DE2944988A1 - Ladungs-verstaerker-schaltung - Google Patents

Ladungs-verstaerker-schaltung

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DE2944988A1 DE19792944988 DE2944988A DE2944988A1 DE 2944988 A1 DE2944988 A1 DE 2944988A1 DE 19792944988 DE19792944988 DE 19792944988 DE 2944988 A DE2944988 A DE 2944988A DE 2944988 A1 DE2944988 A1 DE 2944988A1
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Description

2344968
Sundetrand Data Control, Inc. Redmond, WA
V.St.A,
Ladungs-Verstärker-Schaltung
Die Erfindung betrifft eine Ladungs-Verstärker-Schaltung bzw. einen Ladungs-Verstärker, um insbesondere ein Ausgangssignal aus einem Eingangssignal eines kapazitiven Meßumformers zu erzeugen.
In einem bestehenden Signal-Verarbeitungssystem dient ein Ladungs-Verstärker als die erste Stufe zum Erzeugen eines Signales für folgende Stufen von einem kapazitiven Beschleunigungs-Meßumformer. Die folgenden Stufen verwenden das Signal vom Ladungs-Verstärker und messen mittels eines Integrierers Geschwindigkeit und Verschiebung eines bewegten Prüflings.
Ee ist von Bedeutung, dafl der Ladungs-Verstärker in einem derartigen System eine sehr kleine Offset-Gleichepannung besitzt, da derartige Offset-Spannungen über relativ lange Zeitdauern integriert werden und eine beträchtliche Ab-
572-(B O1229)-E
030020/0810
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weichung im Ausgangssignal hervorrufen können. Die Drift der Offset-Spannung sollte auch möglichst klein sein.
Ein anderes Problem in derartigen Signal-Verarbeitungssystemen liegt darin, daß bewirkt wird, daß der Ladungs-Verstärker lediglich während eines begrenzten Zeitintervalles arbeitet, und sein Betrieb sollte zu einer vorgewählten Zeit nach Anlegen einer Versorgungsspannung an das System beginnen. Eine Zeitverzögerung ist wünschenswert, um ein erneutes Einstellen des Verstärkers auf Null zu erlauben sowie das Entfernen von Streuladungen zu gewährleisten, die sich auf dem Rückkopplungskondensator des Ladungs-Verstärkers vor dem gewünschten Betrieb angesammelt haben können.
Der Eingangs-Meßumformer ist zufälligen Schwingungen wie z. B. während des erneut einstellenden Intervalles ausgesetzt, und somit ist es wünschenswert, den Betrieb des Verstärkers lediglich beim gewünschten Beginn der Eingangssignal-Ubertragung einzuleiten.
Ein anderes Problem, das bei der Verwendung derartiger Ladungs-Verstärker-Signal-Verarbeitungssystemen auftritt, liegt in der Schwierigkeit, kleinste Offset-Spannungen über einem weiten Temperaturbereich beizubehalten, der oft vorhanden sein kann.
Da das Ausgangssignal tatsächlich ein Gleichspannungssignal ist, muß der Ladungs-Verstärker ein gutes Gleichstrom-Ansprechen besitzen, und somit sollte das Abklingen der Gleichstromkomponente des Signales während des Betriebsintervalles möglichst klein sein.
D30020/08 Π G
Ein anderes Problem, das in derartigen Signal-Verarbeitungssystemen auftritt, liegt in der Tatsache, daß merkliches Rauschen oft vorhanden ist, was eine ernste Schwierigkeit bedeutet, die Offset-Spannung möglichst klein zu machen.
Wenn das System :nit einem kapazitiven Beschleunigungs-Me3um.former verwendet wird, körnen Beschleunigungs-Stöße, die während des "Aus"-Zustandes des Verstärkers auftreten können, relativ hohe kurzzeitige oder transiente Spannungen hervorrufen, deren Aufprägen auf den Verstärker zu dieser Zeit verhindert werden muß.
Die Erfindung sieht einen verbesserten Ladungs-Verstärker für eine Verwendung mit einem kapazitiven Beschleunigungs-Meßumformer od. dgl. vor, der eine kleinste Offset-Spannung erzeugt und wirksam die Spannungs-Drift möglichst klein macht.
Der Ladungs-Verstärksr ist hierbei mit einer verbesserten Schaltung ausgestattet, die in einer extrem einfachen und wirtschaftlichen Weise die oben aufgezeigten Probleme überwindet .
D. h., die Erfindung hat in einer Ladungs-Verstärkerschaltung mit einem Ladungs-Verstärker, einem mit einer Führungsspannungsquelle verbundenen Meßumformer und einem zwischen einem invertierenden Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß des Verstärkers liegenden Rückkopplungskondensator eine verbesserte Rückstelleinrichtung mit einem Umschalter mit Unterbrechung, dessen Kontaktstücke so angeordnet sind, daß sie gewöhnlich am Kondensator liegen und den Meßumformer vom invertierenden Eingangsanschluß trennen, und mit einer Steuereinheit, um wahlweise den Umschalter so zu betreiben, daß zunächst der Umschalter von der Verbindung mit dem Kondensator getrennt und
somit das Anschließen de« Meßumformer· an den invertierenden Eingangsanechluß bewirkt wird« wodurch der Kondensator zu der Zeit ladungsfrei ist, wenn der Umschalter den Meßumformer mit dem invertierenden EingangsanachluA verbindet.
