DE3128028C2 - - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/45—Differential amplifiers
- H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
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- H03F3/45—Differential amplifiers
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Description
Die Erfindung geht aus von einem integrierten Verstärker nach der
Gattung des Hauptanspruches.
Integrierte Operationsverstärker sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen
bekannt (siehe U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiterschaltungstechnik
4. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg,
New York, Seite 93 bis 121). Bei diesen bekannten integrierten
Operationsverstärkern liegen die typischen Werte für die Offsetspannung
bei einigen mV. Bei einem geforderten Eingangsspannungsbereich
von 10 µV bis 10 mV sind diese Operationsverstärker nicht
einsetzbar. Sollen solche Signale verarbeitet werden, müssen
chopperstabilisierte Verstärker eingesetzt werden. Diese sind teuer
und als integrierte Bausteine nicht verfügbar.
Aus der DD-PS 1 40 534 ist ferner ein integrierter Verstärker nach
der Gattung des Hauptanspruchs bekannt, bei der die Driftkorrektur
jedoch abhängig von der Polarität der Eingangssignale ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen integrierten Verstärker
nach der Gattung des Hauptanspruches zu entwickeln, bei dem
die Driftkorrektur unabhängig von der Polarität der Eingangssignale
ist.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale
des Hauptanspruchs gelöst.
Der dem als Differenzverstärker geschalteten Signalverstärker nachgeschaltete
Regelkreis regelt dabei die Offsetspannung aus. Daher
ist es möglich, hochohmige Eingangssignale im Bereich von 10 µV bis
10 mV verstärken zu können. Weiterhin ist vorteilhaft, daß der erfindungsgemäße
Verstärker sehr niedrige Frequenzen, z. B. Frequenzen
kleiner als 1 Hz, noch übertragen kann. Des weiteren läßt sich der
Verstärker in integrierter Technik mit einer minimalen Außenbeschaltung
und Anschlußklemmenzahl realisieren.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers ist in der
Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 das Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels
und
Fig. 2 die schaltungsgemäße Ausgestaltung des
Signalverstärkers.
Der erfindungsgemäße integrierte Verstärker soll zur Verarbeitung
für kleinste Spannungen im Bereich von 0 bis 5 mV insbesondere zur
Verstärkung und Auswertung der Signale einer Dehnungsmeßstreifen-
Brücke in einem Airbag-Auslösegerät Verwendung finden.
Für das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel wird ein Verstärker vom
Typ eines Stromverstärkers, der eine Eingangsspannung in einen Ausgangsstrom
wandelt, gewählt. Ein solcher Verstärker läßt sich je nach
Art des Abschlusses entweder als Spannungsverstärker - mit Widerstandsabschluß
- oder als Integrator - mit Kondensatorabschluß
- einsetzen. Die Übertragungseigenschaft dieses
Verstärkers wird durch das Verhältnis von Ausgangsstrom
zu Eingangsspannung beschrieben. Im Gegensatz zu den
meist verwendeten Operationsverstärkern lassen sich mit
Stromverstärkern Verstärker konstanter bzw. einstellbarer
Verstärkung und Integratoren mit konstanter bzw. einstellbarer
Integrationszeit ohne Rückkopplung auf den
Eingang realisieren. Daher entfallen die mit einer Rückkopplung
verbundenen Nachteile, wie Schwingungsneigung
des Verstärkers bzw. niedrige Grenzfrequenz als Folge
der Maßnahmen, die zur Unterdrückung des Schwingens,
wie z. B. die Phasengangkorrektur des Verstärkers notwendig
sind.
In der Fig. 1 ist das Blockschaltbild des erfindungsgemäßen
Verstärkers dargestellt. Es zeigt einen Signalverstärker
1 mit linearer Übertragungskennlinie, d. h. der
Ausgangsstrom ist proportional zur Eingangsspannung.
Der Signalverstärker 1 ist mit einem Regelkreis, der
aus dem Schaltverstärker 2, dem Kondensator 3 und dem
weiteren Verstärker 4 besteht, verbunden. Der Ausgang
des Signalverstärkers 1 ist an den nicht invertierenden
Eingang des Schaltverstärkers 2 angeschlossen, während
sein invertierender Eingang auf einem festen Bezugspotential
z. B. auf Massepotential liegt und sein Ausgang einerseits
über den Kondensator 3 an Masse angeschlossen und
andererseits mit dem invertierenden Eingang des weiteren
Verstärkers 4 verbunden ist. Der nicht invertierende
Eingang des weiteren Verstärkers 4 ist an den invertierenden
Eingang des Schaltverstärkers 2 angeschlossen. Der
Ausgang des weiteren Verstärkers 4 ist mit dem Ausgang
des Signalverstärkers 1 verbunden. Der im weiteren in
der Figur dargestellte Auskoppelverstärker 5 ist eine
vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verstärkers,
er ist für dessen Funktion nicht unbedingt notwendig. Der
Ausgang des Signalverstärkers 1 ist mit einem Eingang des
Auskoppelverstärkers 5 verbunden, der zweite Eingang des
Auskoppelverstärkers 5 ist an Masse angeschlossen.
