DE2813720C2

DE2813720C2 - Schaltungsanordnung zur Einstellung des Verstärkungsgrades bei einem Verstärker

Info

Publication number: DE2813720C2
Application number: DE19782813720
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Ing. 3300 Braunschweig Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-03-30
Filing date: 1978-03-30
Publication date: 1984-12-20
Also published as: CH640377A5; DE2813720A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Einstellung des Verstärkungsgrades bei einem Verstärker, in dessen Rückkopp! jngskreis einzelne Widerstände wirksam bzw.^jiwirksam schaltbar sind, wobei der Eingangskreis des Verstärkers durch zusätzliche Widerstandszweige erweitert ist. deren Widerstände im Verhältnis zu den im Rückkopplungskreis des Verstärkers liegenden Widerständen so bemessen und in Abstimmung mit dem Schalten dieser Widerstände derart wirksam bzw. unwirksam schaltbar sind, daß sich der

jo Verstärkungsgrad des Verstärkers stufenweise um einen stets gleichbleibenden, vorgegebenen Faktor ändert.

Eine Schaltungsanordnung der vorstehend bezeichneten Art ist bereits bekannt (Zeitschrift »Electronics«, 18. Sept. 1975. Seiten 94,95). Be; Jiescr bekannten Schaltungsanordnung ist jedoch ein relativ hoher schaltungstechnischer Aufwand erforderlich, wenn 16 unterschiedliche Verstärkungsgrade einzustellen sind In diesem Falle ist nämlich die bekannte Sch' lungsanordnung zweimal vorzusehen.

Es ist zwar im Zusammenhang mit Operationsverstärker-Schaltungen bereits bekannt (Zeitschrift »Elektronik«. 1970, Heft 11, Seite 402), eine der Anzahl der erforderlichen unterschiedlichen Verstärkungen eines Operationsverstärkers entsprechende Anzahl von Widerständen im Rückkopplungskrcis des betreffenden Operationsverstärkers wirksam zu schalten. Dazu wird üblicherweise ein manuell bclätigbarer Drehschalter verwendet. Insgesamt ergibt sich hierdurch jedoch auch ein relativ hoher schaltungstcchnischcr Aufwand.

Es ist ferner vorgeschlagen (DE-OS 27 22 311), die Verstärkung bei einem Operationsverstärker ferngesteuert einzustellen. Für diese Verstärkungseinstellung wird ein im Dualcodc auftretendes Steuersignal verwendet, mit dessen Hilfe im Gegcnkopplungskrcis des vorgesehenen Operationsverstärkers licgendcne Widerstände wirksam bzw. unwirksam geschaltet werden. Ein derartiges Widerstandsnetzwerk im Gcgenkopplungskreis eines Operationsverstärkers hat jedoch zur Folge, daß von Hinstcllsitifc zu Einstellslufc unterschiedliche Vcrstiirkungsfaktoren auftreten. Obwohl eine derartige Verstärkungseinstellung in vielen Fällen genügt, gibt es jedoch Fälle, in denen es erwünscht ist, die Verstärkung eines Verstärkers stufenweise um stets den gleichen Faktor ändern zu können. Dies trifft insbesondere für mittels elektrischer Meßwertgeber gemessene physikalische (■/.. B. mechanische) Größen zu. Im übrigen ist die betrachtete bekannte Einrichtung nicht für die Einstellung von 16 unterschiedlichen Verstärkungsgraden ausgelegt.