Die Erfindung sieht weiterhin in einer derartigen La-
dungs-Verstärkerschaltung eine Kompensiereinrichtung cusi Verringern der Offset-Spannung am Ausgang de· Verstärkers vor, die auf einem unvollständigen Abgleich der Verstlrker-Konponen ten und Temperaturschwankungen beruht.
Die Verstärkerschaltung ist so aufgebaut, dafl sie automatisch während eines einstellbaren kurzen Intervalles nach dem Anlegen der Versorgungsspannung rückgestellt ist.
Die Schaltung ist so aufgebaut, daß sie ungeachtet des Vorliegens wesentlicher Rausch-Signale eine kleinste Offset-Spannung bewirkt.
Die Rückstelleinrichtung der Verstärkerschaltung bietet einen hohen Widerstandswert im "Aus"-Zustand des Verstärkers, so daß eine kleinste Einwirkung auf das Verstärker-Gleichstromverhalten oder -Gleichstromansprechen vorliegt.
Es wird bewirkt, daß die Offset-Gleichspannung des Verstärkers ungeachtet weiter Temperaturschwankungen im wesentlichen beim Wert Null bleibt. Eine Drift der Offset-Spannung wird wirksam über einem weiten Temperaturbereich möglichst klein gemacht.
Die Verstärkerschaltung verhindert wirksam, daß der Verstärker Stoß-Spannungen unterworfen wird, die auf Stoß-Beschleu-
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r.igungssignalen beruhen, die im Eingangs-Meßumformer erzeugt sind.
Die Ladungs-Verstärkerschaltung nach der Erfindung ist extrem einfach und wirtschaftlich im Aufbau und bietet dennoch die oben erläuterten vorteilhaften Funktionen.
Die Erfindung sieht also einen Ladungs-Verstärker mit einer möglichst kleinen Offset-Spannung vor, der z. B. für die Verarbeitung eines Signales von einem kapazitiven Meßumformer verwendbar ist. Der Verstärker ist so aufgebaut, daß die Offset-Spannung und die Drift möglichst klein sind. Der Verstärker ist weiterhin so aufgebaut, daß er nach Anlegen einer Versorgungsspannung auf Null rückgestellt ist, und die Rückstelleinrichtung ist vorgesehen, um den Verstärker automatisch während eines einstellbaren Intervalles nach dem Anlegen der Versorgungsspannung rückzustellen. Der Ladungs-Verstärker ist weiterhin für eine Temperaturschwankung kompensiert und für eine kleinste Offset-Spannung ungeachtet starken Untergrund-Rauschens aufgebaut. Der Verstärker ist so angeordnet, daß er eine Drift von nicht mehr als einem Bruchteil von 1 mV/s besitzt. Die Verstärkerschaltung hat eine verbesserte Schaltanordnung und kann eine zweite Verstärkerschaltung verwenden, um eine Temperaturkompensation zu bewirken.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Ladungs-Verstärkerschaltung nach der Erfindung,
Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer abgewandel-
030020/0880
ten Ausführungsform der Ladungs-Verstärkerschal tung nach der Erfindung,
Fig. 3 ein schematisches Schaltbild einer herkömmlichen Verstärkerschaltung, die die durch die Erfindung gelösten Probleme aufweist, und
Fig. 4 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Betriebszustände der herkömmlichen Ladungs-Verstärkerschaltung der Fig. 3.
In den in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung hat eine Ladungs-Verstärkerschaltung 10 einen herkömmlichen Gleichstrom-Ladungs-Ver stärker 11 mit einem Ausgangsanschluß 12, einem nichtinvertierenden Eingangsanschluß 13 und einem invertierenden Eingangsanschluß 14. Ein Rückkopplungskondensator 15 liegt zwischen den Anschlüssen 12 und 14 in der üblichen Weise. Ein Eingangsan schluß 13 ist mit einer herkömmlichen Führungs- oder Bezugsspannungsquelle 16 verbunden, und ein Anschluß 12 ist an einen Ausgangsanschluß 17 angeschlossen, um das verstärkte Signal an die nächste Stufe der Signal-Verarbeitungskette abzugeben. Da sich die Erfindung mit der Ladungs-Verstärkerschaltung 10 beschäftigt, ist die spezielle zugeordnete Schaltungsanordnung im Signal-Verarbeitungssystem nicht gezeigt, da diese für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlich ist.
Wie bereits oben kurz erläutert wurde, ist es erforderlich, den Ladungs-Verstärker 11 vor dem Beginn des Betriebszyklus zurückzustellen. Ein derartiges Rückstellen erfolgt gewöhnlich durci. Kurzschließer; eines Schalters, der für eine Kurzschlußverbinciunq ;:yi sehen aen Anso;:lüssen 12 und 14 parallel zum Konden-
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sator 15 vorgesehen ist. Eine derartige herkömmliche Ladungs-Verstärker-Steuerschaltung ist in Fig. 3 gezeigt.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, wird das Rückstellen der Ladungs-Verstärker bisher mittels eines geeigneten Kurzschluß-Schalters S (vgl. Fig. 3) bewirkt, wie z. B. mittels elektromechanischer Relais, und deren Kontaktstücke a, b liegen parallel zu einem Rückkopplungskondensator C , am Ladungs-Verstärker.
