DE3306620A1 - Thermoelementsignalanpasser als integrierter schaltkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen IC-Chip bzw. integrierten Schaltkreis, an den ein Thermoelement angeschlossen werden kann, um ein Temperaturmeßsignal mit einem Vergleichsstellenabgleich zu erzeugen.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Messung von Temperaturen unter Verwendung von Thermoelementen. Speziell betrifft die Erfindung Verstärkerschaltkreise, die mit Thermoelementen arbeiten und eine Kaltelement-Kompensation vorsehen.

Thermoelemente werden seit vielen Jahren in einer großen Auswahl von Anwendungen zur Temperaturmessung verwendet. Wie allgemein bekannt, erzeugen Thermoelemente eine Aus-

^c gangsspannung proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Meßelement (das der zu messenden Temperatur ausgesetzt ist) und einem Vergleichselement (oft als 'Kaltelement" bezeichnet). Da Veränderungen in der Vergleichselement-Temperatur den Thermoelementausgang verändern, umfassen übliche Einrichtungen Mittel zum Stabilisieren der Vergleichstemperatür, wie durch Anordnen des Referenzelementes in einem Eisbad (O⁰C) oder Mittel, die ein Abgleichsignal erzeugen, das sich automatisch mit der Vergleichselementtemperatur derart ändert, daß das Ausgangssignal für eine konstante Meßtemperatur gleichbleibend aufrechterhalten wird. Die vorliegende Erfindung betrifft Mittel zum Schaffen eines derartigen Abgleichs.

Verschiedene Verfahren zum Bewirken des Vergleichselementabgleichs sind benutzt worden. Beispielsweise könnte eine Spannung über einen Widerstand in Reihe mit dem Thermoelementausgang erzeugt werden, indem der Widerstand mit einem Strom versorgt wird, der eine erste Komponente besitzt, die durch eine Konstantspannungs-

quelle erzeugt wird, und eine zweite Komponente, die

durch einen Temperaturmeßumformer, der für die Vergleichselementtemperatur verantwortlich ist, erzeugt wird. Ein Temperaturmeßwandler, der für diesen Zweck erfolgreich eingesetzt wurde, ist das Modell AD 590 der Firma Analog Devices, Inc., der zur Erzeugung eines Ausgangsströmes proportional zur absoluten Temperatur einsetzbar ist.

Aus verschiedenen Gründen waren die bisher benutzten Thermoelementverstärker- und Abgleichanordnungen nicht voll befriedigend.

Demgemäß ist es vorrangige Aufgabe dieser Erfindung, einen verbesserten Thermoelement-Abgleichverstärker zu schaffen, der die Nachteile des Standes der Technik eliminiert oder im wesentlichen auf ein Minimum reduziert.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, das nachfolgend ausführlich beschrieben ist, ist ein integrierter Schaltkreis auf einem Chip vorgesehen, mit dem die Thermoelement-Zuführungen verbunden sind und der ein verstärktes Ausgangssignal erzeugt, das automatisch bei Veränderungen in der Kaltelement-Temperatur kompensiert wird. Das Gerät ist sehr genau, arbeitet mit einem niedrigen Leistungspegel (unter 800 Microwatt) und läßt sich nicht von Erdverbindungen beeinflussen, die an den Thermoelementen auftreten können.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel empfängt ein Verstärker mit einem Differenzeingang das Thermoelement-Signal und ein temperaturabhängiges Abgleichsignal, das eine zur absoluten Temperatur des Kaltelementes proportionale Komponente besitzt. Der Verstärkerausgang dient als Temperaturmeßsignal und ist durch eine negative Rückkopplungsschleife mit dem Verstärkereingang ver-

"blinden. Vorzugsweise umfaßt der Verstärker zwei aufeinander abgestimmte Differenzeingangsverstärker, deren Ausgänge additiv mit dem Eingang eines Hauptverstärkers verbunden sind, der die Rückkopplungsschleife treibt, In dieser Anordnung empfängt ein Differenzverstärker das Thermoelementsignal, während der andere das Rückkopplungssigna! zusammen mit dem Vergleichselement-Abgleichsignal empfängt. Vorteilhafterweise weist das Abgleichsignal eine Komponente auf, die proportional zur absoluten Temperatur (PTAT) und mit einem Eingang des Differenzverstärkers verbunden ist, und eine zweite Komponente, die komplementär zur absoluten Temperatur (CTAT) und mit dem anderen Eingang des Verstärkers verbunden ist. Die beiden Abgleichsignale zusammen bewirken eine Nullunterdrückung mit einem Bezugspunkt bei O⁰C.

V/eitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend zum Teil herausgestellt und durch die sich anschließende Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen erläutert.

Figur 1 stellt ein Blockschaltbild dar, das die grundsätzlichen Elemente eines Thermoelement-Abgleichverstärkers gemäß der Erfindung zeigt.

