DE3151082A1

DE3151082A1 - Circuit arrangement for extending the range of linearity of a controllable resistance

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Publication number: DE3151082A1
Application number: DE19813151082
Authority: DE
Inventors: Alois Dipl.-Ing. 8500 Nürnberg Jäger; Lothar Dr. 8520 Erlangen Neumann; Karl-Heinz Dipl.-Ing. 8500 Nürnberg Parras
Original assignee: Felten & Guilleaume Fernmeldeanlagen 8500 Nuernberg GmbH; Felten and Guilleaume Fernmeldeanlagen GmbH; Felten and Guilleaume AG
Current assignee: PARRAS, KARL-HEINZ, DIPL.-ING., 8500 NUERNBERG, DE
Priority date: 1981-12-23
Filing date: 1981-12-23
Publication date: 1983-07-28

Abstract

In this circuit arrangement, the voltage which is present across the input terminals of the arrangement is first supplied to a differential amplifier, the input impedance of which is extremely high and the gain of which is less than 1. The output voltage of the differential amplifier is one of the input variables to a control circuit which contains the controllable resistance between two further terminals. It controls two controllable current sources or voltage sources in such a manner that when a voltage is applied to the input terminals of the arrangement, a current flows which is proportional to the applied voltage and inversely proportional to the resistance value of the controllable resistance. The components required for the internal construction of the control circuit and the current sources or voltage sources can be dimensioned in such a manner that the input impedance of the arrangement corresponds to the resistance value of the controllable resistance.

Description

Schalturlgsanordrlung zur Erweiterung des Linearitsts-Switch arrangement to expand the linearity

~bereiches eines steuerbaren Widerstandes Beim Erfindungsgeyenstand handelt es sich um eine Schaltungsanordnung zur Erweiterung des Linearitätsbereiches eines steuerbaren Widerstandes. Steuerbare Widerstände werden u.a. in elektrischen Regelkreisen gebraucht, um z. B. einen Signalpegel konstant zu halten. Dabei ist es wichtig, daß der steuerbare Widerstand in einem möglichst großen Spannungsbereich linear bleibt - d.h. sich wie ein ohmscher Widerstand verhält -um die Regelung verzerrungsfrei durchführen zu können.~ range of a controllable resistance in the inventive state it is a circuit arrangement for expanding the linearity range a controllable resistor. Controllable resistors are used in electrical Control loops used to z. B. to keep a signal level constant. It is it is important that the controllable resistor is in the largest possible voltage range remains linear - i.e. behaves like an ohmic resistor - around the control without distortion to be able to perform.

Ein Beispiel für einen steuerbaren Widerstand, der sich in der Nähe kleiner Spannungswerte wie ein ohmscher Widerstand verhält und dessen Widerstandswert sich in weiten Grenzen verändern lädt, ist der Feldeffekt-Transistor (FET). Um den Linearitätsbereich des Widerstandes der durch die Drain-Source-Strecke des FET gebildet wird, zu vergrößern, verwendet man einen Spannungsteiler. Durch ihn wird ein Teil der Spannung, die über dem steuerbarem Widerstand liegt, auf die Steuerelektrode (Gate) gegeben (U. Tietze u. Ch. Schenk Halbleiterschaltungstechnik, 5. Auflage, Springer Verlag 1DB0, Seite 92, Abbildung 3.20).An example of a controllable resistor that is close low voltage values behave like an ohmic resistor and its resistance value the field effect transistor (FET). To the Linearity range of the resistance formed by the drain-source path of the FET a voltage divider is used. Through him becomes a part the voltage across the controllable resistor to the control electrode (Gate) given (U. Tietze and Ch. Schenk semiconductor circuit technology, 5th edition, Springer Verlag 1DB0, page 92, Figure 3.20).

