DE3036917C2

DE3036917C2 - Verstärkerschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE3036917C2
Application number: DE3036917A
Authority: DE
Inventors: Bruce Edward Beaverton Oreg. Hofer
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1979-10-01
Filing date: 1980-09-30
Publication date: 1982-08-26
Also published as: US4296381A; DE3036917A1; JPS5657315A; JPS60805B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltungsanordnung mit einem invertierenden rückgekoppelten Verstärker, der einen invertierenden und einen nicht-invertierenden Eingang sowie einen Ausgang aufweist, mit einem an dem invertierenden Eingang angekoppelten Eingangsimpedanzelement, mit einem vom Ausgang auf den invertierenden Eingang gekoppelten Rückkoppel-Impedanzelement und mit einem Verzerrungskompensationselement zwischen invertierenden und nicht-invertierendem Eingang.

Invertierende rückgekoppelte Verstärker sind sehr verbreitet und werden für den Aufbau von gebräuchlichen elektronischen Test- und Meßgeräten in weitem Umfang benutzt. Die Nützlichkeit derartiger Verstärker ergibt sich zum Teil aus ihrer genauen Verstärkungscharakteristik, welche mit der Einfachheit des Verstärkers selbst gekoppelt ist. Die Realisierung in einer Schaltung ist in vielen Fällen eine Angelegenheit der Auswahl geeigneter äußerer Widerstände. Allerdings besitzen die im invertierenden rückgekoppelten Verstärker verwendeten aktiven Elemente von Hause aus eine nicht-lineare Verzerrungs- und Eingangsrauschcharakteristik, was zu einem Problem bei der Auslegung von signalerzeugenden Testgeräten führt. In denen ein sehr hohes Maß an Signalreinheit gefordert wird. Die meisten Maßnahmen zur Lösung dieses Problems bestehen in der direkten Hinzufügung von kompensierenden Netzwerken in die Strukturier aktiven Elemente selbst.

Aus der US-PS 34 62 697 ist eine Verstärkerschaltungsanordnung der eingangs genannten Art bekanntgeworden, bei der zwischen die beiden Eingänge (invertierender und nichtinvertierender Eingang) des rückgekoppelten invertierenden Verstärkers (Operationsverstärker) ein aktives Verzerrungskompensationselement in Form eines Verstärkers gekoppelt ist.

Dabei ist ein gesonderter Verstärkerkanal zur Realisierung eines stabilisierten Eingangssignals für einen Hauptverstärkerkanal zwecks Korrektur von Langzeit-Drifterscheinungen sowie zur Gewährleistung eines schnellen Übersteuerungsausgleichs vorgesehen. Der Eingang des gesonderten stabilisierenden Verstärkerkanaäs ist über eine Kapazität wechselspannungsmäßig an den Eingang des Hauptverstärkerkanals gekoppelt. Dadurch wird der durch die gekoppelten Eingänge der ίο Verstärker in den beiden Kanälen gebildete Summa· tionsknoten belastet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Belastung des genannten Summationsknoten minimal zu halten, um zusätzlich zu der durch Halbleiterbauelemente im Operationsverstärker bewirkten Verzerrungskompensationen auch das Rauschen zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird bei einer Verstärkerschaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß das Verzerrungskompensationselement als Verstärker mit einem Feldeffekttransistor ausgebildet ist, dessen Gate direkt an den invertierenden Eingang — des rückgekoppelten Verstärkers und dessen Drain an den nicht-invertierenden Eingang + des rückgekoppelten Verstärkers angekoppelt ist.

Eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist in einem Unteranspruch gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen konventionellen invertierenden rückgekoppelten Verstärker, der mit einer Spannungsverzerrung behaftet ist, welche sich in der Darstellung eines äußeren Spannungsgenerators aus den von Hause aus* vorhandenen physikalischen Eigenschaften ergibt;

F i g. 2 einen invertierenden rückgekoppelten Verstärker mit einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Verzerrungsreduzierung; und

F i g. 3 Einzelheiten der Schaltung zur Verzerrungsreduzierung.

Fig. 1 zeigt einen konventionellen invertierenden rückgekoppelten Verstärker mit einem aktiven Schaltungskreis Ul, einem Eingangsimpedanzelement, wie beispielsweise einem Widerstand 10 und einem Rückkoppel-Impedanzelement, wie beispielsweise einem Widerstand 12. Eine Eingangsspannung V₁ wird in eine Eimgangsklemme 14 angespeist und eine Ausgangsspannung Vo an einer Ausgangsklemme 16 abgenommen.

Der einen invertierenden Eingang ( —) und einen nicht-invertierenden Eingang ( + ) aufweisende aktive Schaltungskreis l/l kann ein an sich bekannter Verstärker sein, der Kreise in Form eines einfachen Transistors mit geerdetem Emitter bis zu einem komplizierten, als integrierte Schaltung ausgebildeten Differenzverstärker umfassen kann. Derartige Schaltungen besitzen von Hause aus eine nicht-lineare Charakteristik und sind mit Rauschen behaftet, was sich aus den physikalischen Eigenschaften der Halbleiterbauelemente ergibt. Eine Verzerrungsspannung Va welche aufgrund derartiger Nichtlinearitäten und Rauscheigenschaften erzeugt wird, ist durch einen Spannungsgenerator 18 nachgebildet, welcher zwischen Erde und den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers Ui geschaltet ist. Da der invertierende und nicht-invertierende Eingang dazu tendieren, aufgrund der Operationsverstärkerwirkung abgeglichen zu bleiben, wird am invertierenden Eingang des Verstärkers

Ul eine Summationspunktspannung V, erzeugt, welche etwa gleich der Verzerrungsspannung V,/ist.