Figur 2 zeigt ein ausführliches schematisches Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung.

Bezogen auf Figur 1 umfaßt der Thermoelement-Abgleichverstärker (TAC) gemäß der vorliegenden Erfindung einen einzelnen IC-Chip, der durch ein Paar aufeinander abgestimmte Verstärker, die im Blockschaltbild mit 10, 12 dargestellt sind, gebildet wird. Die Eingangsanschlüsse 14, 16 des oberen dieser Verstärker 10 sind mit -IH und +IN-Chipanschlüssen verbunden, mit denen die

Thermoelementzuführungen verbunden werden. Der andere Differenzverstärker 12 erhält ein Kaltelementabgleichssignal und ein Rückkopplungssignal, wie noch weiter ausgeführt werden wird.

Die Ausgänge der Differenzverstärker 10, 12 sind an den entsprechenden Eingängen 20, 22 eines Hauptverstärkers 24 angelegt, der eine Spannung (V_Q) erzeugt, die die Summation seiner "beiden Eingänge darstellt. Diese Spannung wird an einen negativen Rückkopplungskreis 26 angelegt, der einen mit dem nichtinvertierenden Eingang 28 des unteren Differenzverstärkers 12 verbundenen Widerstand R 54 enthält. Ein CTAT (komplementär zur absoluten Temperatur)-Signal einer CTAT-Signalquelle 30 wird ebenfalls an diesen Eingang angelegt. Der invertierende Eingang 32 des unteren Verstärkers 12 erhält ein PTAT (proportional zur absoluten Temperatur)-Signal von einer PTAT-Signalquelle 34.

Es ist zu erkennen, daß der obere Differenzverstärker 10 vom Rückkopplungskreis 26 isoliert ist. Deshalb kann das Thermoelement direkt mit den Eingangsanschlüssen +IN und -IN verbunden werden, ohne durch den Rückkopplungskreis gespeist zu werden.

Veränderungen in der thermoelektrischen Spannung, differenziell an dem oberen Verstärker 10 angelegt, werden in ein Einzel-Endsignal, das den Hauptverstärker 24 treibt, umgewandelt. Der Ausgang des Hauptverstärkers verändert sich entsprechend, um den unteren Verstärker 12 durch den Rückkopplungskreis 26 zu treiben. Die Rückkopplung bewirkt, daß die Spannung zwischen den Hauptverstärkereingangsanschlüssen 20, 22 gegen Null geht. Um dieses Ergebnis zu erreichen, zwingt die Rückkopplung den Differenzeingang des unteren Verstärkers 12 da-

zu, sich dem Differenzeingang des oberen Verstärkers anzugleichen, wenn die beiden Eingangsverstärker aufeinander abgestimmt sind.

Das von dieser Schaltkreisanordnung resultierende Ausgangssignal ist das gleiche, als wenn das Thermoelementsignal direkt auf den invertierenden Eingang des unteren Verstärkers 12 gegeben wird. Das, was als ein "Schein-Thermoelement" bezeichnet werden könnte, ist tatsächlich mit dem Eingangeschaltkreis des Verstärkers verbunden. Da es jedoch einen getrennten, nicht geerdeten Verstärkereingang für das Thermoelementensignal gibt, muß der Eingang des Thermoelementes nicht "erdbezogen" sein und kann innerhalb eines zweckmäßigen Gleichtaktbereichs benutzt werden.

Der invertierende Eingang 32 des unteren Verstärkers erhält ein PTAT-Vergleichselementabgleichssignal von der PTAT-Signalquelle 34. Dieses Abgleichsignal ist auf diese Weise auf absolut Hull bezogen. Weil es jedoch bevorzugt wird, die Thermoelementkompensation auf O⁰C zu beziehen, wird ein ergänzendes Abgleichsignal vorgesehen, um dieses Ergebnis zu erreichen. Ein derartiger zusätzlicher Abgleich könnte in lOrm einer konstanten Spannung realisiert sein, um das PTAT-Abgleichsignal zu verschieben oder zur Nullunterdrückung zu nutzen. Jedoch würden spezielle und teure Mittel benötigt, um die Spannung hinreichend nahe des feststehenden Wertes zu halten, damit entsprechend genaue Temperaturmessungen vorgenommen werden können. Um eine derartige Anordnung zu vermeiden, wird im angegebenen Ausführungsbeispiel eine bessere Technik angewendet. Diese Technik umfaßt das Betreiben des nichtinvertierenden Eingangs 28 des unteren Verstärkers 12 mit einem CTAT-Abgleichsignal, z.B. ein Signal, das einen Temperaturkoeffizienten mit

umgekehrten Vorzeichen zu dem PTAT-Signal am invertierenden Eingang besitzt.