Die in Fig. 2 dargestellte Möglichkeit zur Realisierung
des Signalverstärkers 1 zeigt einen Differenzverstärker 6
mit jeweils in den Kollektorkreisen nachgeschalteten Aufwärtsstromspiegeln
7 mit den Übersetzungsverhältnissen m i ,
wobei m eine ganzzahlige Zahl ist. Der Eingang der Stromspiegel
ist jeweils mit einem Punkt bezeichnet. Als Aufwärtsstromspiegel
wird ein Stromspiegel bezeichnet, dessen
Ausgangsstrom ein Vielfaches des Eingangsstroms ist. Das
Verhältnis von Eingangsstrom zu Ausgangsstrom läßt sich
über das Verhältnis der Emitterflächen von Eingangs- und
Ausgangstransistoren einstellen. Die Steilheit der in Fig.
2 dargestellten Realisierung des Signalverstärkers 1 ergibt
sich aus dem Produkt der Steilheit
des Differenzverstärkers 6, wobei U T die Temperaturspannung
und I der von der Stromquelle im Emitterzweig des Differenzverstärkers
6 erzeugte Strom ist, und den Verstärkungsfaktoren
der nachgeschalteten Aufwärtsstromspiegel m, . . . m i zu
Wird in der im Emitterzweig liegenden Stromquelle ein Strom
proportional zu U T erzeugt, so wird die Steilheit temperaturunabhängig.
Die in der Fig. 2 gezeigte Stromquelle,
bestehend aus den Transistoren 8, 9, dem Widerstand 10
und dem Stromspiegel 11 ist wie folgt von der Temperaturspannung
U T abhängig:
wobei n das Verhältnis der Emitterfläche des Transistors 8
zur Emitterfläche des Transistors 1 angibt.
Der Ausgang 12 des Differenzverstärkers 6 mit den nachgeschalteten
Stromspiegeln 7 ist in vorteilhafter Ergänzung
mit dem Verstärker 13 verbunden. Dieser Verstärker 13 ist
zur Realisierung des Signalverstärkers 1 nicht unbedingt
notwendig, durch ihn kann die Steilheit des Signalverstärkers
1 weiter erhöht werden, jedoch ohne weitere Verstärkung
des Gleichstromanteils, dem der Signalstrom überlagert
ist. Es ist nicht sinnvoll, den Strom durch die Aufwärtsstromspiegel
7 zu sehr hochzutransformieren, da technologische
Schwierigkeiten bei der Verwirklichung der Stromspiegel
auftreten, wenn der Strom durch die Stromspiegel
zu groß wird. Wird jedoch eine hohe Steilheit vom Signalverstärker
1 verlangt, so wird mit Hilfe der Aufwärtsstromspiegel
7 erst eine mittlere Steilheit erlangt, die durch
den Verstärker 13 weiter gesteigert wird. Dieser Verstärker
13 soll einen Eingangsstrom proportional in einen Ausgangsstrom
umsetzen, d. h. er soll die Eigenschaften eines Aufwärtsstromspiegels
besitzen, jedoch mit dem Unterschied,
daß sowohl positive wie negative Ströme übertragen werden
können. Der Verstärker 13 besteht daher im wesentlichen aus
zwei Aufwärtsstromspiegeln entgegengesetzter Polarität und
einer geeigneten Vorspannschaltung, die das Potential am
Eingang des Verstärkers 13 festgelegt.
Der Schaltverstärker 2 ist als Differenzverstärker mit
nachgeschalteten Abwärtsstromspiegeln ausgebildet. Analog
zu den Aufwärtsstromspiegeln wird bei den Abwärtsstromspiegeln
das Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsstrom
durch das Verhältnis der Emitterflächen von Eingangs- und
Ausgangstransistoren bestimmt. Bei einem Abwärtsstromspiegel
ist die maßgebliche Emitterfläche des Eingangstransistors
größer als die des Ausgangstransistors und somit der Ausgangsstrom
kleiner als der Eingangsstrom.
Der Schaltverstärker 2 soll möglichst unabhängig von der
Größe des Ausgangssignals am Signalverstärker 1 nur in Abhängigkeit
von dessen Polarität an seinem Ausgang einen
konstanten Strom entweder heraus- oder hineinfließen lassen.