Der so beschaltete FET kann als ausreichend linear argesehen werden, solange über ihm keine größere Spannung als etwa 1 Volt abfällt. Sein Widerstandswert ist durch die Gate-Source-Spannung veränderbar.The FET wired in this way can be viewed as sufficiently linear, as long as there is no greater voltage than about 1 volt across it. Its resistance value can be changed by the gate-source voltage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegebenen steuerbaren Widerstand durch eine Beschaltung zu einer Anordnung mit einem steuerbaren Eingangswiderstand zu ergänzen, dessen Linearitätsbereich wesentlich größer ist als der des gegebenen steuerbaren Widerstandes.The invention has for its object to be a given controllable Resistance by wiring to form an arrangement with a controllable input resistance to be added, the linearity range of which is significantly larger than that of the given one controllable resistance.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine weitere Lösung ist im Kennzeichenteil des Anspruches 2 angegeben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen; Es zeigen: Figur 1 ein erfindungsgemäßes ächaltungsprinzip, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.This object is given by the characterizing part of claim 1 Features solved. Another solution is given in the characterizing part of claim 2. The subclaims contain advantageous configurations; They show: FIG. 1 a inventive principle, Figure 2 shows an embodiment of the invention.

Nach Figur 1 werden zur Lösung der gestellten Aufgabe zwei steuerbare Stromquellen 14 und 16 verwendet, die den Strom durch die Eingangsklemmen 11 und 12 der Anordnung steuern.According to FIG. 1, two controllable ones are used to solve the problem Current sources 14 and 16 are used, the current through the input terminals 11 and 12 control the arrangement.

Die Steuerung erfolgt durch eine Steuerschaltung 15, die zwischen zwei ihrer Anschlüsse den steuerbaren Widerstand R enthält und der die Ausgangsspannung eines Differenzverstärkers 13 zugeführt wird. Die beiden Eingänge des Differenzverstärkers 13 sind mit den Eingangsklemmen 11,12 der Anordnung verbunden.The control is carried out by a control circuit 15, which between two of its connections contain the controllable resistor R and the output voltage a differential amplifier 13 is supplied. The two Entrances of the differential amplifier 13 are connected to the input terminals 11, 12 of the arrangement.

Die Steuerschaltung 15 steuert den Strom durch die Eingangsklemmen 11,12 derart, darv er proportional zur Spannung wird, die über den Eingangsklemmen 11,12 abfällt und umgekehrt proportional zum eingestellten Widerstand des steuerbaren Widerstandes R.The control circuit 15 controls the current through the input terminals 11,12 such that it is proportional to the voltage across the input terminals 11.12 drops and inversely proportional to the set resistance of the controllable Resistance R.

Bei der zweiten Lösung der gestellten Aufgabe werden statt der Stromquellen steuerbare Spannungsquellen verwendet. Diese Lösung mit ihren vorteilhaften Ausgestaltungen soll anhand eines Ausführungsbeispieles; das in Figur 2 dargestellt ist, näher erläutert werden.In the second solution to the given problem, instead of the power sources controllable voltage sources are used. This solution with its advantageous refinements should based on an exemplary embodiment; which is shown in Figure 2, explained in more detail will.

Es sei angenommen, dal: zwischen den Eingangsklemmen 11 und 12 der Anordnung nach Figur 2 eine Eingangsspannung abfällt. Zum besseren Verständnis wird diese Eingangsspannung als Spannungsdifferenz dargestellt, und zwar als Differenz einer Spannung U1 zwischen der Eingangsklemme 11 und dem Bezugspunkt der Anordnung und einer Spannung U2 zwischen der Klemme 12 und dem Bezugspunkt.It is assumed that: between the input terminals 11 and 12 of the Arrangement according to Figure 2, an input voltage drops. For a better understanding this input voltage is represented as a voltage difference, namely as a difference a voltage U1 between the input terminal 11 and the reference point of the arrangement and a voltage U2 between terminal 12 and the reference point.

Wie die Figur 2 zeigt, liegt die Spannung U1 am nicht invertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers 21 an, der als Spannungsfolger geschaltet ist.As Figure 2 shows, the voltage U1 is the non-inverting Input of a first operational amplifier 21, which is connected as a voltage follower is.