Der Abgleichstromkreis ist derart eingerichtet, daß die CTAT-Spannung an dem nichtinvertierenden Eingang 28 des unteren Verstärkers 12 bei O⁰C im wesentlichen gleich der PTAT-Spannung an dem invertierenden Eingang 32 ist. Wenn somit die Temperatur des Chips O⁰C wäre, würde sein Ausgang (V₀) nur die Thermoelementspannung abgeben. Bei anderen Chip-Temperaturen werden beide, die PTAT und die CTAT-Spannungen, wechseln, um ein Netto-Kompensationssignal zu erzeugen, das gleich der Spannung ist, die durch ein Thermoelement, das sein Meßelement auf Chip-Temperatur und sein Vergleichselement bei O⁰C hat, erzeugt wird. Infolgedessen besteht das Ausgangssignal (V₀) aus einer Spannung proportional zu der Thermoelementeingangsspannung (im wesentlichen auf die jeweilige Chip-Temperatur bezogen) und einer Spannung proportional zu der Differenz zwischen der Chip-Temperatur und O⁰C. Das Ergebnis ist das gleiche, als wenn der Ausgang eines Thermoelements bezogen auf O⁰C einfach verstärkt wird. Deshalb ist der Verstärkerausgang des Schaltkreises eine genaue Darstellung der Thermoelementtemperatur, aber ohne die Erfordernis einer genauen O°C-Vergleichstemperatur.

Der Alarmstromkreis, allgemein als 40 bezeichnet, zeigt an, wenn eine (oder beide) der Thermoelementzuführungen 42 zu den +IN und -IN-Anschlüssen unterbrochen ist. Ein derartiger offener Schaltkreis überlastet den Hauptverstärker 24 und zwingt den Alarmabtasttransistor Q 21 zum Einschalten, wie im folgenden beschrieben wird.

Gemäß der ausführlichen Beschreibung des vorliegenden Ausführungsbeispiels in Fig. 2 wird der Grundkompensationsstrom von einem gekreuzten Vierergruppenschalt-

r* ft ♦

kreis abgezweigt, der allgemein mit 100 bezeichnet ist und aus den Transistoren Q 1, Q 2, Q 3 und Q 4 besteht. (Hintergrundinformation über gekreuzte Vierergruppenschaltkreise sind im U.S. Patent 4.268.759 zu finden.) Der Basisstrom für die Transistoren Q 3 und Q 4 wird durch den Transistor Q 6 geliefert, wenn, ausgelöst durch einen Feldeffekttransistor (FET) Q 49» seine Basis durch den Vierergruppenerregerstrom positiv wird. Die Erregung der Vierergruppe durch den Strom in den Transistoren Q 4 und Q 2 stabilisiert die Emitterspannung des Transistors Q 1. Da der Transistor Q 1 ein Doppelemittertransistor ist, wird seine Spannung bezüglich des Emitters von Transistor Q 2 allgemein durch die Gleichung:

V_E1 = ~ In2

angegeben.

Diese Spannung fällt über den Widerständen R 50 und R 51, resultierend aus einem PTAT-Stromfluß in den Transistoren Q 1 und Q 3 ab.

Die Transistoren Q 25, Q 26, Q 27 und Q 28 bilden einen verbesserten Wilson-Stromspiegel 102. Der Transistor Q 5 ist eine Abänderung, bekannt als Congdon-Verbesserung. Der kleine Widerstand R 69 ist zusammen mit der erhöhten Kollektorbasiskapazität des Transistors Q 27 für die Frequenzstabilisierung der Schleife, die durch den Transistor Q 5 geschlossen wird.

Der offenbarte Abgleichverstärker ist in der Lage, mit einer negativen Speisespannung von 0 bis -25 Volt zu arbeiten, so daß die am Transistor Q 49 angelegte Gate-Vorspannung einer breiten Schwankung ausgesetzt ist. Die

Hinzunahme des Widerstandes R 68 reduziert die Schwankungen im tatsächlichen Drain-Strom. Die EET-Widerstandkombination bewirkt einen minimalen Ruhestrom, der ausreicht, um den Stromfluß im gekreuzten Vierergruppenschaltkreis 100 aufrechtzuerhalten. Der PNP-Stromspiegel 102 invertiert diesen Strom und reflektiert ihn rückkoppelnd auf die Seite der Transistoren Q 2, Q 4« Dieser Strom wird zu einem PTAT-Wert ansteigen, der durch die Widerstände R 50 und R 51 und die Spannung . Vxn bestimmt wird. Der maximale Drain-Strom des Transistors Q 49 muß kleiner sein als dieser PTAT-Strom, um den zweckmäßigen Vorspannungslevel zu ermöglichen.

