DE2944988C2

DE2944988C2 - Ladungsverstärker-Schaltung

Info

Publication number: DE2944988C2
Application number: DE2944988A
Authority: DE
Inventors: Romeal F. Bellevue Wash. Asmar; Walter Redmond Wash. Kamphorst; Henry J. Bellevue Wash. Lukes
Original assignee: Sundstrand Data Control Inc
Current assignee: Sundstrand Data Control Inc
Priority date: 1978-11-08
Filing date: 1979-11-07
Publication date: 1982-06-16
Also published as: FR2441293A1; CA1138943A; AU5067579A; AU514386B2; FR2441293B1; JPS5571305A; GB2035004A; US4274056A; GB2035004B; DE2944988A1

Description

5, Ladungsverstärker-Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

— daß die beiden Zweipositionsschaker (23, 50) durch die Kontakte eines Relais gebildet sind, das durch den Zusatzkreis (26,27) gesteuert ist.

6. Ladungsverstärker-Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch

— einen zusätzlichen Widerstand (42) zwischen dem invertierenden Eingang (41) des Rückkopplungsverstärkers (40) und einer Gleichspannungsquelle (43) zur Kompensation der Drift der Schaltung.

Die Erfindung betrifft eine Ladungsverstärker-Schaltung bzw. einen Ladungsverstärker nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In einem bestehenden Signal-Verarbeitungssystem dient ein Ladungsverstärker als die erste Stufe zum Erzeugen eines Signales für folgende Stufen von einem kapazitiven Beschleunigungs-Meßumformer. Die folgenden Stufen verwenden das Signal vom Ladungsverstärker und messen mittels eines Integrierers Geschwindigkeit und Verschiebung eines bewegten Prüflings.

Es ist von Bedeutung, daß der Ladungsverstärker in einem derartigen System eine sehr kleine Offset-GIeichspannung besitzt, da derartige uffset-Spannungen über relativ lange Zeitdauern integriert werden und eine beträchtliche Abweichung 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

•»5 Ladungsverstärker 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 Ladungsverstärkers vor dem gewünschten Betrieb angesammelt haben können.

Der Eingangs-Meßumformer ist zufälligen Schwingungen wie z. B. v/ährend des erneut einstellenden lntervalles ausgesetzt, und somit ist es wünschenswert, den Betrieb des Verstärkers lediglich beim gewünschten Beginn der Eingangssignal-Übertragung einzuleiten.

Ein anderes Problem, das bei der Verwendung derartiger Ladungsverstärker-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 Ladungsverstärker ein gutes Gleichstrom-Ansprechen besitzen, und somit sollte das Abklingen der Gleichstromkomponente des Signales

während des Betriebsintervalles möglichst klein sein.

Aus »Linear Applications«, der National Semiconductor Corporation, Januar 1972, Seite AN20-4, Fig, 9, ist eine Schaltung der eingangs genannten Art bekannt, bei der in der Rückkopplungsstrecke eines Verstärkers ein Kondensator liegt, wobei der invertierende Eingang dieses Verstärkers zusätzlich über einen Widerstand mit einem Schalter verbunden ist.

Diese bekannte Schaltung verwendet jedoch zwei getrennte Schalter zum Entladen des Kondensators und zum Trennen des Verstärkers von der Signalquelle; zusätzlich verbindet der Schalter in einer Stellung den Verstärkereingang mit Erde.

Mit dieser bekannten Schaltung wird somit kein einfach aufgebauter Ladungsverstärker mit kleiner Offset-Spannung ermöglicht

Weiterhin ist aus »Electronic Analog Computers«, Fig. 7.3 auf Seite 347, ein Integrierverstärker bekannt, bei dem eine Umschaltung mittels eines Relais vorgenommen wird; die Signalquelle ist bei diesem Integrierverstärker mit Erde verbunden, was diesen bei Leerlauf gegenüber Rauschen empfindlich macht

Ferner ist aus der DE-AS 21 23 047 ein Differentialoder Hauptverstärker bekannt, der mit einem Rückkopplungsverstärker ausgestattet ist, dessen Ausgang über einen Schalter mit dem nichtinvertierenden Eingang des Hauptverstärkers verbunden ist. Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des Rückkopplungsverstärkers haben die gleichen Phasenbeziehungen, so daß dieser nicht invertierend arbeitet. Auch ist kein integrierender Widerstand in Reihe mit einem Kondensator vorgesehen, so daß auch keine Integrierstufe vorhanden ist und der Kondensator somit lediglich den momentanen Wert der Ausgangsspannung des Hauptoder Rückkopplungsverstärkers speichern kann, die gerade vor der Unterbrechung des Schalters vorliegt. Eine Kompensation der Offset-Spannung ist bei diesem bekannten Differentialverstärker nicht möglich.