Die Rückstellfunktion ist lediglich genau, solange sie ohne eine Eingangsspannung erfolgt, sie führt jedoch zu einer unerwünschten Versetzung, sofern das Rückstellen eintritt, wenn der Eingangs-Meßumformer X eine bestimmte Spannung aufweist. Im folgenden bedeutet V. die Innenspannung des Meßumformers, die in der Fig. 3 durch deren Ersatzschaltung als eine Spannungsquelle V. in Reihe mit der Innenkapazität C. des Meßumformers dargestellt ist. Da der Verstärker in der invertierenden Betriebsart arbeitet, dient die gesamte Innenspannung V. zur Erzeugung eines Spannungsabfalles -V. der entgegengesetzten Polarität auf der Kapazität C. , die ihrerseits zu einem Strom durch die Kapazität C. und durch den Rückkopplungskondensator C_, führt, so daß eine Ausgangs-
r D
spannung V am Rückkopplungskondensator C , auftritt. Diese Spannung hat bei einer richtigen Funktion einen ähnlichen, jedoch umgekehrten und verstärkten Signalverlauf wie V. , wie dies durch eine Kurve V in Fig. 4 geneigt ist.
Wenn jedoch das Rücksteiler: wahrend der Zeit T (vgl. Fig. 4; erfolgte, war der Pückkt η \ i ure-js^: -...ride : · ■■ it.or C , während dieser Ze:' kurzgeschlossen, ■-:.'. ■.!.-'··:.': "': :' /·.-:- v;.ns.inschluß und der invertierende Eingang na r.i-.' ;:. ■ ■ ., . , :-.j e-;r ;-'.ihrungsspannung , c./;. eilten waren. J :-..■ . . . . : ee: ■·■. mn. Wenn in ei-
nem Zeitpunkt 2 das Rückstellen kurz entfernt war, begann der Kondensator C . mit einer Null-Ladung und setzte mit dem Signalverlauf V , fort, der gleich wie der Signalverlauf V war, mit der Ausnahme, daß dieser Signalverlauf durch eine Offset-Spannung V - versetzt war, die im ungünstigsten Fall so groß wie der verstärkte Spitzenwert der Eingangsspannung V. sein konnte. Diese Ausgangsspannung stellt die tatsächlich verstärkte Summe der Eingangssignal-Innenspannung V. und der Offset-Spannung, die im Kondensator C. im Zeitpunkt 2 gespeichert war, dar, wenn das Rückstellen kurz entfernt wurde.
Diese Versetzung konnte lediglich vermieden werden, wenn das Rückstellintervall genau in dem Zeitpunkt aufhörte, in dem das Eingangssignal durch Null verlief; da jedoch ein derartiger Signalverlauf ein zufälliges Rauschen mit unvorhersehbaren Null-Durchgängen beinhaltet, ist es praktisch unmöglich, die Rückstellfunktion auf diese Weise zu synchronisieren. Zusätzlich ist es unmöglich, den Null-Durchgang zu erfassen, da die Spannungsquelle V. nicht zugänglich ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung (vgl. Fig. 1) wird das durch die oben erläuterte herkömmliche Steuerung vorhandene Problem in einer überraschend einfachen Weise ausgeschlossen. D. h., es ist ein elektromechanisches Relais 18 vorgesehen, das ein bewegliches Kontaktstück 19 aufweist, das wahlweise in ein erstes festes Kontaktstück 20 und in zweites festes Kontaktstück 21 eingreift. Das bewegliche Kontaktstück ist mit dem invertierenden Eingangsanschluß 14 des Verstärkers 11 verbunden, und das feste Kontaktstück 20 ist an den Ausgangsanschluß 12 angeschlossen. Das andere feste Kontaktstück 21 ist mit dem Meßumformer 35 verbunden. Das bewegliche Kontaktstück 19 ist gewöhnlich (vgl. Fig. 1) in Eingriff mit dem festen Kontaktstück 20 vorgesehen, um den Kondensator 15
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in der nichtarbeitenden Betriebsart des Verstärkers kurzzuschließen.
Das Relais 18 enthält weiterhin eine Arbeitsspule 22, die bei Erregung das bewegliche Kontaktstück 19 in Eingriff mit dem festen Kontaktstück 21 bringt. Auf diese Weise (vgl. Fig. 1) bilden die Relais-Kontaktstücke wirksam einen Umschalter 23 mit Unterbrechung. Ein geeignetes Verzögerungsglied 10 ist vorgesehen, um ein Aufprägen des Meßumformer-Signales auf den Verstärker nach der Einspeisung der Versorgungsspannung in die Relaisspule 22 zu bewirken.
Die Verwendung des Relais 18 ist lediglich ein Beispiel, da andere Schalteinrichtungen, wie z. B. ein elektronischer Festkörper-MOSFET-Schalter bei Bedarf verwendbar ist (MOSFET = MOS-Feldeffekttransistor).
Zur wahlweisen Erregung der Relaisspule 22 kann eine Steuerschaltung 24 verwendet werden. Auf diese Weise kann (vgl. Fig. 1) der Versorgungsspannungs-Eingangsanschluß 2 5 über eine Reihenschaltung eines veränderlichen Widerstandes 26 und eines Kondensators 27 an die gemeinsame Versorgungsleitung 28 angeschlossen werden. Ein Ende der Relaisspule 22 ist mit der Versorgungsleitung 2 5 verbunden.