Wenn der Schaltkreis einmal eingeschaltet ist, fließt der PTAT-Strom, der eine Größe besitzt, die durch die Widerstände R 50 und R 51 bestimmt wird, in beide Seiten des gekreuzten Vierergruppenschaltkreises 100, so daß Basisstrorafehler auf ein Minimum reduziert werden. Das Ergebnis ist, daß die Basisspannung des Transistors Q 3 genau bestimmt ist und benutzt wird, um ein CTAT-Signal am Schaltkreispunkt 104 zu produzieren. Diese Spannung wird durch einen Teiler, bestehend aus den Widerständen R 52 und R 53 reduziert, um das benötigte CTAT-Temperaturoffsetsignal zu bilden. Der Rückkopplungswiderstand R 54 ist an diese reduzierte Spannung angeschlossen, die den Transistor Q 32 über den Widerstand R 63 betreibt. Diese Verbindung entspricht dem unteren nichtinvertierenden Eingang 28 der Figur 1. Der Widerstand R 63 gleicht den Spannungsunterschied aus, der durch den Basisstrom in dem Thermoelement-Eingangsschutzwiderstand R 65 erzeugt wird.

Der invertierende Eingang 32 des Verstärkers 12 legt das PTAT-Abgleichsignal vom Spannungsteiler R 50/R 51 über einen Basisstromabgleichwiderstand R 64 an den

Transistor Q 33 an. Diese Spannung zwischen den Widerständen E 50 und R 51 ist eine zweckmäßig geteilte Abbildung der PTAT-Spannung am Emitter des Transistors Q 1. Die beiden PNP-Transistoren Q 32 und Q 33 können als Emitterfolger betrachtet werden, die die Emitter der Transistoren Q 7 und Q 8, die zusammen mit Transistor Q 10 einer Art entsprechend in einem Wilson-Stromspiegel verbunden sind, betreiben. Der "Boden" des Spiegels besitzt jedoch keine allgemeine Verbindung für die Transistoren Q 7 und Q 8. Stattdessen wird die Differenzeingangsspannung zwischen ihnen angelegt. Diese Spannung stört die Spiegelung, so daß das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsstrom eine Punktion des EingangssignaIs, das an die Transistoren Q 32 und Q 33 angelegt ist, ist. Der PTAT-Eingangsstrom für die Transistorenanordnung Q 7, Q 8 und Q 10 wird vom Transistor Q 30 zugeführt.

Der obere Differenzverstärker 10, der in Pigur 1 gezeigt ist, wird durch die Transistoren Q 34, Q 35, Q 13, Q 14 und Q 16 gebildet. Diese Schaltung ist identisch mit dem Verstärkerschaltkreis 12, der als Temperaturabgleich und Rückkopplungseingang benutzt wird, und wird durch einen PTAT-Strom vom Transistor Q 31, der auf den Transistor Q 30 abgestimmt ist, betrieben. Der Ausgangsstrom vom Transistor Q 16 der Eingangsstufe 10 wird mit dem Strom vom Transistor Q 10 der anderen Eingangsstufe 12 verglichen, um den Hauptverstärker 24 zu steuern. Der Hauptverstärkerausgang Vo betreibt die Rückkopplung über den Widerstand R 54, um den Unterschied zwischen den Strömen der Transistoren Q 10 und Q 16 zu minimieren.

Der Unterschied dieser beiden Ströme wird von einem Stromspiegel 112 abgeleitet, der aus den Transistoren Q 36, Q 37, Q 38 und Q 45 besteht. Der Netzstrom an

den Kollektoren der Transistoren Q 16 und Q 37 "betreibt die Basis des Emitterfolgers Q 40, der in Reihe die Basis einer Spannungsverstärkungsstufe Q 41 "betreibt. Der Kollektor des Transistors Q 41 ist entgegengesetzt zu dem Transistor Q 12, der seine Betriebsspannung erzeugt. Die Kollektorspannung des Transistors Q 41 treibt die Basis des Emitterfolgers Q 18 an, die dann den Chip-Ausgang (V- ) über den positiven Strombegrenzungswiderstand R 60 betreibt. Der Kollektor des Transistors Q 41 betreibt ebenfalls die in einer Darlington-Schaltung angeordneten PNP-Transistoren Q 43 und Q 44, so daß der Ausgang den Strom während des Erzeugens negativer Ausgangssignale absenken kann. Eine negative Strombegrenzung ist durch eine Hochstrom- -Verminderung ' in diesen zwei Transistoren vorgesehen, wobei der begrenzte Ansteuerungsstrom vom Transistor Q 12 zur Verfügung gestellt wird.

Der Ansteuerungsstrom für den Transistor Q 12 ist von dem Ausgangsstrom des Temperaturrückkopplungs-Eingangsverstärkers 12 abgeleitet. Insbesondere treibt der Strom des Transistors Q 10 den Hauptdifferenzstromspiegel 112, wie oben beschrieben, an. Innerhalb dieses Stromspiegels bilden die Transistoren Q 36, Q 38 und Q 45 einen anderen Wilson-Spiegel, wobei der Kollektorstrom des Transistors Q 38 den Eingangsstrom von Transistor Q 10 spiegelt. Der Strom vom Transistor Q 38 treibt die im Verhältnis 1 : 6 spiegelnde Anordnung, bestehend aus den Transistoren Q 11 und Q 12 und den Widerständen R 55 und R 56 an.

