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Verstärker mit auf 0 V bezogenem Gleich-
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spannungseingang und auf 0 V bezogenem Gleichstromausgang Die Erfindung
betrifft einen Verstärker mit auf 0 V bezogener Spannungsquelle und auf 0 V bezogenem
Verbraucher, bei dem die auf 0 V bezogene Einsangsspannung an einem rückgekoppelten
Gleichspannungsverstärker (Teilverstärker), insbesondere Operationsverstärker, anliegt,
dem ein weiterer rückgekoppelter Gleichspannungsverstärker (Teilverstärker), insbesondere
Operationsverstärker, nachgeschaltet ist.
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Solche potentialmäßig aufgebauten Verstärker mit einem oder zwei hintereinandergeschalteten
Operationsverstärkern sind bekannt (U. Tietze, Ch. Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik",
3. neu bearbeitete und erweiterte Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg,
New York 1974, S. 216-218). Bei derartigen Verstärkern muß eine bestimmte Abgleichsbedingung
eingehalten werden, um einen von der Ausgangsspannung unabhängigen Ausgangsstrom
zu erhalten. Wird ein Widerstand geändert, um einen anderen Verstärkungsgrad zu
erhalten, muß ein weiterer oder müssen mehrere weitere Widerstände gleichfalls geändert
werden, damit die Abgleichsbedingung wieder stimmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker der eingangs
genannten Art zu schaffen, bei dem ohne komplizierte Abstimmung die Anpassung des
Verstärkers an bestimmte Forderungen möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verstärker
umgekehrte Polarität haben, wobei am Ausgang des ersten Verstärkers ein Transistor
mit hochohmigem Eingang liegt, der mit einer der Eingangsspannung proportionalen
Ausgangsspannung den zweiten Verstärker ansteuert, und daß am Ausgang des zweiten
Verstärkers ein weiterer Transistor mit hochohmigem Eingang liegt, der den Konstantstrom
liefert.
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Die beiden Verstärker sind vorzugsweise als Impedanzwandler geschaltet.
Sie können aber auch einen anderen Verstärkungsfaktor als 1 haben und als Addier-
oder Subtrahierverstärker, Integrator, Differentiator oder Filter geschaltet sein.
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Eine solche monopolare Schaltung kann zu einer bipolaren Schaltung
nach einer Ausgestaltung der Erfindung auf einfache Art und Weise dadurch erweitert
werden, daß der Schaltung aus dem zweiten Teilverstärker und den beiden Transistoren
eine gleichartige Schaltung mit umgekehrter Polarität der Bauelemente parallel liegt.
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Vorzugsweise sind die Transistoren Feldeffekttransistoren.
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Die erfindungsgemäße Schaltung läßt sich durch Änderung eines einzigen
Widerstandes den gewünschten Forderungen anpassen, ohne daß darunter die Qualität
des konstanten Ausgangsstromes leidet.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer zwei Ausführungsbeispiele
darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen Fig. 1 einen monopolaren
Verstärker und Fig. 2 einen bipolaren Verstärker.
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Der Verstärker gemäß Fig. 1 besteht aus zwei Operationsverstärkern
1, 2 umgekehrter Aussteuerrichtung, einem zwischen Operationsverstärkern 1, 2 angeordneten
n-Channel-Feldeffekttransistor 3 und einem am Ausgang des Operationsverstärkers
2 angeordneten p-Channel-Feldeffekttransistor 4. Die beiden Feldeffekttransistoren
3, 4 haben einen hochohmigen Eingang, so daß sie praktisch leistungslos von den
Operationsverstärkern 1, 2 angesteuert werden können und ihr Sorcestrom gleich dem
Drainstrom ist.
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Der Operationsverstärker 1 ist mit seinem Minus-Eingang über die Sorce
des Feldeffekttransistors 3 rückgekoppelt.
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Die Sorce des Feldeffekttransistors 3 ist ferner über einen Widerstand
5 an der OV-Schiene 6 angeschlossen.
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Die Drain des Feldeffekttransistors 3 ist mit dem Plus-Eingang des
Operationsverstärkers 2 und über einen Widerstand 7 mit der Speisespannungsschiene
8 verbunden. Der Operationsverstärker 2 ist mit seinem Minus-Eingang über die Sorce
des Feldeffekttransistors 4 rückgekoppelt.
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Die Sorce des Feldeffekttransistors 4 ist ferner über einen Widerstand
9 mit der Speisespannungsschiene 8 verbunden. Ein Lastwiderstand 10 ist an die OV-Schiene
6 den und an/Drain des Feldeffekttransistors 4 anschließbar.