Sein linearer Eingangsbereich sollte daher so klein wie
möglich sein, sein Ausgangsstrom, der den Kondensator 3 auf-
bzw. entlädt, wird entsprechend der gewünschten Regelzeitkonstanten
des Systems dimensioniert. In den meisten
Fällen wird man diesen Strom so klein wie möglich machen,
um den Kondensator ebenfalls klein halten zu können. Es
lassen sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung Verstärker
dimensionieren, die Signale im Bereich von 100 µV bis 10 mV
mit einer unteren Grenzfrequenz kleiner 1 Hz bei einem Kondensator
3 von wenigen µF und einer Gesamtsteilheit von
übertragen.
Der dem Schaltverstärker 2 nachgeschaltete weitere Verstärker
4 vergleicht die Spannung am Kondensator 3 mit einem
Referenzpotential z. B. Massepotential und liefert an seinem
Ausgang ein dieser Spannungsdifferenz proportionalen Strom,
welcher gegenphasig zum Signalstrom des Signalverstärkers
1 ist. Einem konstanten Ausgangsstrom des Signalverstärkers
1 wird vom Verstärker 4 so lange ein gegenphasiger Strom hinzugefügt,
bis die Summe beider Ströme verschwindet. Die
Zeit T₀, die vergeht, bis ein Signal des Signalverstärkers
1 ausgeregelt ist, ist proportional zur Signalgröße, zur
Größe des Kondensators 3, zum Ausgangsstrom des Schaltverstärkers
2 und umgekehrt proportional zur Steilheit des
Verstärkers 4. Es gilt:
oder bezogen auf die Eingangsspannung des Signalverstärkers 1:
Es ist zu erkennen, daß kleine Eingangsgleichsignale schneller
ausgeregelt werden als große Eingangsgleichsignale und
daß Wechselsignale mit einer Frequenz größer als um so
weniger verändert werden, je größer die Signalfrequenz im
Vergleich zu ist.
Bei einem realisierbaren Verstärker mit folgenden Daten:
C₃ = 10 µF, U Ein 1 = 100 µV
ergibt sich
T₀ = 1 sec
Der Verstärker 4 ist ebenfalls ein Differenzverstärker.
Um jedoch einen möglichst großen Spannungshub am Kondensator
3 zur Verfügung zu haben, ist es notwendig, den linearen
Eingangsbereich des Verstärkers 4 so groß wie möglich zu
machen. Dies geschieht z. B. durch Einfügen von Gegenkopplungswiderständen
in den Emitterzweigen des Differenztransistorpaares.
Zur Auskopplung des Signals am Ausgang des Signalverstärkers
1 ist es von Vorteil, einen weiteren speziellen Auskoppelverstärker
5 vom Typ des Verstärkers 13 zu verwenden. Der
Auskoppelverstärker 5 soll die Eigenschaft haben, einen
positiven wie negativen Eingangsstrom proportional zu übertragen.
Darüber hinaus darf der Auskoppelverstärker 5 den
Schaltverstärker 2 in seiner Funktion nicht behindern, d. h.
er darf einerseits in der Umgebung des linearen Eingangsspannungsbereichs
des Schaltverstärkers 2 den sehr hohen
Innenwiderstand der Gegentaktstromquellen am Ausgang der
Verstärker 1 und 4 nicht wesentlich herabsetzen, andererseits
muß er nach Überschreiten des linearen Bereiches des
Schaltverstärkers 2 die Spannung am Ausgang des Verstärkers
1 je nach Polarität des Signals oberhalb oder unterhalb
des festen Bezugspotentials, mit dem der invertierende
Eingang des Schaltverstärkers 2 verbunden ist, begrenzen,
denn nur so ist eine proportionale Stromübertragung vom
Eingang des Auskoppelverstärkers 5 auf seinen Ausgang
möglich. Realisieren läßt sich der Auskoppelverstärker 5
durch zwei nicht oder nur gering vorgespannte Stromspiegel
entgegengesetzter Polarität, welche auf das feste Potential
bezogen sind, mit dem der invertierende Eingang des
Schaltverstärkers 2 und der nicht invertierende Eingang
des Verstärkers 4 verbunden sind.
Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen
Breitbandverstärkers wird im folgenden näher erläutert:
Die statischen Offsetspannungen und die langsamen Offsetspannungsdriften
(Frequenz <1/T₀), die als statisches Ausgangssignal
am Signalverstärker anliegen, werden auf den
Eingang des Schaltverstärkers 2 geleitet. Dieser Schaltverstärker
ist so konstruiert, daß er durch minimale Spannungen
an seinem Eingang sofort übersteuert wird. Er wirkt
wie ein Schalter, der in Abhängigkeit vom Vorzeichen des
Signals den Kondensator 3 mit konstantem Strom lädt bzw.
entlädt. Der weitere Verstärker 4 setzt die Spannung am
Kondensator 3 linear in einen Ausgangsstrom um, der gegenphasig
zum Ausgangssignal des Signalverstärkers 1 ist und
so lange zunimmt, bis das Ausgangssignal des Signalverstärkers
1 verschwindet. Der Auskoppelverstärker 5 unterstützt
den Schaltverstärker 2 in seiner Schaltfunktion, da beim
Vorzeichenwechsel des Ausgangssignals des Signalverstärkers
1 die Eingangsspannung springt und somit der Schaltverstärker
2 stets übersteuert wird. Daher wird trotz eines
gewissen Proportionalbereiches der Übertragungskennlinie des
Schaltverstärkers 2 dieser schon durch kleinste Signale am
Ausgang des Signalverstärkers 1 übersteuert.