Ein Transistor 29 ist mit seiner Basis 30 über eine Zener- oder Z-Diode 31 zwischen einem Widerstand 26 und einem Kondensator 27 angeschlossen. Ein Widerstand 32 liegt zwischen der Basis 30 und der gemeinsamen Leitung 28, die (vgl. Fig. 1) mit Erde G verbunden sein kann. Der Emitter 33 des Transistors 29 kann an die gemeinsame Leitung 28 angeschlossen sein, und der Kollektor 34 des Transistors 33 kann mit der anderen Seite der Relaisspule 22 verbunden sein, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.
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Damit bildet die Schaltung 24 wirksam ein Gatter, das ein RC-Zeitsteuer-Netzwerk aus dem Widerstand 26 und dem Kondensator 27 steuert. Wenn so eine Spannung zwischen die Leitungen 25 und 28 aufgeprägt wird, fließt ein Strom durch den Widerstand 26 und den Kondensator 27, um den Kondensator aufzuladen. Zu dieser Zeit wird wirksam kein Strom zur Basis 30 des Transistors 29 abgegeben, so daß der Transistor nichtleitend bleibt, wodurch eine Erregung der Relaisspule 22 verhindert wird. Wenn die Ladung auf dem Kondensator 27 die Zener-Spannung der Diode 31 erreicht, beginnt die Diode das Leiten eines Stromes zur Transistor-Basis, um den Transistor einzuschalten und dadurch die Relaisspule zu erregen sowie die beweglichen Kontaktstücke 19 des Relais vom festen Kontaktstück 20 zum festen Kontaktstück 21 zu übertragen, wie dies oben erläutert wurde.
Ein Einstellen des Widerstandes 26 erlaubt eine veränderliche Zeitverzögerung vor der Erregung der Relaisspule 22. Nach dem Einschalten des Transistors 29 (vgl. oben) bleibt der Transistor eingeschaltet, um die Erregung der Spule 22 bis zur Trennung der Versorgungsspannung mit der Leitung 25 aufrechtzuerhalten. Damit wird der Ladungs-Verstärker 11 in einer arbeitenden Betriebsart gehalten, solange die Versorgungsspannung auf der Leitung 25 beibehalten wird.
Wie oben kurz erläutert wurde, ist es nicht erforderlich, eine Einrichtung vorzusehen, um eine unerwünschte Offset-Spannung im Ausgangssignal des Verstärkers 11 zu verhindern, die z. B. als Ergebnis einer am Eingangsanschluß 14 liegenden Spannung auftreten kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bildet ein Meßumformer 35, der beispielsweise einen kapazitiven Beschleunigungs-Meßumformer umfaßt, eine Ersatzschaltung aus einer Spannungsquelle 36 in Reihe mit der Innenkapazität 37
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des Meßumformers. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, liegt der Meßumformer zwischen der Führungsspannungsleitung 16 und dem festen Kontaktstück 21 des Schalters 23. Der Ladungs-Verstärker 11 arbeitet in einer invertierenden Betriebsart, und somit erzeugt die Innenspannung des Meßumformers einen Spannungsabfall einer entgegengesetzten Polarität auf dessen Innenkapazität 37 und bewirkt einen Stromfluß durch den Rückkopplungskondensator 15, wodurch eine verstärkte Ausgangsspannung am Ausgangsanschluß 12 erzeugt wird.
Die Verwendung des Umschalters 2 3 mit Unterbrechung gewährleistet wirksam, daß die Spannung am Ausgangsanschluß 12 am Beginn der Funktion den Wert Null hat. Somit vermeidet die verbesserte Schalteinrichtung 23 wirksam das Aufprägen einer Offset-Spannung auf das Ausgangssignal. D. h., der Schalter 23 trennt wirksam den Meßumformer 35 vom Eingangsanschluß 14 während des Rückstellens des Verstärkers, so daß kein Strom in den Verstärker vom Meßumformer zu dieser Zeit fließt. Daher wird keine Ladung im Rückkopplungskondensator 15 gespeichert, und als Ergebnis kann der verstärkte Ausgangssignalverlauf V auf die richtige Lage in dem Zeitpunkt springen, in dem das bewegliche Kontaktstück 19 mit dem festen Kontaktstück 21 schließt. Damit wird keine unerwünschte Offset-Spannung im Ausgangssignal des Verstärkers erzeugt.
Da eine statische Spannung auf dem getrennten Meßumformer 35 als Ergebnis der Offenstellung des Schalters 23 angesammelt werden kann (vgl. oben), ist es wünschenswert, eine derartige statische Spannung zu dissipieren, und hierzu liegt ein hochohmiger Widerstand 38 zwischen dem festen Kontaktstück 21 und dem beweglichen Kontaktstück 19, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Wider-
9 10 stand 38 einen Widerstandswert von ca. 10 bis 1O Ohm aufwei-
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sen und entlädt somit wirksam jede Spannung vom Meßumformer zum Ausgang, der vor dem Beginn der Funktion auf Null Volt ist. Eine derartige statische Spannung kann in ähnlicher Weise auch über einen Widerstand entladen werden, der durch einen geeigneten Schalter am Meßumformer liegt. Jedoch schließt die Verwendung des Widerstandes 38 den Bedarf für eine zusätzliche Schalteinrichtung aus und führt so zu einer Dissipiereinrichtung für die statische Spannung mit geringem Aufwand.