Weiterhin ist aus der DE-AS 11 94 908 ein Verfahren zur Driftkompensation von Gleichspannungsverstärkern bekannt, bei dem aber wiederum ein Verstärker vorgesehen ist, dessen Eingang geerdet ist und dessen Rückkopplung weder eine Integration noch eine Polaritätsumkehr vorsieht. Weitere Möglichkeiten der Driftkompensation sind in der DE-XS 12 64 511 und in der DE-OS 21 25 505 angegeben, wobei aber in keiner dieser Druckschriften eine Ladungsverstärker-Schaltung mit möglichst kleiner Offset-Spannung beschrieben wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine einfach aufgebaute Ladungsverstärker-Schaltung anzugeben, mit der die Offset-Spannung möglichst klein gemacht werden kann, und die in einem kapazitiven Beschleunigungs-Meßumfonner verwendbar ist, ohne durch relativ hohe kurzzeitige Spannungen beeinträchtigt zu werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Ladungsverstärker-Schaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung sieht eine verbesserte Ladungsverstäfker-Schaltung für eine Verwendung mit einem kapazitiven Beschleunigungs-Meßumformer od. dgl. vor, die eine kleinste Offset-Spannung erzeugt und wirksam die Spannungs-Drift möglichst klein macht.

Die Ladungsverscärker-Schaltung überwindet dabei in einer extrem einfachen und wirtschaftlichen Weise die oben aufgezeigten Probleme.

Das heißt, die Erfindung hat in einer Ladungsverstärker-Schaltung mit einem Ladungsverstärker, einem mn einer Führungsspannungsquelle verbundenen Meßumformer und einem zwischen einem invertierenden Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß des Ladungsverstärkers liegenden Rückkopplungskondensator eine verbesserte Rückstelleinrichtung mit einem Zweipositionsschalter, dessen Kontaktstücke so angeordnet sind, daß sie gewöhnlich am Kondensator liegen und den Meßumformer vom invertierenden

ίο Eingangsanschluß trennen, und mit einer Steuereinheit, um wahlweise den Zweipositionsschalter so zu betreiben, daß zunächst der Zweipositionsschalter von der Verbindung mit dem Kondensator getrennt und somit das Anschließen des Meßumformers an den invertierenden Eingangsanschluß bewirkt wird, wodurch der Kondensator zu der Zeit ladungsfrei ist, wenn der Zweipositionsschalter den Meßumformer mit dem invertierenden Eingangsanschluß verbindet

Eine Kompensiereinrichtung verringert die Offset-Spannung am Ausgang des Verstf >>.ers, die auf einem unvollständigen Abgleich der Versiärcer-Komponenten und Temperatiirschwankungen beruht

Die Ladungsverstärker-Schaltung ist auch so aufgebaut, daß sie automatisch während eines einstellbaren kurzer» Intervalles nach dem Anlegen der Versorgungsspannung rückgestellt ist, und daß sie ungeachtet des Vorliegens wesentlicher Rausch-Signale eine kleinste Offset-Spannung bewirkt.

Die Rückstelleinrichtung der Ladungsverstärker-Schaltung bietet einen hohen Widerstandswert im »Aus«-Zustand des Ladungsverstärkers, so daß eine kleinste Einwirkung auf das Verstärker-Gleichstromverhalten oder -Gleichstromansprechen vorliegt.
Es wird bewirkt daß die Offset-Gleichspannung des Ladungsverstärkers ungeachtet weiter Temperaturschwankungen irn wesentlichen beim Wert Null bleibt. Eine Drift der Offset-Spannung wird wirksam über einem weiten Temperaturbereich möglichü klein gemacht.

Die Ladungsverstärker-Schaltung verhindert somit wirksam, daß der Ladungsverstärker Stoß-Spannungen unterworfen wird, die auf Stoß-Beschleunigungssignalen beruhen, die im Eingangs-Meßumformer erzeugt sind.

Die Ladungsverstärker-Schaltung nach der Erfindung ist extrem einfach und wirtschaftlich im Aufbau und bietet dennoch die oben erläuterten vorteilhaften Funktionen.