so Es ist schließlich im Zusammenhang mit der selbsttätigen Bcrcichseinstclliing bei Meßgeräten mittels Lumineszenzdiode bekannt (Zeitschrift »Elektronische Rundschau«, 29 (1975), Seiten 141 bis 143), die betreffende Lumineszenzdiode zur Abgabe von Licht an einen Fotowiderstand auszunutzen, der im Rückkopplungskrcis eines Operationsverstärkers liegt. Hierdurch ist es jedoch ebenfalls nicht ohne weiteres möglich. 16 unterschiedliche Verstärkungsgrade einstellen zu können, die sich jeweils um einen gleichbleibenden Faktor ändern.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art mit einem geringeren schaltungstcchnichen Aufwand als bei den bisher bekannten Schaltungsanordnungen insgesamt 16 unterschiedliche Verstärkungsgrade eingestellt werden können, die sich jeweils um einen gleichbleibenden Faktor ändern.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art

bo erfindungsgemäfJ dadurch, daß zum Einstellen von 16 unterschiedlichen Verstärkungsgradcn mit einem 4-Bit-Steuersignal den ansteigenden Stellcnwertigkeiten entsprechend schaltbare Kontaktmittel mit zugehörigen Widerständen auf Eingangs- und Rückkopplungskreis anteilmäßig gleichmäßig verteilt sind und daß von doppelt eingesetzten Kontaktmittcln jeweils eines durch eine UND·Verknüpfung nur zusammen mit dem in der Sicllcnwertigkeit nächst höheren Kontaktmiltcl eine wirksame Veränderung des resultierenden Widerslands des

b) betreffenden Netzwerks hervorruft.

Die Erfindung bringt gegenüber den bisher bekannten Schaltungsanordnung^ zur Einstellung des Versiürkungsgrades bei einem Verstarker den Vorteil mit sich, daß mit. einem relativ geringen schaltungslcchnischcn Aufwand ausgekommen werden kann, um insgesamt Ib unterschiedliche Vcrslärkungsgrade einstellen /u kön-

nen, die sich jeweils um einen gleichbleibenden Faktor ändern.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Verstärker ein Operationsverstärker, der als invertierender gegengekoppelter Verstärker betrieben ist Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß die im Rückkopplungskreis und im Eingangskreis des Verstärkers einzufügenden Widerstände relativ einfach bestimmt werden können.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind für das Wirksamschalten bzw. Unwirksamschalten der Widerstände elektronische Analogschalter oder optoelektronische Koppelelemente verwendet Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß die Schaltfunktionen ohne mechanisch bewegte, dem Verschleiß unterworfene Teile auf rein elektrischem Wege mit beliebig codierten binären Steuersignalen ausführbar sind.

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispie! näher erläutert

In der Zeichnung ist als Verstärker ein Operationsverstärker Op dargestellt, der als invertierender, gegengekoppelter Verstärker betrieben ist. Dieser Operationsverstärker Op liegt mit seinem nichtinvertierenden Eingang + an Masse. Mit seinem invertierenden Eingang — ist der Operationsverstärker Op über ein in seinem Eingangskreis liegendes Widerstandsnetzwerk an einem Eingangsanschluß E angeschlossen. Dieses Wider-Standsnetzwerk wird weiter unten noch näher betrachtet werden. Mit seinem Ausgang ist der Operationsverstärker Op mit einem Ausgangsanschluß A verbunden. Außerdem ist der Ausgang des Operationsverstärkers Op über ein weiteres, nachstehend noch näher zu betrachtendes Widerstandsnetzwerk mit seinem invertierenden Eingang — verbunden. Dieses zuletzt erwähnte Widerstandsnetzwerk liegt im Rückkop'. _;.jngskreis des Operationsverstärkers Op.

Das im Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers Op liegende Widerstandsnetzwerk besteht im vorliegenden Fall aus einem ersten Widerstand Al. zu dem ein zweiter Widerstand R3 und ein dritter Widerstand R5 in Reihe geschaltet sind. Dem zweiten Widerstand A3 ist dabei ein Ruhekontakt al parallel geschallet, der durch ein Bit eines Verstärkungseinstellungs-Steuersignals belätigbar is' Dem dritten Widerstand R5 ist ein vierter Widerstand R6 mit einem dazu in Reihe liegenden Ruhekontakt s2 parallel geschaltet, der durch dasselbe Bit des Steuersignals betätigbar ist wie der zuvor erwähnte Ruhekontakt al. Zu dem dritten Widerstand RS und zu der Reihenschaltung aus dem vierten Widerstand R6 und dem Ruhekontakt a2 liegt noch ein Ruhekontakt b parallel, der entsprechend einem anderen Bit des erwähnten Steuersignals betätigbar ist.