Der Transistor Q 24, der einen PNP-Transistor mit geteiltem Kollektor darstellt und durch die Vorspannung, erzeugt durch Transistor Q 25» betrieben wird, ist als eine der Zusatzvorspannungsanordnungen vorgesehen.

Diese Basisspannung bewirkt, daß der Emitterstrom des Transistors Q 24 gleich, dem Emitterstrom des Transistors Q 25 wird, der sich dem Bezugs-PTAT-Ruhestrom nähert. Dieser Strom, abzüglich des Basisstroms, wird genau am Kollektor geteilt und setzt die vorher beschriebenen, aufeinander abgestimmten Eingangsstufen 10, 12 durch die Kaskaden-PNP-Transistoren Q 30 und Q 31 unter Vorspannung.

Ein anderer Ruhestrom wird durch Transistor Q 46 von der Basisspannung des Differenzspiegels 112 abgeleitet. Dieser Strom setzt Transistor Q 40 unter Vorspannung. Der Widerstand R 57 reduziert die Basisansteuerung geringfügig, so daß die Summe des Kollektorstroms von Transistor Q 46 mit dem Basisstrom von Transistor Q 41 sich dem Emitterstrom von Transistor Q 38 nähert. Dieser Abgleich, minimiert den Fehler, der sich aus einem Unterschied im Basisstrom der Transistoren Q 38 und Q 40 ergeben würde.

Eine positive Strombegrenzung ist durch. Transistor Q 17 vorgesehen. Wenn der Ladestrom ausreicht, um etwa 600 mV über Widerstand R 60 zu erzeugen, schaltet der Transistor Q 17 durch und nimmt über den Transistor Q 23 die Basisansteuerung von Transistor Q 18 weg. Die Funktion von Transistor Q 23 besteht darin, die Kollektorbasisverbindung von Transistor Q 17 abzuschalten, wenn negative Ladungen vorliegen. Ohne Transistor Q 23 würde die Kollektorbasisstrecke von Transistor Q 17 eine in Vorwärtsrichtung von der Basis des Transistors Q 43 zum Ausgang angesteuerte Diode sein.

Wenn Transistor Q 17 durchschaltet, um die Ansteuerung von Transistor Q 18 zu nehmen, wird das Verstärkerteil den Transistor Q 41 auf Hochstrompegel steuern,

bis er überlastet wird. Um den Einschalt-Chip-Wärmeverlust zu steuern, wird der Kollektorstrom von Transistor Q 4-1 ebenfalls begrenzt. Diese Begrenzung wird durch Transistoreinrichtung* Q 42 und Widerstand R 59 durchgeführt. Bei Normalbetrieb bewirkt der Widerstand R 59 nur eine unbedeutende Reduzierung der Rückkopplungsschleifenverstärkung. Wenn Transistor Q 41 stark übersteuert wird, ermöglicht der Widerstand R 59, daß der Emitter und von nun an die Basis negativ wird. Wenn dies eintritt, wird die Basis von Transistor Q 42 ebenfalls negativ gesteuert. Da sein Emitter mit dem Emitter von Transistor Q 31 verbunden ist, wird die Basisemitterstrecke von Transistor Q 42 durch den Überschußbetrieb von Transistor Q 41 in Vorwärtsrichtung betrieben. Als Ergebnis wird der Emitterstrom von Transistor Q 31 herabgesetzt, was die Ansteuerung der Thermoelementeingangsstufe 10 reduziert. Diese Herabsetzung reduziert die Ansteuerung von Transistor Q 40 und Q 41 durch Transistor Q 16 bis ein Gleichgewicht erreicht ist.

Im Falle positiver Ausgangsüberlastung wird der Kollektorstrom von Transistor Q 42 dazu benutzt, den Alarmschaltkreis zu aktivieren. Dieser Strom, der normalerweise Null ist, wird ansteigen, wenn der Verstärkerausgang überlastet ist oder wenn die Eingänge derart überlastet sind, daß die Ausgänge in positiver Richtung gesteuert werden. Der Basisstron von Transistor Q 34 wird eine derartige Eingangsüberlastung zur Folge haben, wenn der +IN-Thermoelementeingangsanschluß im Leerlauf betrieben wird. Wenn der -IN-Thermoelementeingangsanschluß (oder beide + und -) alternativ im Leerlauf betrieben wird, wird der Kollektorstrom des Transistors Q 16 auf Null fallen und bewirken, daß der Hauptstromspiegel 112 die Basic von Transistor w 40 positiv ansteuert. Da der Eingang zum Spiegel vom Transistor Q 10 durch Therraoelementeingangsüberlastungen unbeeinflußt bleibt, wird

der Kollektor von Transistor Q 37 positiv angesteuert "bis die Basisemitterstrecke von Transistor Q 39 in Vorwärtsrichtung "betrieben wird. An diesem Punkt wird der Ausgangsstrom des Spiegels über den Kollektor von Transistor Q 39, der in einer allgemeinen Basisanordnung ist, fließen.