Die Erfindung sieht also eine Ladungsverstärker-Schaltung mit einer möglichst kleinen Offset-Spannung vor, die z. B. für die Verarbeitung eines Signales von einem kapazitiven Meßumformer verwendbar ist. Die Schaltung ist so aufgebaut, daß die Offset-Spannung und die Drift möglichst klein sind. Die Schaltung ist weiterhin so aufgebaut, daß sie nach Anlegen einer Versorgungsspannung auf Null rückgestellt ist und die Rückstelleinrichtung ist vorgesehen, um die Schaltung automatisch während eines einstellbaren Intervalles nach dem Anlegen der Versorgungsspannung rückzustellen. Die Ladungsverstärker-Schaltung ist weiterhin für eine Temperaturschwankung kompensiert und für eine kleinste Offset-Spannung ungeachtet starken Hintergrund-Rauschens aufgebaut. Die Schaltung ist so angeordnet, daß si° eine Drift von nicht mehr als einem Bruchteil von 1 mV/s besitzt. Die Ladungsverstärker-Schaltung 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 zeigt

Fig. I ein schematisches Schaltbild einer Ladungsverstärker-Schaltung nach der Erfindung.

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der Ladungsverstärker-Schaltung nach der Erfindung,

F i g. 3 ein schematisches Schaltbild einer herkömmlichen Ladungsverstärker-Schaltung, die die durch die Erfindung gelösten Probleme aufweist, und

F i g. 4 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Betriebszustände der herkömmlichen Ladungsverslärker-Schaltung der F i g. 3.

In den in den Fig.) und 2 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung hat eine Ladungsverstärker-Schaltung 10 einen herkömmlichen Gleichstrom-Ladungsverstärker Il mit einem Alisgangsanschluß 12. einem nichtinvertierenden Ein-

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anschluß 14. Ein Rückkopplungskondensator 15 liegt zwischen den Anschlüssen 12 und 14 in der üblichen Weise. Der Eingangsanschluß 13 ist mit einer herkömmlichen Führungs- oder Bezugsspanniingsquelle 16 verbunden, und der 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 Ladungsverstärker-Schaltung 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 Ladungsverstärker Il vordem Beginn des Betriebszyklus zurückzustellen. Ein derartiges Rückstellen erfolgt gewöhnlich durch Kurzschließen eines Schalters, der für eine Kurzschlußverbindung zwischen den Anschlüssen 12 und 14 parallel zum Kondensator 15 vorgesehen ist. Eine derartige herkömmliche Ladungsverstärker-Steuerschaltung ist in F i g. 3 gezeigt.

Wie in F i g. 3 dargestellt ist. wird das Rückstellen der Ladungsverstärker bisher mittels eines geeigneten Kurzschluß-Schalters 5 (vgl. F i g. 3) bewirkt, wie z.B. mittels elektromechanischer Relais, und deren Koniaklstücke a. b liegen parallel zu einem Rückkopplungskondensator Team Ladungsverstärker.

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 Vr die Innenspannung des Meßumformers, die in der F i g. 3 durch deren Ersatzschaltung als eine Spannungsquelle V_1n in Reihe mit der Innenkapazität C_m des Meßumformers dargestellt ist Da der Verstärker in der invertierenden Betriebsart arbeitet dient die gesamte Innenspannung V₀, zur Erzeugung eines Spannungsabfalles — V._r der entgegengesetzten Polarität auf der Kapazität C^. die ihrerseits zu einem Strom durch die Kapazität C,„ und durch den Rückkopplungskondensator Cn führt so daß eine Ausgangsspannung V₀₀, am Rückkopplungskondensator Cn auftritt Diese Spannung hat bei einer richtigen Funktion einen ähnlichen, jedoch umgekehrten und verstärkten Signalveriauf wie V,.> wie dies durch eine Kurve V₀₀, in F i g. 4 gezeigt ist

Wenn jedoch das Rücksteiien während der Zeil T (vgL F i g. 4) erfolgte, war der Rückkopplungskondensator Cn während dieser Zeit kurzgeschlossen, so daß der Ausgangsanschluß und der invertierende Eingangsanschluß beide auf der Führungsspannung V_rci gehalten waren, die z. B. Null betragen kann. Wenn in einem Zeitpunkt 2 das Rückstellen kurz abgeschaltet wurde.

"> begann der Kondensator Cn mit einer Null- Ladung und setzte mit dem Signalverlauf V₀,,, fort, der gleich wie der Signalverlauf V„„, war, mit der Ausnahme, daß dieser Signalverlauf durch eine Offset-Spannung V„i 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,_r und der Offset-Spannung, die im Kondensator C_n im Zeitpunkt 2 gespeichert war, dar, wenn das Rückstellen

'ϊ kurz abgeschaltet wurde.