Damit bietet die Schaltung 10 einen verbesserten Ladungs-Verstärker-Betrieb mit einer möglichst kleinen Offset-Spannung. Das Vorliegen von Rauschen in der Schaltung wird wirksam vom Erzeugen jeder Offset-Spannung auf dem Ausgangsanschluß 17 verhindert, und damit wird eine verbesserte Verstärkung des gewünschten Eingangssignales in der Signal-Verarbeitungs-Kette bewirkt.
In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann eine Kompensierschaltung 39 mit der Schaltung 10 verwendet werden, um eine durch Temperaturschwankungen verursachte Offset-Spannung möglichst klein zu machen. D. h., während die Schaltung 10 wirksam die Erzeugung von Offset-Spannungen auf dem Ausgang als ein Ergebnis von Rauschen im System verhindert, kann ein unvollständiger Abgleich der Verstärker-Bauteile Offset-Spannungen erzeugen, wie dies gewöhnlich in derartigen Verstärkern mit hohem Verstärkungsfaktor auftritt. Derartige Offset-Spannungen sind sofort auf Null durch eine herkömmliche Einrichtung, wie z. B. Widerstands-Netzwerke oder Trimm-Potentiometer, in üblicher Weise einstellbar, wie dies gewöhnlich von den Herstellern von Verstärkern empfohlen wird. Ein Problem tritt jedoch in einer derartigen Korrektur auf, daß die Einstellung lediglich bei einer bestimmten Temperatur richtig ist. Die Erfindung umfaßt eine verbesserte Kompensierschal-
030020/0883
tung 39, die automatisch derartige TemperaturSchwankungen kompensiert, um wirksam die Temperatur-Drift im Verstärker 11 möglichst klein zu machen.
D. h., die Kompensierschaltung 39 umfaßt, wie in Fig. 2 gezeigt ist, einen zweiten oder Hilfs-Verstärker 40, dessen invertierender Anschluß 41 über einen Widerstand 49 und einen Schalter S_ mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 11 verbunden ist. Ein wahlweiser Widerstand 42 kann als eine Einrichtung zum Kompensieren der Drift vorgesehen sein. Ein nichtinvertierender Anschluß 44 des Verstärkers 40 ist mit der Führungs- oder Bezugsspannungsleitung 16 verbunden. Der Ausgangsanschluß 45 des Verstärkers ist über einen Widerstand 46 an den nichtinvertierenden Eingangsanschluß 13 des Verstärkers 11 angeschlossen, und ein zweiter Widerstand 47 liegt zwischen dem Anschluß 13 und dem Anschluß 44 des Hilfs-Verstärkers 40.
Ein Rückkopplungskondensator 48 liegt zwischen dem invertierenden Anschluß 41 und dem Ausgangsanschluß 4 5 des Verstärkers 40. Ein Widerstand 49 liegt zwischen dem Anschluß 41 und dem Ausgangsanschluß 12 des Verstärkers 11 über einen gewöhnlich geschlossenen Schalter 50 mit einem mit dem Widerstand 49 verbundenen beweglichen Kontaktstück 51 und einem mit dem Verstärker-Anschluß 12 verbundenen festen Kontaktstück 52.
Die Hilfs-Schaltung 39 bildet wirksam eine Integrier-Schaltung mit einem Integrier-Netzwerk, das durch den Widerstand 49 und den Kondensator 48 festgelegt ist, der mit dem Ausgang des Haupt-Verstärkers 11 wahlweise über den Schalter 50 verbunden ist. Dieses Integrier-Netzwerk integriert wirksam die Spannung am Ausgang des Haupt-Verstärkers 11 während
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des Rückstell-Intervalles und legt einen Teil der integrierten Spannung über das durch die Widerstände 46 und 47 gebildete Teiler-Netzwerk an den nichtinvertierenden Anschluß 13 des Haupt-Verstärkers. Diese Rückkopplung der Spannung wird während des Rückstell-Intervalles fortgesetzt. Nach Abschluß des Rückstell-Intervalles öffnet sich der Schalter 50, um eine weitere Integration der Ausgangsspannung nicht fortzusetzen, während die zuvor integrierte Spannung auf dem Kondensator 48 gehalten wird, um die Korrektur der Versetzung während der aktiven Funktion des Verstärkers 11 zu bewirken. Somit korrigiert die Integrier-Schaltung 39 wirksam eine zusätzliche Offset-Spannung, entweder positiv oder negativ, die am Ausgangsanschluß 12 des Haupt-Verstärkers als ein Ergebnis von Temperaturschwankungen im Betrieb des Systems auftreten kann.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Zeitkonstante des Widerstandes 49 und des Kondensators 48 vorgewählt, damit die integrierte Spannung während des Rückstell-Intervalles einige Male größer als die Spannung ist, die zur Durchführung der gewünschten Korrektur der Offset-Spannung benötigt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zeitkonstante vorgewählt, damit diese Spannung ca. 5-mal größer als die Spannung ist, die für die gewünschte Korrektur benötigt wird. Jedoch bewirkt das Teiler-Netzwerk des Widerstandes 46 und des Widerstandes 47, daß das am Eingangsanschluß 13 des Verstärkers 11 erzeugte Signal ein Fünftel der Spannung der integrierten Spannung aufweist, so daß ein richtiges Signal zur Kompensation des Verstärkers 11 erzeugt wird.