Das im Eingangskreis des Operationsverstärkers Op liegende Widerstandsnetzwerk besteht aus einem Eingangswiderstand Rl, dem ein fünfter Widerstand Kl mit einem dazu in Reihe liegenden Arbeitskontakt el parallel geschaltet ist. Dieser Arbeitskontakt el wird durch ein noch weiteres Bit des erwähnten Steuersignals betätigt. Dem Fingangswidcrstand Rl liegt ferner ein sechster Widerstand RS mit einem dazu in Reihe liegenden Arbeitskontakt dparallel. Dieser Arbeitskontakt d wird durch ein noch weiteres Bit des erwähnten Steuersignals betätigt Dem gerade erwähnten Widerstand RS liegt schließlich noch ein siebenter Widerstand R9 mit einem dazu in Reihe liegenden Arbeiiskontaki el parallel. Dieser Arbeitskontakt dl wird durch dasselbe Bit des erwähnten Steuersignals betätigt wie der bereits erwähnte Arbeitskontüki el.

Zur Betätigung der vorstehend bezeichneten Schalter — die durch elektronische Schalter oder durch optoelektronische Koppelelemcnte gebildet sein mögen — wird im vorliegenden Fall ein vier Bits umfassendes Steuersignal verwendet. Im folgenden ist anhand einer Tabelle der Zusammenhang zwischen den einzelnen einstellbaren Verstärkungsgraden und den Bits des Steuersig.ials veranschaulicht, welches beispielsweise mit seinem Bit niedrigster Wertigkeit die Ruhekontakte al und al und mit seinem Bit höchster Wertigkeit den Arbcilskontakt c/steuert

Verstärk, ingsgriidc Steuersignal	0	6	.7
*d c*	0	0	0
Vo 0 0	0	0	f
ν, 0 0	0	1	0
V₂ 0 0	I	I	1
Vi 0 0	I	0	0
V₄ 0 I	I	0	1
V; 0 I	I	1	0
v, 0 1		1	1
v, 0 1		0	0
v«		0	1
Vp		t	0
V\|(i		I	1
VlI	0	0
Vl.'	0	I
Vn	I	0
I'M	]	1
Vr,
;i- I und ti---- ! bedeutet,
d;il3 α und /'geöffnet sind;
c- I und <l- I bedeutet.
d;i\|j i" und tVvicsch lossen sind

Ιό IZV

Zum Berechnen der einzelnen Widerstünde im Rückkopplungskreis und im Eingangskreis des Operationsverstärkers wird von einer vorgegebenen Grundvcrslärkung w,,des Operationsverstärkers Op ausgegangen. Diese Grundverstärkung v„ entspricht dem Verhältnis des Widerstands R\ zu dem Widerstand R2. Gehl man ferner davon aus, daß sich der Verstärkungsgrad in der betrachteten Schaltungsanordnung von Stufe /u Stufe um einen Faktor von beispielsweise 1,1 ändern soll, so ergeben sich für die neben den bereits erwähnten Widerständen /?1 und Rl vorzusehenden Widerstände /?3, /?5, Rf>, R7, RS und K9 folgende Bemcssungsgroüen:

R1

V₀ = -r-r ' Verstfirkungsänderungsfaktor = 1,1

A Z

ν, - 1,1' V₀-I₁I ~ - *l±£A_d.h. _R3 ^ o.l Λ1

ν, =1.1^: V₀- 1.21· υ - d.h. Λ 4 -0,21 Al

Ki Ri

wobei RA 'RS Il Ä 6 gilt v, -1.1' -V₀-1,33· 4I - d.h. RS -OM Ri

Rl RlRl 0,46

Ä2+Ä7

Rl+Ri

3,14-jl - ; R₉ ^R1

Rl Rl-RT Ri-R9 ' 0,54

R1+RT+RS+R9

Im vorstehenden sind lediglich diejenigen Verstärkungsgrade näher betrachtet worden, die zur Bemessung der einzelnen Widerstände benötigt worden sind. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß sich einander unmittelbar benachbarte unterschiedliche Verstärkungsgrade jeweils um denselben Verstärkungsstufenfaktor von 1 I

so voneinander unterscheiden. Wenn die Forderung besteht, mit anderen Verstärkungsgraden zu arbeiten, dann sind die neben den Widerständen Al und R2 bei der betrachteten Schaltungsanordnung vorzusehenden Widerstände nach dem vorstehenden Schema entsprechend zu bemessen.

Abschließend sei noch bemerkt, daß in Abweichung von den vorstehend erläuterten und in der Zeichnung dargestellten Verhältnissen auch so vorgegangen werden kann, daß der Verstärker der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in mehrere Verstärkerstufen aufgeteilt ist und daß jeder derartigen Verstärkerstufe im Eingangskreis und im Rückkopplungskreis Widerstände entsprechend den vorstehenden Ausführungen zugeordnet sind. Außerdem sei noch angemerkt, daß Erweiterungen der vorstehend erläuterten Verhältnisse in der Weise möglich sind, daß im Eingangskreis und im Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers eine größere Anzahl von Widerständen und Schaltern vorgesehen ist. Wenn man beispielsweise neben den Widerständen Ri und R2 noch 12 zusätzliche Widerstände entsprechend dem vorstehend erläuterten Schema vorsieht, so lassen sich insgesamt 2⁶ = 64 unterschiedliche Verstärkungsgrade mit der betreffenden Schaltungsanordnung erreichen. Überdies sei noch angemerkt, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung eines Operationsverstärkers als Verstärker beschränkt ist. Vielmehr kann das Prinzip der vorliegenden Erfindung grundsätzlich bei jeder Art von Verstärker angewandt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Einstellung des Verstärkungsgrades bei einem Verstärker, in dessen Rückkoppiungskreis einzelne Widerstände wirksam bzw. unwirksam schaltbar sind, wobei der Eingangskreis des Verstärkers durch zusätzliche Widerstandszweige erweitert ist. tieren Widerstände im Verhältnis zu den im Rückkopplungskrcis des Verstärkers liegenden Widerständen so bemessen und in Abstimmung mit dem Schalten dieser Widerstände derart wirksam bzw. unwirksam sch&hbar sind, daß sich der Verstärkungsgrad des Verstärkers stufenweise um einen stets gleichbleibenden, vorgegebenen Faktor ändert, dadurch gekennzeichnet, daß zum hinstellen von 16 unterschiedlichen Verstärkungsgraden mit einem 4-Bii-Steuersignal den ansteigenden Stellcnwcrtigkeiten entsprechend schaltbare Kontaktmittel (a, b. c, d) mit zugehörigen Widerständen (R3, R5, R6, Rl, RS, R9) auf Eingangs- und Rückkopplungskreis anteilmäßig gleichmäßig verteilt sind und daß von doppelt eingesetzten Kontaklinitteln (a und c) jeweils eines (a2 und d2) durch eine UND-Verknüpfung nur zusammen mit dem in der Stellenwcrtigkeil nächst höheren Kontaktmittel (b bzw. d) eine wirksame Veränderung des resuuierendcn Widerstands des betreffenden Netzwerks hervorruft.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (Op) ein Operationsverstärker ist, der als invertierender gegengekoppelter Verstärker betrieben ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß für das Wirksamschalten bzw. Unwirksamschalten der Widerstände elektronische Analogschalter (al, a2, b, ei, c2, df oder optoclektronische koppelelemente verwendet sind.