Diese Versetzung konnte lediglich vermieden werden, wenn das Rückstellintervall genau in dem Zeitpunkt aufhörte, in dem das Eingangssignal durch

Null vprlipf: da jednrh ein Hprarliger .Signalvprlaiif pin

zufälliges Rauschen mit unvorhersehbaren Null-Durchgängen beinhaltet, ist es praktisch unmöglich die RückMellfunktion auf diese Weise zu synchronisieren. Zusätzlich ist es unmöglich, den Null-Durchgang zu erfassen, da die Spannungsquelle V_1n nicht zugänglich ist.

-'■> Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung (vgl. Fig. I) wird das durch die oben erläuterte herkömmliche Steuerung vorhandene Problem in einer überrasc'>nd einfachen Weise ausgeschlossen. Das heißt, es ist ein elektromechanisches Relais 18 vorgese hen. das ein bewegliches Kontaktstück 19 aufweist, das wahlweise in ein erstes festes Kontaktstück 20 und in ein zweites festes Kontaktstück 2t eingreift. Das bewegliche Kontaktstück ist mit dem invertierenden Eingangsanschluß 14 des Verstärkers 11 verbunden, und das feste

)■> Kontaktstück 20 ist an den AusgangsanscWuß 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

*o Kondensator 15 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. F i g. 1) bilden die Relais-Kontaktstükke wirksam einen Zweipositionsschalter 23. Ein geeignetes Verzögerungsglied 10 ist vorgesehen, um ein Aufprägen des Meßumformer-Signales auf den Verstärker nach der Einspeisung der Versorgungsspannung in

V) die Relaisspule 22 zu bewirken.

Die Verwendung des Relais 18 ist lediglid- ein Beispiel, da andere Schalteinrichtungen, wie z. B. ein elektronischer Festkörper-MOSFET-Schalter bei Bedarf verwendbar ist (MOSFET = MOS-FeWeffekttran- sistor).

Zur wahlweisen Erregung der Relaisspule 22 kann eine Steuerschaltung 24 verwendet werden. Auf diese Weise kann (vgL Fig. 1) der Versorgungsspannungs-Eingangsanschluß 25 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 25 verbunden.

Ein Transistor 29 ist mit seiner Basis 30 fiber eine

Zener- oder Z-Diode 31 zwischen einem Widerstand 26 lind einem Kondensator 27 angeschlossen. Ein Widerstand 32 liegt zwischen der Basis 30 und der gemeinsamen Leitung 28, die (vgL Fig. 1) mit Erde C

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 Seile der Relaisspule 22 verbunden sein, wie dies in Fig. I gezeigt ist.

Damit bildet die Schaltung 24 wirksam ein Gatter, das ein /?C-Zeitsteuer-Ne(zwerk aus dem Widerstand 26 t,»<"d 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 Kondensa'.or 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

chen 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 Ladungsverstärker 11 in einer arbeitenden Betriebsart gehalten, solange die Versor_eungsspannung 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 des Meßumformers. Wie in Fig. I gezeigt ist. liegt der Meßumformer zwischen der Führungsspannungsleitung 16 und dem festen Kontaktstück 21 des Schalters 23. Der Ladungsverstärker 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 23 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. Das heißt 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 Vom 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 F i g. 1 gezeigt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Widerstand 38 einen Widerstandswert von ca. IO⁹ bis IO'°Ohm aufweisen 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

ίο

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Damit bietet die Schaltung 10 einen verbesserten Ladungsverstärker-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 Signalverarbeitungskette 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. Das heißt, 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. Es ist eine verbesserte Kompensierschaltung 39 vorgesehen, die automatisch derartige Temperaturschwankungen kompensiert, um wirksam die Temperatur-Drift im Verstärker 11 möglichst klein zu machen.

Das heißt, die Kompensierschaltung 39 umfaßt, wie in F i g. 2 gezeigt ist, einen zweiten oder Hilfs-Verstärker 40, dessen invertierender Anschluß 41 über einen Widerstand 49 und einen Schalter Si 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 Hiifsverstärkers 40.