Während die Verwendung von Rückkopplungs-Korrektur-Integrierern üblich ist, bietet die Integrier-Schaltung 39 eine wesentliche Verbesserung in der Trennung der Integrier-Schaltung nach dem Ende der Rückstell-Periode oder -Zeitdauer* wo-
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durch eine Störung der Funktion des Ladungs-Verstärkers während dessen aktiven Intervalles vermieden wird.
Der Schalter 50 kann einen zweiten Pol eines zweipoligen Umschalt-Relais-Schalters aufweisen, um durch die Relaisspule 22 gleichzeitig mit der Steuerung des Schalters 18 steuerbar zu sein.
Jeder Verstärker 11 und 40 kann Verstärker mit MOSFET-Eingangsstufen aufweisen, die einen relativ kleinen Eingangsstrom verwenden, der in der Größenordnung von Bruchteilen von einem pA sein kann. Dennoch kann ein bestimmtes Problem auftreten, wenn wirksam die Drift in der Verstärker-Schaltung mit hohem Verstärkungsfaktor möglichst klein gemacht wird. Damit führt z. B. ein Strom von 0,1 pA zu einer Drift von 1 mV/s auf einem Rückkopplungskondensator 15 von 100 pF, um im Zusammenhang mit der gewünschten Erzeugung der kleinen Offset-Spannungs-Verstärkung ein Problem zu bieten. Eine mögliche Lösung dieses Problems liegt in der Einspeisung dieses Stromes mittels eines mit dem invertierenden Eingangsanschluß 14 des Verstärkers 11 verbundenen hochohmigen Widerstandes von einer geeigneten Gleichspannung. Ein derartiger Widerstand
1 4 benötigt einen Widerstandswert von ca. 10 Ohm, wobei die angelegte Gleichspannung 10 V hat. Derartige Widerstände sind nicht nur aufwendig, sondern bieten auch infolge der Feuchtigkeit und Alterung schwierige Probleme, um einen genauen Wert beizubehalten.
Die Verwendung des Widerstandes 42 vermeidet den Bedarf für einen derartigen sehr genauen Widerstand. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, erzeugt ein Teil des durch den Widerstand 42 von der Gleichspannungsquelle 43 fließenden Stromes den notwendigen Eingangsstrom in den Verstärker 40. Dieser Strom wird durch den Kondensator 48 integriert und erzeugt eine Drift auf
osoozo/oexo
dem Ausgangsanschluß 45, wobei ein Teil hiervon zum nichtinvertierenden Eingangsanschluß 13 des Haupt-Verstärkers 11 gespeist ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Kondensator 48 eine Kapazität, die einige Größenordnungen größer als die Kapazität des Rückkopplungskondensators 15 ist, und somit ist ein viel größerer Strom erforderlich, um eine Drift in der Ausgangsspannung am Anschluß 45 zu verursachen. Zusätzlich muß die Drift rascher als erforderlich für den Verstärker 11 sein, da lediglich ein Teil der integrierten Spannung dem Anschluß 13 als ein Ergebnis des Teiler-Netzwerkes 44, 47 aufgeprägt ist. Damit muß der Wert des Widerstandes 42 lediglich in der Größenordnung von 10 Ohm liegen, so daß ein üblicherer und wirtschaftlicherer Widerstand verwendet werden kann.
Damit erzeugt die verbesserte Verstärker-Schaltung 10 ein verstärktes Signal kleiner Drift mittels eines Steuer-Umschalters mit Unterbrechung, dessen erste Reihe von Kontaktstücken abwechselnd gewöhnlich am Rückkopplungskondensator des Haupt-Verstärkers lieat, während der Meßumformer-Anschluß getrennt ist, und bewirkt nach dem Drehen oder Umlegen des Schalters eine anschließende Verbindung des Meßumformers mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Haupt-Verstärkers.
Die zweite Reihe der Schalter-Kontaktstücke verbindet den Eingang des Integrierers 40 mit dem Ausgang während des Rückstell-Intervalles. Die Rückstellschaltung bildet eine Einrichtung für einen wahlweisen Betrieb des Schalters, um eine derartige Unterbrechung zu bewirken, damit der Rückkopplungskondensator wirksam in der Zeit ladungsfrei ist, in der der Schalter den Meßumformer mit dem invertierenden Eingangsanschluß verbindet. Die Erfindung liefert weiterhin eine verbesserte möglichst kleine Offset-Spannung durch die Verwendung der Kompensiereinrichtung, um die Offset-Spannung am Ausgang des Haupt-Verstärkers zu verringern, die auf dessen unvollstän-
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digem Abgleich und Temperaturschwankungen beruht.
In einer verbesserten Ladungs-Verstärker-Schaltung nach der Erfindung ändert sich die ruhende Offset-P des Haupt-Verstärkers lediglich um einige mV über einem Temperaturbereich von mehr als 100 0C. Diese kleinste Offset-Spannung wird wirksam ungeachtet des Vorliegens eines starken Hintergrund-Rauschens während des Rückstell-Betriebs beibehalten. Die Drift des Ladungs-Verstärkers ist ein kleiner Bruchteil eines mV/s. Somit weist der Ladungs-Verstärker vorteilhafte kleinste Offset-Spannungs-Kennlinien auf, obwohl er sehr einfach und wirtschaftlich aufgebaut ist (vgl. oben).
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Claims (13)

  1. Ansprüche
    - einem an eine FührungsSpannungsquelle angeschlossenen Meßumformer, und
    - einem Rückkopplungskondensator zwischen einem invertierenden Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß des Ladungs-Verstärkers,
    gekennzeichnet
    durch
  2. 2.