Entsprechendes gilt für die Spannung U2 und einen zweiten Operationsverstärker 22. Im folgenden sollen alle Operationsverstärker als ideal angesehen werden, das heiflt u. a., daß keine Eingangsströme fliesen.The same applies to voltage U2 and a second operational amplifier 22. In the following all operational amplifiers are to be regarded as ideal that means, among other things, that no input currents flow.

Die Spannungsfolger -21 und 22 setzen demnach die Spannungen U1 und U2 leistungslos in gleich große Spannungen an ihren Ausgängen um. Diese Ausgänge führen nun über Widerstande R1, R2 auf die beiden Eingänge eines dritten Operationsverstärkers 23, der in bekannter. Weise weiteren Widerständen R3 und R4 beschaltet ist Kennzeichnet man die Widerstandswerte der Widerstände durch einen Strich über dem Symbol für das Bauteil, so schreibt sich die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 23 als (U1-U2) x R4/R2, vorausgesetzt, es wird R1 = R2 und R3 = R4 gewählt. Weiß man, in welchem Spannungsbereich sich die Eingangsspannung U1-U2 bewegt, so läßt sich das Verhältnis R4/R2 immer so wählen, daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 23 in den Linearitätsbereich eines gegebenen steuerbaren U'aderstandes R fällt. In Figur 2 ist ein Feldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand R eingezeichnet.The voltage followers -21 and 22 therefore set the voltages U1 and U2 converts to voltages of the same size at their outputs without power. These exits now lead via resistors R1, R2 to the two inputs of a third operational amplifier 23, who is known in. Way further resistors R3 and R4 is connected the resistance values of the resistors by a line above the symbol for the component, then the output voltage of the operational amplifier 23 is written as (U1-U2) x R4 / R2, provided that R1 = R2 and R3 = R4 is chosen. Do you know The voltage range in which the input voltage U1-U2 moves can be determined always choose the ratio R4 / R2 so that the output voltage of the operational amplifier 23 falls within the linearity range of a given controllable U'aderstandes R. A field effect transistor is shown as a controllable resistor R in FIG.

Die Sorce-Elektrode dieses Feldeffekttransistors ist mit dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers 23 verbunden, während die Drain-Elektrode an den invertierenden Eingang eines vierten Operationsverstärkers 24 führt, der als Umkehrverstärker mit dem steuerbaren Widerstand R und einem Widerstand R7 beschaltet ist. Die Ausgangsspannung des Umkehrverstärkers bemißt sich sie ist (U1-U2); sie ist zum Kanalstrom R-R1 des Feldeffekttransistors proportional Mit dieser Spannung wird nun der Strom gesteuert, der über einen Widerstand R5 von der Eingangsklemme 11 zu einem fünften Operationsverstärkter 25 flieht und der Strom, der von einem sechsten Operationsverstärker 26 über einen weiteren Widerstand R6 zur Klemme 12 fließt. Die Beschaltung der Operationsverstärker 25 und 26 ist derart, daß die Ströme über die Widerstände R5 und R6 entgegengesetzt gleich groß sind. Zu diesem Zweck müssen die Spannungsteiler R12/R13 und R14/R15, mit denen der Operationsverstärker 26 beschaltet ist, und die Spannungsteiler R8/R9 sowie R10/R11, mit denen der Operationsverstärker 25 beschaltet ist und die Widerstände R5 und R6 folgendermaBen bemessen werden: R5 = 196 = 198 = R11 = R13 = R14, R9 = R10 = R12 = R15.The source electrode of this field effect transistor is connected to the output of the third operational amplifier 23, while the drain electrode to the inverting input of a fourth operational amplifier 24, which acts as an inverting amplifier is connected to the controllable resistor R and a resistor R7. The output voltage of the inverting amplifier it is measured (U1-U2); it is to the channel stream R-R1's Field effect transistor proportional With this tension is now the current controlled via a resistor R5 from the input terminal 11 to a fifth operational amplifier 25 flees and the current flowing from a sixth operational amplifier 26 flows through another resistor R6 to terminal 12. The wiring of the operational amplifier 25 and 26 is such that the currents across resistors R5 and R6 are opposite are the same size. For this purpose the voltage dividers R12 / R13 and R14 / R15, with which the operational amplifier 26 is connected, and the voltage dividers R8 / R9 and R10 / R11, with which the operational amplifier 25 is connected, and the resistors R5 and R6 are dimensioned as follows: R5 = 196 = 198 = R11 = R13 = R14, R9 = R10 = R12 = R15.