Ein Rückkopplungskondensator 48 liegt zwischen dem invertierenden Anschluß 41 und dem Ausgangsanschluß 45 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 Hilfsschaltung 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 Hauptverstärkers 11 wahlweise über den Schalter 50 verbunden ist. Dieses Integrier-Netzwerk integriert wirksam die Spannung am Ausgang des Haupt-Verstärkers 11 während des Rückstell-Intervalles und legt einen Teil der integrierien Spannung über das durch die Widerstände 46 und 47 gebildete Teiler-Netzwerk an den nichtinvertierenden Anschluß 13 des Hauptverstärkers. 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 Hauptverstärkers 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. 5mal 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, wodurch eine Störung der Funktion des Ladungsverstärkers 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 Größen ordnung 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 ρ Α zu einer Drift von 1 mV/s auf einem Rückkopplungskondensator 15 von 100 pF, um fan Zusammenhang mit der gewünschten Erzeugung der ideinen Offset-Spannungs- Verstärkung ein Problem zu bieten. Eine mögliche

Lösung dieses Problems liegt in der Einspeisung dieses Stromes mittels eine·, mit dem invertierenden Eingangsanschluß 14 des Verstärkers 11 verbundenen hochohmigen Widerstandes von einer geeigneten Gleichspannung. Ein derartiger Widerstand benötigt einen Widerstandswert von ca. 10^u 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 F i g. 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 dem Ausgangsanschluß 45, wobei ein teil hiervon zum nichtinvertierenden Eingangsansehluß 13 des Hauptverstärkers 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 Hauptverstärkers liegt, während der Meßumformer-Anschluß getrennt ist. und bewirkt nach dem Drehen oder Umlegen des Schalters eine anschließende Verbindung des Meßumformers mit dem invertierenden Eingangsanschluß dos Hauptverstärkers.

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 Hauptverstärkers zu verringern, die auf dessen unvollständigem Abgleich und Temperaturschwankungen beruht.

in der verbesserten Ladungsverstärker-Schaltung ändert sich die ruhende Offset-Spannung des Haupt-Verstärkers lediglich um einige mV über einem Temperaturbereich von mehr als 100° C Diese kleinste Offset-Spannung wird wirksam ungeachtet des Vorliegens eines starken Hintergrund-Rauschens während des Rückstell-Betriebs beibehalten. Die Drift des Ladungsverstärkers ist ein kleiner Bruchteil eines mV/s. Somit weH der Ladungs-Verstärker vorteilhafte kleinste OTTset-Spannungs-Kennünien auf, obwohl er sehr einfach und wirtschaftlich aufgebaut ist (vgL oben).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Ladungsverstärker-Schaltung, mit

— einem Ladungsverstärker,

— einem an eine Eingangsklemme angeschlossenen Meßumformer,

— einem Rückkopplungskondensator zwischen einem invertierenden Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß des Ladungsverstärkers, und

— einer Rückstelleinrichtung einschließlich eines Schalters zum Kurzschließen des Rückkopplungskondensators,

dadurch gekennzeichnet,

— daß die Rückstelleinrichtung (10) einen Zweiposition.«chalter (23) mit Unterbrechung vor dem Einschalten als Schalter enthält,

— daß die im Ruhezustand verbundenen Kontakte (19, 20) des Zweipositionsschalters (23) den Rückkopplungskondensator (15) kurzschließen, und

— daß die im Ruhezustand unterbrochenen Kontakte (21, 19) des Schalters (23) zwischen der Eingangsklemme (16) und dem invertierenden Eingang (14) des Ladungsverstärkers (11) liegen.

2. Ladungiverstärker-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß die im Ruhezustand u verbrochenen Kontakte (19, 21) des Schalters (23) durch einen hochohmigen Widerstand (38) überbrückt sind.

3. Ladungsverstärker-Schaltung nach Anspruch 1 oder 2,

— bei der der Schalter durch einen Zusatzkreis gesteuert ist,

dadurch gekennzeichnet,

— daß der Zusatzkreis eine Verzögerungseinrichtung (26,27) enthält, die an einem Versorgungsspannungs-Eingangsanschluß (25) liegt und nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer den Schalter (23) betätigt.

4. Ladungsverstärker-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

■- daß eine Ausgangsklemme (17) durch die im Ruhezustand verbundenen Kontakte (19, 20) eines weiteren Zweipositionsschalters (50) an den Eingangsanschluß eines Rückkopplungsverstärkers (40) angeschlossen ist, wobei mindestens ein Teil der Ausgangsspannung des Rückkopplungsverstärkers (40) dem nichtinvertierenden Eingang (13) des Ladungsverstärker (11) zuführbar ist,

— daß der invertierende Eingang (41) des Rückkopplungsverstärkers (40) an den Ausgang (12) des Ladungsverstärkers (11) über einen Widerstand (49) angeschlossen ist, und

— daß der Rückkopplungsverstärker (40) einen

Kondensator (48) in seiner Rückkopplungsstrecke aufweist, derart,

— daß der Rückkopplungsverstärker (40) als Integrierverstärker wirkt und gleichzeitig die Polarität der integrierten Spannung umkehrt