    - eine Umschalteinrichtung (23) mit Unterbrechung, die abwechselnd normalerweise parallel zum Rückkopplungskondensator (15) liegt und den Meßumformer (35) vom invertierenden Eingangsanschluß (14) trennt, und
    - eine Rückstelleinrichtung (10) zum wahlweisen Betreiben der Umschalteinrichtung (23), um zunächst die Umschalteinrichtung (23) vom Anliegen am Kondensator (15) zu trennen und somit eine Verbindung des Meßumformers (35) mit dem invertierenden Eingangsanschluß (14) zu bewirken, wodurch der Rückkopplungskondensator (15) in der Zeit ladungsfrei ist, in der die Umschalteinrichtung (23) den Meßumformer (35) mit dem invertierenden Eingangsanschluß (14) verbindet.
    Ladungs-Verstärker-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Rückstelleinrichtung (10) eine zeitverzögerte Ansteuereinrichtung aufweist.
    572-(B O1229)-E
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  3. 3. Ladungs-Verstärker-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Umschalteinrichtung eine Kontakteinrichtung einschließlich eines elektromechanischen Relais mit beweglichen Kontakteinrichtungen aufweist, und
    - daß die Rückstelleinrichtung (10) eine wahlweise Bewegung der beweglichen Kontakteinrichtung (19) bewirkt.
  4. 4. Ladungs-Verstärker-Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
    - eine Kompensiereinrichtung (39) zum Verringern einer Offset-Spannung am Ausgang (12) des Ladungs-Verstärkers (11), die auf einen unvollständigen Abgleich der Verstärker-Bauteile und Temperaturschwankungen beruht.
  5. 5. Ladungs-Verstärker-Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Kompensiereinrichtung (39) einen Integrierer einschließlich eines Hilfs-Verstärkers (40) aufweist, der an den nichtinvertierenden Eingangsanschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) und an dessen Ausgangsanschluß (12) über einen zweiten, normalerweise geschlossenen Schalter (50) angeschlossen ist, um zu integrieren und anzulegen wenigstens einen Teil der Spannung am Ausgangsanschluß (12) an den nichtinvertierenden Anschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) wirksam lediglich während des Rückstell-Intervalles, nach dem der normalerweise geschlossene Schalter (50) öffnet.
  6. 6. Ladungs-Verstärker-Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Kompensiereinrichtung einen Integrierer einschließlich eines Hilfs-Verstärkers (40) aufweist, der an den nichtinvertierenden Eingangsanschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) und an dessen Ausgangsanschluß (12) über ei-
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    nen zweiten, normalerweise geschlossenen Schalter (50) angeschlossen ist, um zu integrieren und anzulegen wenigstens einen Teil der Spannung am Ausgangsanschluß (12) an den nichtinvertierenden Anschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) wirksam lediglich während des Rückstell-Intervalles, nach dem der Umschalter (23) geschaltet wurde, um den Meßumformer (35) mit dem invertierenden Eingangsanschluß (13) zu verbinden.
  7. 7. Ladungs-Verstärker-Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Kompensiereinrichtung (39) einen Integrierer einschließlich eines Hilfs-Verstärkers (40) aufweist, der mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) und dessen Ausgangsanschluß (12) über einen zweiten, normalerweise geschlossenen Schalter (50) angeschlossen ist, um zu integrieren und anzulegen einen Teil der Spannung am Ausgangsanschluß (12) über ein RC-Integrier-Netzwerk und ein Teiler-Netzwerk, das mit dem Hilfs-Verstärker (40) gekoppelt ist, an den nichtinvertierenden Anschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) wirksam lediglich während des Rückstell-Intervalles, nach dem der normalerweise geschlossene Schalter (50) öffnet.
  8. 8. Ladungs-Verstärker-Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Kompensiereinrichtung (39) einen Integrierer einschließlich eines Hilfs-Verstärkers (40) aufweist, der mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) und mit dessen Ausgangsanschluß (12) über einen zweiten, normalerweise geschlossenen Schalter (50) gekoppelt ist, um zu integrieren und anzulegen einen Teil der Spannung am Ausgangsanschluß (12) über ein RC-Integrier-Netzwerk und ein Teiler-Netzwerk, das mit dem Hilfs-Verstärker (40) gekoppelt ist, an den nichtinvertierenden Anschluß (13) des Ladungs-Ver-
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    stärkers (11) wirksam lediglich während des Rückstell-Intervalles,nach dem der normalerweise geschlossene Schalter (50) öffnet,
    - daß der Integrierer so angeordnet ist, daß die während des Rückstell-Intervalles integrierte Spannung ein vorgewähltes Vielfaches der Spannung ist, die zur Durchführung einer gewünschten Verringerung der Offset-Spannung erforderlich ist, und
    - daß das Teiler-Netzwerk die integrierte Spannung umgekehrt zu diesem Vielfachen dividiert.
  9. 9. Ladungs-Verstärker-Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Kompensiereinrichtung (39) einen Integrierer einschließlich eines Hilfs-Verstärkers (40) aufweist, der mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) und mit dessen Ausgangsanschluß (12) über einen zweiten, normalerweise geschlossenen Schalter (50) verbunden ist, um zu integrieren und anzulegen wenigstens einen Teil der Spannung am Ausgangsanschluß (12) an den nichtinvertierenden Anschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) wirksam lediglich während des Rückstell-Intervalles, nach dem der normalerweise geschlossene Schalter (50) öffnet, und
    - daß der Umschalter (23) und der Hilfs-Schalter (50) Teile eines zweipoligen elektromechanischen Ümschalt-Relais sind.