Im Falle der angegebenen Bemessung nimmt der Eingangswiderstand der Schaltung den Wert (R2 x R9 x R) (R4 x R7) an. Erfüllt man noch zusätzlich die Bedingung (R9 x R2) : g4 x R7) = 1, so wird der Wert des Eingangswiderstandes gleich nach dem des steuerbaren Widerstandes R.In the case of the specified dimensioning, the input resistance decreases Switch on the value (R2 x R9 x R) (R4 x R7). If you also meet the condition (R9 x R2): g4 x R7) = 1, the value of the input resistance will be equal to that of the controllable resistor R.

Die maximal zulässige Eingangsspannung gängiger Operationsverstärker liegt bei etwa 10 Volt; ihr maximal zulässiger Ausgangsstrom beträgt rund 20 mA.The maximum permissible input voltage of common operational amplifiers is around 10 volts; their maximum permissible output current is around 20 mA.

Daher läßt sich der Linearitätsbereich eines unbeschalteten FET bei diesen Werten mit der erfindungsgemäßen Schaltung etwa um den Faktor 10 vergrößern.Therefore, the linearity range of an unconnected FET can be Increase these values by a factor of approximately 10 with the circuit according to the invention.

Werden die angegebenen Grenzen durch bessere Technoloyien nach oben hin verschober, so ergibt sich daraus auch eine praktische unbegrenzte Erweiterung des Linearitäsbereiches dns steucrbaren Widerstandes.Are the specified limits upwards through better technologies shifted, this also results in a practically unlimited expansion of the linearity range of the controllable resistance.

Claims

Claims 1,) Circuit arrangement for expanding the linearity range a controllable resistor (R), characterized by following circuit features: a) the input terminals (11, 12) of the arrangement are connected to the two inputs of one Differential amplifier (13) out with a high input resistance, b) a control circuit (15), which contains the controllable resistor (R) between two of its connections, the output voltage of the differential amplifier (13) is supplied; c) the input terminals (11, 12) of the arrangement are via a series connection of two controllable current sources (14, 16) connected to one another; d) the two power sources are controlled by the control circuit controlled in such a way that they supply oppositely equal currents and that each of the two currents proportional to the output voltage of the differential amplifier (13) and is inversely proportional to the set value of the controllable resistor (R).

2 circuit arrangement for expanding the linearity range of a controllable resistor (R), characterized by the following circuit features: a) the input cycles (11, 12) of the arrangement are connected to the two inputs of a differential amplifier (D) led with high input resistance; b) a control circuit (St) between two of its terminals contain the controllable resistor (s), becomes the output voltage the differential amplifier (D) supplied; c) the series connection of two controllable Voltage sources (S1, S2) are connected to the input terminals via a resistor (R5, RE) each (11, 12) connected to the arrangement; d) the controllable voltages (S1, S2) are controlled by the control circuit (St) so that via the with the input terminals connected resistors (R5, R6) opposite equal currents flow and that each of the two currents proportional to the output voltage of the differential amplifier (D) and inversely proportional to the set value of the controllable resistance (R) is.

3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the differential amplifier (D) from a known way with resistors (R1, R2, R3, R4) connected third operational amplifier (23), the inputs of which via each one of the wiring resistors (R1, R2) with the outputs of two as Voltage followers used first and second operational amplifiers (21, 22) connected are.

4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that daf the output of the third operational amplifier (23) to the one terminal of the staubaren Resistor (R) leads, while the other terminal to the inverting input a fourth operational amplifier (24) connected as an inverting amplifier is.