Claims (9)
1. Integrierter Verstärker zur Verarbeitung kleinster Eingangsspannungen
mit einem als Differenzverstärker geschalteten Signalverstärker
(1) und einer Einrichtung zur Driftkorrektur, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Driftkorrektur der Ausgang des Signalverstärkers
(1) mit dem Eingang eines Schaltverstärkers (2) und dem Ausgang eines
weiteren Verstärkers (4) verbunden ist und daß der Ausgang des
Schaltverstärkers (2) über einen Kondensator (3) an Masse geschaltet
ist und mit dem Eingang des weiteren Verstärkers (4) verbunden ist.
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Signalverstärker (1) und der weitere Verstärker (4) eine lineare
Übertragungskennlinie (Ausgangsstrom ist proportional zur Eingangsspannung)
aufweisen.
3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schaltverstärker (2) ein Differenzverstärker ist und zur Verringerung
des Ausgangsstrom dem Schaltverstärker (2) Abwärtsstromspiegel
nachgeschaltet sind.
4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erhöhung der Steilheit des Signalverstärkers (1) dessen
Differenzverstärker (6) Aufwärtsstromspiegel (7) nachgeschaltet sind.
5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der
gemeinsamen Emitterleitung des Differenzverstärkers (6), der Bestandteil
des Signalverstärkers (1) ist, eine Konstantstromquelle (8, 9,
10, 11) angeordnet ist, deren Strom proportional zur Temperaturspannung
(U T ) ist.
6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Signalverstärker (1) ein Auskoppelverstärker (5) nachgeschaltet
ist, dessen Eingangskennlinie derart gebildet ist, daß
die Eingangsspannung beim Vorzeichenwechsel des Eingangsstromes
springt und dann nahezu konstant bleibt.
7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrom
des Auskoppelverstärkers (5) proportional zu seinem Eingangsstrom
ist.
8. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der weitere Verstärker (4) als Differenzverstärker geschaltet
ist, wobei in den Emitterzweigen der Eingangstransistoren
jeweils ein Gegenkopplungswiderstand geschaltet ist.
9. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Signalverstärker (1), der Schaltverstärker (2), der
weitere Verstärker (4) und der Auskoppelverstärker (5) an ihren Ausgängen
eine Gegentaktstromquelle aufweisen.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19813128028 DE3128028A1 (de) | 1981-07-16 | 1981-07-16 | "integrierter verstaerker zur bearbeitung kleinster eingangsspannungen" |
US06/398,350 US4479095A (en) | 1981-07-16 | 1982-07-15 | Integrated circuit amplifier for low input voltages |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19813128028 DE3128028A1 (de) | 1981-07-16 | 1981-07-16 | "integrierter verstaerker zur bearbeitung kleinster eingangsspannungen" |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3128028A1 DE3128028A1 (de) | 1983-02-03 |
DE3128028C2 true DE3128028C2 (de) | 1988-08-04 |
Family
ID=6137001
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19813128028 Granted DE3128028A1 (de) | 1981-07-16 | 1981-07-16 | "integrierter verstaerker zur bearbeitung kleinster eingangsspannungen" |
Country Status (2)
Country | Link |
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US (1) | US4479095A (de) |
DE (1) | DE3128028A1 (de) |
Families Citing this family (2)
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---|---|---|---|---|
US20030117018A1 (en) * | 2001-12-21 | 2003-06-26 | Young James M. | Current mirror seatbelt interface circuit |
JP4825838B2 (ja) * | 2008-03-31 | 2011-11-30 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | 出力増幅回路及びそれを用いた表示装置のデータドライバ |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3908173A (en) * | 1974-05-13 | 1975-09-23 | Gen Motors Corp | Differential amplifying system with forced differential feedback |
SE7810662L (sv) * | 1978-01-24 | 1979-07-25 | Zolotenko Vladimir A | Anordning for nollnivakorrigerande forsterkning av en pulsspenning |
-
1981
- 1981-07-16 DE DE19813128028 patent/DE3128028A1/de active Granted
-
1982
- 1982-07-15 US US06/398,350 patent/US4479095A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US4479095A (en) | 1984-10-23 |
DE3128028A1 (de) | 1983-02-03 |
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D2 | Grant after examination | ||
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8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
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