Bei allen Überlastungskombinationen wird der kombinierte Kollektorstrom der Transistoren Q 39 und Q 42 vom normalen Null-Pegel ansteigen. Dieser Strom wird die Basis von Transistor Q 19» der Transistor Q 21 in einer Darlington-Schaltung antreibt, betreiben. Dauer wird Transistor Q 21 immer dann betrieben, wenn eine Überlastung auftritt. Widerstand R 61 hält die Basis niedrig für Transistor Q 21, um die Verluste und die mit β multiplizierten Verluste vom Transistor Q 19 zu beseitigen. Generell wird angenommen, daß Transistor Q 21 als ein Schalter zum Anzeigen der Überlastung angewendet wird. Da er in einer Vielzahl von Anordnungen verbunden werden kann, wird ein Überlastungsschutz eingeschlossen. Der Emitterstrom von Transistor Q 21, der durch den Widerstand R 62 fließt, entwickelt eine Spannung über die Basisemitterstrecke von Transistor Q 20. Wenn diese Spannung ausreichend groß ist, schaltet Transistor Q 20 durch und zieht die verbleibende Basisansteuerung von Transistor Q 19 ab. Der Schaltkreis wird ein Gleichgewicht mit einem zuverlässigen Strompegel in Transistor Q 21 erreichen.

Der Kollektorstrom von Transistor Q 19 wird nur durch die verfügbare Basisansteuerung und durch die Stromverstärkung β von Transistor Q 19 begrenzt. Die Basisansteuerung wird gesteuert, wenn Transistor Q 21 in einem strombegrenzten Zustand ist. Venn Transistor Q 21 geladen ist, kann der Kollektorstrom von Transistor Q, 19

sehr hoch werden. Ein Extraemitteranschluß am Transistor Q 21 wird als invertierter Kollektor benutzt, um den Transistor Q 19 zu steuern. Wenn der Transistor Q 21 gesättigt betrieben wird, wird die Kollektorbasisstrecke in Vorwärtsrichtung betrieben. Als Ergebnis wird der invertierte Kollektor leitend und beseitigt die Ansteuerung von Transistor Q 19» der den Überschuß benötigt, um die Sättigung von Transistor Q 21 aufrechtzuerhalten.

Wenn entweder der Alarm oder der normale Ausgang überlastet ist, wird die Chip-Verlustwärme wesentlich steigen. Der resultierende Temperaturwechsel wird den Vergleichsstellenabgleich stören und der Ausgang könnte abweichen, wenn die Überlastung korrigiert wird. Der ursprüngliche Betrieb wird wieder hergestellt sein, wenn es dem Chip ermöglicht wird, auf Umgebungstemperatur abzukühlen.

Der Schaltkreis wurde entwickelt, um den Betrieb mit der negativen, auf Null reduzierten Zufuhrungsspannung, so lange fortzuführen, bis keine negativen Ausgangsspannungen mehr benötigt werden. Die +C, -C, +T, -T-Rückkopplung und die Ausgangspunkte werden zur Verfugung gestellt, damit der Schaltkreis fein abgeglichen werden kann. Die Werte des Schaltkreises wurden für die Verwendung von Thermoelementen des Typs J ausgewählt, aber die Teilerverhältnisse können wesentlich geändert werden, um Thermoelemente eines anderen Typs als J anzupassen.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die Spannungsstrom-Übertragungsfunktion der Eingangsstufen 10, 12 nicht linear ist, aber diese Nichtlinearität erscheint nicht am verstärkten Ausgangssignal V_Q. Da mit den zwei aufeinander abgestimmten Stufen die Rückkopplung den unteren oder Eingang 12 auf das gleiche Differenzsignal steuert wie

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den oberen oder Thermoelement-Eingang 10, tritt die Nichtlinearität in die gesamte Übertragungsfunktion des Regelkreises ein.

Die oben beschriebene Schaltkreisanordnung ist konstruiert, um eine bequeme Eichung vorzusehen. Die Grössenordnung der PTAT-Spannung, die an den Anschluß 32 angelegt wird, kann dem genauen Wert durch Justieren von den Widerständen R 50 oder R 51 angeglichen werden.

Übereinstimmend kann die Größenordnung der CTAT-Spannung, die an den Anschluß 28 angelegt wird, dem genauen Wert durch Justieren der Widerstände R 52 oder R 53 angeglichen werden, um den Nullwert auf O⁰C zu drücken.

Die Gesamtverstärkung des Verstärkers kann durch Justieren des Rückkopplungswiderstandes R 54, entweder durch sie selbst, oder in Verbindung mit weiterem Trimmen des NullelnstellungswiderStandes, angeglichen werden.