  10. 10. Ladungs-Verstärker-Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Kompensiereinrichtung (39) aufweist:
    - einen Integrierer einschließlich eines HilfsVerstärkers (40), der mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) und mit dessen
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    Ausgangsanschluß (12) über einen zweiten, normalerweise geschlossenen Schalter (50) verbunden ist, um zu integrieren und anzulegen wenigstens einen Teil der Spannung am Ausgangsanschluß (12) an den nichtinvertierenden Anschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) wirksam lediglich während des Rückstell-Intervalles, nach dem der normalerweise geschlossene Schalter (50) öffnet, und
    - einen Widerstand (42), der den invertierenden Eingangsanschluß (41) des Hilfs-Verstärkers (40) mit einer Gleichspannungsquelle verbindet, und
    - daß das RC-Integrier-Netzwerk aufweist:
    - einen Widerstand (49), der den normalerweise geschlossenen Schalter (50) mit dem invertierenden Eingangsanschluß (41) des Hilfs-Verstärkers (40) verbindet, und
    - einen integrierenden Kondensator (48) zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß (41) und dem Ausgangsanschluß (45) des Hilfs-Verstärkers (40).
  11. 11. Ladungs-Verstärker-Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Kompensiereinrichtung (39) aufweist:
    - einen Integrierer einschließlich eines Hilfs-Verstärkers (40), der mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) und mit dessen Ausgangsanschluß (12) über einen zweiten, normalerweise geschlossenen Schalter (50) verbunden ist, um zu integrieren und anzulegen wenigstens einen Teil der Spannung am Ausgangsanschluß (12) an den nichtinvertierenden Anschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) wirksam lediglich während des Rückstell-Intervalles, während dem der normalerweise geschlossene Schalter (50) öffnet, und
    - einen Widerstand (42), der den invertierenden Eingangsanschluß (41) des Hilfs-Verstärkers (40) mit einer Gleichspannungsquelle verbindet, und
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    - daß das RC-Integrier-Netzwerk aufweist:
    - einen Widerstand (49), der den normalerweise geschlossenen Schalter (50) mit dem invertierenden Eingangsanschluß (41) des Hilfs-Verstärkers (40) verbindet, und
    - einen integrierenden Kondensator (48) zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß (41) und dem Ausgangsanschluß (45) des Hilfs-Verstärkers (40),
    - wobei der integrierende Kondensator (48) eine Kapazität aufweist, die wenigstens zwei Größenordnungen größer als die Kapazität des Rückkopplungskondensators (15) ist.
  12. 12. Ladungs-Verstärker-Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Kompensiereinrichtung (39) aufweist:
    - einen Integrierer einschließlich eines Hilfs-Verstärkers (40), der mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) und mit dessen Ausgangsanschluß (12) über einen zweiten, normalerweise geschlossenen Schalter (50) gekoppelt ist, um zu integrieren und anzulegen wenigstens einen Teil der Spannung am Ausgangsanschluß (12) an den nichtinvertierenden Anschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) wirksam lediglich während des Rückstell-Intervalles, während dem der normalerweise geschlossene Schalter (50) öffnet, und
    - einen Widerstand (42) , der den invertierenden Eingangsanschluß (41) des Hilfs-Verstärkers (40) mit einer Gleichspannungsquelle verbindet,
    - daß das RC-Integrier-Netzwerk aufweist:
    - einen Widerstand (49), der den normalerweise geschlossenen Schalter (50) mit dem invertierenden Eingangsanschluß (41) des Hilfs-Verstärkers (40) verbindet, und
    - einen integrierenden Kondensator (48) zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß (41) und dem Ausgangsanschluß (4 5) des Hilfs-Verstärkers (40),
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    wobei der integrierende Kondensator (48) eine Kapazität aufweist, die wenigstens einige Größenordnungen größer als die Kapazität des Rückkopplungskondensators (15) ist.
  13. 13. Ladungs-Verstärker-Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Kompensiereinrichtung (39) aufweist:
    - einen Integrierer einschließlich eines Hilfs-Verstärkers (40), der mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) und mit dessen Ausgangsanschluß (12) über einen zweiten, normalerweise geschlossenen Schalter (50) gekoppelt ist, um zu integrieren und anzulegen einen Teil der Spannung am Ausgangsanschluß (12) über ein RC-Integrier-Netzwerk (49, 48) und ein Teiler-Netzwerk, das mit dem Hilfs-Verstärker (40) gekoppelt ist, an den nichtinvertierenden Anschluß (13) des Ladungs-Verstärkers wirksam lediglich während des Rückstell-Intervalles, nach dem der normalerweise geschlossene Schalter (50) öffnet,
    - daß der Integrierer so angeordnet ist, daß die wäh rend des Rückstell-Intervalles integrierte Spannung etwa fünfmal die Spannung beträgt, die für eine gewünschte Ver ringerung der Offset-Spannung erforderlich ist, und
    - daß das Teiler-Netzwerk an den nichtinvertierenden Eingangsanschluß (13) des Ladungs-Verstärkers (11) eine Span nung abgibt, die etwa ein Fünftel des Wertes der integrier ten Spannung hat.
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