen Kondensator erreicht wurde. Auf dem Gebiet der integrierten Analogschaliiiiigen
ist diese Möglichkeit recht wichtig geworden, da Induktivitäten nicht wirtschaftlich hergestellt werden
können, während Kondensatoren mit kleinem Kapazitätswert leicht real'siert werden können. Folglich
werden analoge integrierte Schaltungen typischerweise mii aktiven Elementen, Widerständen und, falls
erforderlich, mit Kondensatoren kleiner Kapazität hergestellt
Eine Miller-Effekt-Kapazitätsvergrößerung tritt auf, wenn gemäß F i g. 1 ein Verstärker 10 mit hoher
Eingangsimpedanz und Verstärkung — G einen Kondensator 12 aufweist, der zwischen das Eingangstor 15
und das Ausgangstor 16 des Verstärkers geschaltet ist. Die negative Verstärkung beruht auf der Tatsache, daß
die Spannungen am Eingangs- und am Ausgangstor des Verstärkers einen Phasenunterschied von 180° aufweisen
(vgL Electronics, 25. Juli 1974, Seiten 116—117).
Aufgrund der hohen Eingangsimpedanz des Verstärkers, die mehr als lOmal so groß wie die Impedanz des
Kondensators 12 ist, fließt der Strom /, der durch eine an das Eingangstor 15 angelegte Spannung Verzeugt wird,
fast ausschließlich durch den Kondensator 12, und er ist proportional zur Ableitung der Spannung über dem
Kondensator. Da die Spannung über dem Kondensator 12 gleich V-(-GV)oder (\ + G)Vist, ist der zwischen
den Toren 15 und 16 fließende Strom
I = (I+ G) VC,
wobei V die Ableitung von V und C der Wert des
Kondensators 12 ist. Aus Gleichung (1) kann man ersehen, daß zwischen den Toren 15 und 16 eine reine
Kapazität erscheint und daß diese Kapazität den Wert (l+G;Chat.
Die in F i g. 1 gezeigte bekannte Schaltung hat drei
Nachteile. Erstens: Für große Kapazitätsvergrößerungswerte muß die Verstärkung G groß sein, was dazu
führt, daß die effektive Kapazität stark durch die Verstärkung des Verstärkers beeinflußt wird. Zweitens:
Um eine reine kapazitive Impedanz zwischen den Toren 15 und 16 zu erhalten, muß die Eingangsimpedanz des
Verstärkers ausreichend hoch sein, um nicht einen: beträchtlichen Teil des Stromes vom Kondensator 12
abzuziehen und diesen zu überbrücken. Drittens: Da eine hohe Impedanz benötigt wird, ist es schwierig,
einen Verstärker mit großem Verstärkungswert zu entwickeln, was zu einer Beschränkung der erhältlichen
Kapazitätsvergrößerung führt.
Entsprechend den erfindungsgemäßen Prinzipien werden diese Nachteile minimal gemacht und erhält
man eine starke Kapazitätsvergrößerung mit einer Schaltung enthaltend einen Verstärker mit einer
positiven Verstärkung G, einen ersten Kondensator mit einem Wert Cl und einen zweiten Kondensator mit
einem Wert C2. Der erste Kondensator ist zwischen das Eingangstor des Verstärkers und ein Eingangstor
der Schaltung geschaltet, der zweite Kondensator ist zwischen das Eingangstor und das Ausgangstor des
Verstärkers geschaltet und das Ausgangstor des Verstärkers ist an ein Ausgangstor der Schaltung
angeschlossen. Eine effektive Kapazität mit dem Wert Ci2Zo wird verwirklicht, wenn die Bedingung (G-1)
C2-C1 = <5 erfüllt ist, wobei ö ein beliebig kleiner
positiver Wert ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung
zeigt
F i g. 1 eine bekannte Kapazitätsvergrößerungsschal-
Fig.2 eine erfindungsgemäße Kapazitätsvergrößerungsschaltung
und
F i g. 3 die Schaltung der F i g. 2 mit einer zugehörigen Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Verstärkung
des Verstärkers.
Den erfindungsgemäßen Prinzipien entsprechend wird eine Kapazitätsvergrößerung mit der in Fig.2
gezeigten Schaltung erreicht
In F i g. 2 hat ein Verstärker 20 positiver Verstärkung G ein Eingangstor 21 und ein Ausgangstor 22. Ein
Kondensator 11 mit einem Wert CX ist zwischen das Eingangstor 21 und einen Schaltungseingangsanschluß
23 geschaltet Ein Kondensator 13 mit einem Wert C2
ist zwischen die Tore 21 und 22 geschaltet Das Tor 22 weist einen Ausgangsanschluß der Schaltung auf.