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Sämtliche IC's sind an dieselbe Versorgung VG , VG+ angeschlossen,
wie es in der Fig. 1 nur für den Operationsverstärker 1 dargestellt ist. Es ist
aber auch möglich, daß für den Verstärker 1 eine geringere Speisespannuno als für
den Verstärker 2 gewählt wird. Von der Spannung V, ist die Speisespannung Vg+ für
den Verstärker über die Reihenschaltung einer Zenerdiode 11 und eines Widerstandes
12 abgeleitet.
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Der obere Teil der in Fig. 2 dargestellten Schaltung stimmt mit der
Schaltung der Fig. 1 überein. Der untere Teil der Schaltung entspricht dem oberen
Teil bezüglich der zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 1 und dem Lastwiderstand
10 angeordneten Bauelemente.
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Sich entsprechende Bauelemente sind deshalb im unteren Teil der Schaltung
gemäß Fig. 2 mit denselben Bezugszeichen, erhöht um die Zahl 20, bezeichnet.
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Die Wirkungsweise des Verstärkers ist folgende: Der als Impedanzwandler
mit der Verstärkung 1 beschaltete Operationsverstärker 1 steuert den als Stellglied
wirkenden Feldeffekttransistor 3 mit einem seiner Eingangsspannung UE entsprechenden
Signal an, so daß durch den Widerstand 5, über dem die Eingangsspannung UE nachgebildet
wird, ein bestimmter Strom I1 fließt. Da die Ansteuerung des Feldeffekttransistors
3 leistungslos erfolgt, fließt durch den zum Widerstand 5 in Reihe liegenden Widerstand
7 derselbe Strom I1. 1 Eine Änderung des Ohm'schen Wertes des Widerstandes 7 oder
eine Änderung der Speisespannung Vg+ in gewissen Grenzen führt nicht zu einer Änderung
des durch den Widerstand 7 fließenden Stromes I1, weil eine solche Änderung wegen
der
Rückkopplung des Operationsverstärkers 1 als Störgröße ausgeregelt wird. Da also
der Strom 11 im Widerstand 7 unabhängig vom Ohm'schen Wert des Widerstandes 7 ist,
besteht Proportionalität zwischen der Eingangsspannung UE und dem Strom I1 durch
den Widerstand 7 und damit auch Proportionalität zwischen der Eingangsspannung UE
und dem Spannungsabfall U 1 am Widerstand 7.
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z1 Entsprechend dem Spannungsabfall U z1 am Widerstand 7 z steuert
der als Impedanzwandler mit der Verstärkung 1 beschaltete Operationsverstärker 2
den Feldeffekttransistor 4 leistungslos an. Der durch den Widerstand 9 fließende
Strom IA fließt auch durch den Lastwiderstand 10. Eine Änderung des Ohm'schen Wertes
des Lastwiderstandes 10 ruft in gewissen Grenzen keine Änderung des durch ihn fließenden
Stromes IA hervor, weil diese Änderung aufgrund der Rückkopplung des Operationsverstärkers
2 ausgeregelt wird. Die Proportionalität des durch den Widerstand 9 und den Lastwiderstand
10 fließenden Stromes IA und des Stromes I1 durch den Widerstand 7 bzw. des Spannungsabfalls
Uz1 am Widerstand 7 ist also gegeben. Da der Spannungsabfall z1 proportional der
Eingangsspannung UE ist, folgt, daß die Eingangsspannung UE in einen phasengleichen
Ausgangsstrom im Lastwiderstand 10 umgewandelt wird, wobei das Proportionalitätsverhältnis
durch die Wahl des Ohm'schen Widerstandswertes einer oder mehrerer Widerstände 5,
7, 9 bestimmt werden kann.
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Bei dem Verstärker gemäß Fig. 2 wird eine Eingangsspannung UE beim
Null-Durchgang von UE+ kommend in einen phasengleichen Ausgangsstrom im Lastwiderstand
10 umgewandelt. Beim Null-Durchgang wird von den Bauelementen 2, 3, 4 auf die Bauelemente
22, 2.3, 24 umgeschaltet.Die Wirkung entspricht der am Beispiel der Fig. 1 beschriebenen
Wirkung.
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Damit bei einer Eingangs spannung UE der Ausgangsstrom im Lastwiderstand
10 ebenfalls exakt Null ist, ist es notwendig, daß die Operationsverstärker 1, 2,
22 im Arbeitsbereich arbeiten. Das bedeutet, daß die Speisespannung Vg+, Vg innerhalb
des Aussteuerbereichs der Operationsverstärker 1, 2, 22 liegt.