Ein spezielles Merkmal der oben beschriebenen Verstärkeranordnung ist, daß die Netz-Offsetspannung des Verstärkereingangs in Serie mit der dem Anschluß 32 zugeführten PTAT-Spannung wirkt. Fehler im Fabrikationsprozeß sind vorwiegend als PTAT-Offsetspannungen in den Verstärkern festgelegt. Daher ist es offensichtlich, daß, wie oben beschrieben, die Folgen derartiger Fehlerspannungen und Offset-Nullpunktverschiebungen durch genaues Trimmen des Widerstandsnetzwerkes beseitigt werden, und zwar derart, daß die Größenordnung der PTAT-Quelle eingestellt wird, um die Wirkung der Offset-Spannungen einzuschließen. Die PTAT-Offset-Spannung kann als Teil der PTAT-Abgleichspannungen betrachtet werden, die derartige Offset-Spannungen als einen Fehlfaktor beseitigt, da der Verstärker justiert wurde, um eine Netz-PTAT-Spannung einschließlich Offsetspannung zu erzeugen, um einen genauen Ablauf vorzusehen.

Es iat ebenfalls anzumerken, daß die Steuervorspannung für den Verstärker von der PTAT-Quelle abgezweigt wird, um darauf abzuzielen und sicherzustellen, daß alle Offset-Spannungen, die auf Ruheströmeffekte zurückzuführen sind, proportional zur absoluten Temperatur (PTAT) sind.

Der Verstärker des hier angewandten vorliegenden Ausführungsbeispiels umfaßt vorteilhafterweise ebenfalls Schaltkreismittel, um vorzusehen, daß das Ausgangssignal mit dem Eingangssignal für Thermoelement-Spannungen, die bis zur Spannung der negativen Versorgungsschiene nach unten reicht, übereinstimmt. Letztendlich umfaßt der-Eingangsschaltkreis von dem Verstärker 10 ein Paar PHP-Transistoren Q 34/Q 35, die den Ablauf an derartigen upannungspegeln ausführen können.

Ein Thermoelementsignalanpasser als integrierter Schaltkreis, der auf einem einzelnen Chip einen Verstärker und auf die Chip-Temperatur ansprechende jlittel aura Entwickeln eines auf O⁰C bezogenen VergleichBelementabgleichsignals aufweist. Der Verstärker uirfaiSt zwei aufeinander abgestimmte Differenzeingangsverstärker (10, 12), deren Ausgänge summiert v/erden und zum Steuern eines hochverstärkenden Hauptverstärkers (24) benutzt werden« Die Thermoelementsignale werden an einen der Eingangsverstärker (10) angelegt, der als eine nichtgeerdete Eingangsstufe dient.

Der Hauptverstärkerausgang ist durch einen Rückkopplungsschaltkreis (26) mit dem Eingang des anderen Differenzverstärkers (12) verbunden.

Ein Vergleichsstellenabgleichsignal ist ebenfalls an den Eingang des anderen Differenzverstärkers angelegt. Das Abgleichsignal ist eine Differenzspannung proportional der Celsius-Temperatur des Chips. Die Abgleichspannung umfaßt zwei Komponenten, die positive und negative Temperaturkoeffizienten besitzen. Der IC-Chip umfaßt ebenfalls Alarmmittel (40) zum Anzeigen von Überlastungen durch unterbrochene .Thermoelementzuführungen oder andere Überlastungen. (Figur-1)

Claims (28)

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   Analog Devices, Inc., Route 1, Industrial Park, Norwood, MA 02062, U.S.A.

   Thermoelementsignalanpasser als integrierter Schaltkreis.

   Patentansprüche

   / 1.) IC-Chip, zum Anschluß eines Thermoelementes, um ein Temperaturmeßsignal mit Referenzelement-Kompensation zu erzeugen, gekennzeichnet durch eine Verstärkeranordnung (10,12,24) mit einer differentiellen Eingangsschaltung, Thermoelement-Eingangsanschlüsse ■ (42), die mit dieser Eingangsschaltung verbunden sind und ein Referenzelement bei Chip-Temperatur bilden, wenn sie mit den Thermoelement-Zuleitungen verbunden sind, eine temperaturabhängige Signalquelleneinrichtung, die in Bezug auf das Thermoelementsignal additiv mit der Eingangsschaltung verbunden ist, um eine Referenzelement-Kompensation zu bewirken, die Änderungen in der Chip-Temperatur entspricht, und einen negativen Rückkopplungskreis (26), der den Ausgang der Verstärkeranordnung (10,12,24) mit der Eingangsschaltung verbindet, um vorzusehen, daß der Ausgang der Verstärkeranordnung Veränderungen in der Thermoelementspannung folgt, die auf Änderungen in der Meßtemperatur beruhen.