Wenn der Verstärker 20 eine hohe Eingangsimpedanz aufweist, fließt der zwischen den Toren 21 und 22
fließende Strom fast ausschließlich durch den Kondensator 13. Der Kondensator 13 unterliegt Jer Potentialdifferenz
(1 - G)V, wobei Kdas Potential am Tor 21 ist Aus Gleichung (1) kann man deshalb sehen, daß die
effektive Kapazität zwischen den Toren 21 und 22 gleich (1 - G) C2 ist (was für G
> 1 negativ ist). Da sich der Kondensator 11 in Reihenschaltung mit der effektiven
Kapazität zwischen den Toren 21 und 22 befindet ist die resultierende effektive Kapazität Czwischen den Toren
23 und 22
1 _ 1
~C~ Cl+ -(G- 1)C2
~C~ Cl+ -(G- 1)C2
(G-UC2C1
(G-1)C2-C1
(G-1)C2-C1
Eine Untersuchung der Gleichung (3) zeigt: je kleiner der Nenner ist, um so größer ist die effektive Kapazität
C Vorteilhafterweise wird der Nenner der Gleichung (3) für eine maximale Kapazitätsvergrößerung beliebig
klein, jedoch noch positiv gemacht Speziell wenn (G-1)C2-C1 = «5 undO
< ö < Cl ist dann ist
C =
Der Wert der erforderlichen Verstärkung G ist sowohl eine Funktion von Cl und C2 als auch eine
Funktion der gewünschten effektiven Kapazität. Wenn beispielsweise Cl gleich C2 ist und die gewünschte
effektive Kapazität 1000 C2 ist dann ergibt sich aus Gleichung (2)
(G-I) C22
1000 C2 =
(G-2)C2
= I Y
1000-1
Das heißt, die erforderliche Verstärkung G ist lediglich etwas größer als 2.
Um im Verstärker 20 eine spezifizierte Verstärkung zu erhalten, kann es günstig sein, einen Differenz-Operationsverstärker
zu verwenden und die Gesamtverstärkung des Verstärkers mit geeignet geschalteten
Rückkopplungswiderständen zu steuern. Eine solche Anordnung ist in F i g. 3 gezeigt Dabei handelt es sich
bei dem Verstärker 20 um einen Differenzverstärker mit einem positiven Eingangstor 21, linem negativen
Eingangstor 25 und einer großen Differenzverstärkung
ίο A Entsprechend den erfindungsgemäßen Prinzipien,
wie sie F i g. 2 zeigt ist ein Kondensator 13 zwischen das Ausgangstor 22 des Verstärkers und das positive
Eingangstor 21 des Verstärkers geschaltet und ein Kondensator 11 ist zwischen das Eingangstor 21 des
Verstärkers und ein Schaltungseingangstor 23 geschaltet Um die Verstärkung des Verstärkers 20 nach Bedarf
einzustellen, umfaßt die Schaltung der Fig.3 ferner
einen Widerstand 14 mit einem Wert R 1, der zwischen das Verstärkerausgangstor 22 und das negative
Verstärkereingangstor 25 geschaltet ist und einen Widerstand 17 mit einem Wert R2, der zwischen das
Tor 25 und einen Anschluß 26, der mit einer Quelle 27 eines festgelegten Potentials verbunden ist geschaltet
ist Unter Verwendung von Standard-Rückkopplungsanalysemethoden kann man leicht zeigen, daß die
Verstärkung des Verstärkers 20 im wesentlichen gleich
1 + Ri/R 2 ist. Für eine gewünschte Verstärkung von
2 + «, wobei λ beispielsweise gleich -J755-—r ist, wird
IU\JU — 1
Λ 1 gleich (1 + oc)R 2 gemacht
Aus der vorausgehenden Beschreibung kann man sehen, daß die Schaltung nach F i g. 2 im Gegensatz zur
Schaltung nach F i g. 1 eine sehr niedrige Verstärkung G des Verstärkers verwendet unabhängig von der
gewünschten Kapazitätsvergrößerung. Man kann auch sehen, daß bei Verwendung eines Differenzverstärkers
dessen Differenzverstärkung A vor der effektiven Verstärkung G nicht sehr groß zu sein braucht, und
folglich kann die Kapazitätsvergrößerung mit einem hohen Grad an Stabilität erreicht werden, unabhängig
vom exakten Wert von A. Das heißt die Genauigkeit, mit welcher ein Rückkopplungsverstärker auf einer
Verstärkung G gehalten werden kann, liegt im Bereich
von-j. Wenn A im Vergleich zu —sehr groß ist, dann
geht für alle praktischen Zwecke die Verstärkung A des Verstärkers nicht in die Verstärkungsformel ein, und die
Verstärkung G ist eine Funktion lediglich der Widerstandsgenauigkeit. Wenn « klein ist, angenommen
im Bereich von 0,001, ist es nicht schwierig, eine genaue 0,l%ige Differenz zwischen zwei hochqualitativen
Widerständen mit der gleichen Temperaturabhängigkdt aufrecht zu halten. Schließlich kann man auch
sehen, daß, obwohl sowohl die Schaltung der F i & 1 als auch die Schaltung der F i g. 2 eine hohe Eingangvmpedanz
erfordern, die relativ niedrige Verstärkungsanforderung für den Verstärker in der Schaltung nach F i g. 2
eine leichtere Verwirklichung einer hohen Eingangsimpedanz erlaubt
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Schaltung mit einem Eingangstor (23) und einem Ausgangstor (24) zum Verstärken einer Kapazität,
enthaltend
einen Verstärker (20);
einen ersten Kondensator (13) mit der Kapazität C 2, der zwischen ein Eingangstor (21) und ein Ausgangstor
(22) des Verstärkers geschaltet ist; eine Vorrichtung zum Koppeln des Schaltungseingangstors
(23) mit dem Verstärkereingangstor (21); und
eine Vorrichtung zum Verbinden des Schaltungsausgangstors (24) mit dem Verstärkerausgangstor (22);
dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (20) eine positive Verstärkung + G aufweist und
daß es sich bei der Vorrichtung zum Verbinden des Schaltungseingangstoirs (23) mit dem Verstärkereingangstor
(21) um einen zweiten Kondensator (11) mit der Kapazität Cl handelt, der in Reihe zwischen
die Eingangstore geschaltet ist
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität C zwischen den Toren
(23) und (24) gegeben ist durch
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