Fig.2 zeigt eine erfindungsgemäß abgewandelte Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 zur Reduzierung der Effekte der nicht-linearen Verzerrung und des Rauschens. Da der grundlegende invertierende Operationsverstärker Gern Operationsverstärker nach Fig. 1 entspricht, sind zur Vereinfachung der Erläuterung in F i g. 1 und 2 die gleichen Bezugszeichen vorgesehen. Ein Verstärker 2C mit einer Verstärkung A ist zwischen den invertierenden und den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers Ul gekoppelt, um einen Zusammenhang zwischen der Verzerrungsspannung Vd und einer resultierenden Summationspunktspannung V_x zu realisieren, in der Vd sehr groß gegen V_x ist. Da die Verzerrungsspannung Vd durch die von Hause aus vorhandenen physikalischen Eigenschaften am nicht-invertierenden Eingang erzeugt wird, wird ihr Wert durch den Verstärker 20 nicht geändert. Daher erzwingt der Verstärker 20 eine Reduzierung der Summationspunktspannung V"» um einen Faktor von 1/(1 + A), so daß V",= W(I +A) ist, wodurch die Verzerrung oder das Rauschen im Ausgangssignal Vo reduziert wird. Berücksichtigt man, daß bekannte Verstärkerschaltungen, welche für den Verstärker Ul verwendbar sind, eine sehr kleine Verzerrung besitzen, so reduziert die Schaltungsanordnung nach F i g. 2 die kleine Verzerrung auf noch kleinere Werte. Eine praktische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeigte bei einer Messung eine Gesamtverzerrung von kleiner 0,0001%.

Die Schaltungsanordnung nach Fig.3 entspricht im wesentlichen der Schaltungsanordnung nach F i g. 2, so daß in Fig.3 im wesentlichen auch gleiche Bezugszeichen verwendet sind. In Fig.3 sind jedoch die Einzelheiten des Verstärkers 20 dargestellt. Der Verstärker enthält einen Feldeffekttransistor 30, dessen Gate an den Summationspunkt am inverlierenden Eingang des Operationsverstärkers U1 angekoppelt ist Aufgrund der hohen Gate-!mpedanz des Feldeffekttransistors 30 wird die Belastung des Summationspunktes durch die Auslegung des Verstärkers 20 minimal behalten. Die Source des Feldeffekttransistors 30 ist an Masse geschaltet, während dessen Drain über einen Lastwiderstand 32 an eine positive Spannungsquelle -I- Vangekoppelt ist Die Drain des Feldeffekttransistors 30 ist weiterhin an den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers Ul angekoppelt. Zur Realisierung einer niederfrequenten Grenzfrequenz oder zur Reduzierung der Effekte der Drift an der Drain des Feldeffekttransistor, kann im Bedarfsfall eine Wechselspannungs-Koppelkapazität 34 vorgesehen werden. Zur Realisierung der notwendigen Vorspannungen für den Verstärker Ul kann ein Widerstand 36 vom nichtinvertierenden Eingang nach Erde vorgesehen werden, wenn eine Koppelkapazität verwendet wird. Zur Optimierung der Frequenzcharakteristik oder auch zur Realisierung einer hochfrequenten Grenzfrequenz kann praktischerweise eine Kapazität 38 am nicht-inverlierenden Eingang vorgesehen werden. Faktoren, die bei der etwaigen Zuschaltung dieser Komponenten oder der Auswahl von deren Werten zu beachten sind, umfassen den Zweck, für den die Schaltungsanordnung verwendet werden soll, die Charakteristiken der Bauelemente, die Schaltungsstabiiität und die Bandbreitengrenzen. Durch sorgfältige Auswahl der Bandbreite des Verstärkers 20 kann erreicht werden, daß die Stabilität des Verstärkers Ul nicht beeinflußt wird oder im Hinblick auf sie ein Kompromiß zu schließen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verstärkerschaltungsanordnung mit einem invertierenden rückgekoppelten Verstärker, der einen invertierenden und einen nicht-invertierenden Eingang sowie einen Ausgang aufweist, mit einem an dem invertierenden Eingang angekoppelten Eingangsimpedanzelement, mit einem vom Ausgang auf den invertierenden Eingang gekoppelten Rückkoppel-lmpedanzelement und mit einem Verzerrungskompensationselement zwischen invertierendem und nicht-invertierendem Eingang, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzerrungskompensationselement als Verstärker mit einem Feldeffekttransistor (30) ausgebildet ist, dessen Gate direkt an den invertierenden Eingang ( —) des rückgekoppelten Verstärkers (Ui) und dessen Drain an den nicht-invertierenden Eingang (+) des rückgekoppelten Verstärker (U 1) angekoppelt ist.

2. Verstärkerschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Source des Feldeffekttransistors (30) an Masse geschaltet ist.

3. Verstärkerschaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (30) zur Verzerrungsreduzierung passive Elemente (34, 36, 38) zur Frequenzcharakteristik-Begrenzung enthält.