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2. 2. IC-ChIp nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Signalquelleneinrichtung eine Quelle (34) für ein PTAT-Signal umfaßt.
3. 3. IC-Chip nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit der Eingangsschaltung verbundene CTAT-Signalquelle (30), um der Eingangsschaltung eine Spannung aufzuprägen, die eine Nullpunkt-Unterdrückung der Referenzelement-Kompensation bewirkt.
4. 4. IC-Chip nach Anspruch 3_f dadurch gekennzeichnet, daß diese CTAT-Signalquelle (30) so geschaltet ist, daß sie ein Netto-Kompensationssignal erzeugt, das auf O⁰C bezogen ist.
5. 5. IC-Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelleneinrichtung eine PTAT-Signalquelle (34) und eine CTAT-Signalquelle (30) umfaßt, die so geschaltet sind, daß sie ein Netto-Kompensationssignal erzeugen, das auf O⁰C bezogen ist.
6. 6. IC-Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkeranordnung (10, 12, 24) einen ersten (10) und einen zweiten (12) aufeinander abgestimmten Differenzverstärker enthält, deren Ausgänge in Summation verbunden sind, daß diese Thermoelementeingangsanschlüsse (42) mit dem ersten Differenzverstärker (10) und der Rückkopplungskreis (26) mit dem Eingang (28) des zweiten Differenzverstärkers (12) verbunden sind.
7. 7. IC-Chip nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängige Signalquelleneinrichtung (30, 34) mit dem Eingang (28, 32) des zweiten Differenzverstärker (12) verbunden ist.
8. 8. IC-Ghip nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängige Signalquelleneinrichtung eine PTAT-Signalquelle (34) und eine CTAT-Signalquelle (30) aufweist.
9. 9. IC-Chip nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Differenzverstärker (12) einen ersten Eingang (28) und einen zweiten Eingang (32) aufweist, wobei diese PTAT-Signalquelle (34) mit einem der Eingänge (28, 32) und die CTAC-Signalquelle (30) mit dem anderen der Eingänge (32, 28) verbunden ist.
10. 10. IC-Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese temperaturabhängige Signalquelleneinrichtung eine Gruppe von miteinanderverbundenen Transistoren umfaßt, wobei wenigstens einer davon eine hinreichend verschiedene Stromdichte zu einem anderen der Transistoren aufweist, um dadurch eine PTAT-Spannung zum Kompensieren des Referenzelemtes zu erzeugen.
11. 11. IC-Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängige Signalquelleneinrichtung einen Transistor zum Pühren eines PTAT-Stromes umfaßt, um zwischen der Basis und dem Emitter eine CTAT-Spannung zum Kompensieren des Referenzthermoelementes zu bilden.
12. 12. IC-Chip, zum Anschluß eines Thermoelementes, um ein Temperaturmeßsignal mit Referenzelement-Kompensation zu erzeugen, gekennzeichnet durch

    - eine Verstärkeranordnung (10, 12, 24) mit einer Eingangs- und einer Ausgangsschaltung, wobei diese Ausgangsschaltung ein Ausgangsmeßsignal liefert,

    - Thermoelement-Eingangsanschlüsse (42), die mit der Eingangsschaltung verbunden sind,

    - eine temperaturabhängige Signalquelleneinrichtung (30, 34), die an diese Eingangsschaltung angeschlossen ist, um eine Referenzelement-Kompensation entsprechend der Veränderungen in der Chip-Temperatur zu erzeugen,

    - einen Alarmtransistor (Q 21) und

    - Schaltmittel (40), die an dieser Verstärkeranordnung (24) zum Betätigen dieses Alarmtransistors (Q 21) angeschlossen sind, für den Pail, daß eine Thermoelementzuführung unterbrochen wird.
13. 13. IC-Chip nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schaltmittel (40) wirksam werden,um diesen Alarmtransistor zu aktivieren, wenn eine Überlastung am Ausgang der Verstärkeranordnung (24) vorliegt.
14. 14. IC-Chip nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß er Strombegrenzungsmittel umfaßt, die an diesen Alarmtransistor angeschlossen sind, um einen überhöhten Stromfluß zu verhindern,
15. 15. Ein Thermoelementverstärker mit Referenzelement-Kompensation, gekennzeichnet durch

    - einen ersten Differenzverstärker (10) mit einer Eingangsschaltung, um das Thermoelementsignal zu empfangen,

    - einen zweiten, auf den ersten Verstärker (1O) abgestimmten Differenzverstärker (12),

    - Mittel (24) zum Kombinieren der Ausgänge dieser beiden Verstärker, um ein Ausgangssignal zu erzeugen,

    - einen Rückkopplungskreis (26), der den Ausgang dieser Kombinationsmittel (24) mit dein Eingang (28) dieses zweiten Differenzverstärkers (12) verbindet, und

    - Signalquelleneinrichtungen (30, 34), die an den Eingang dieses zweiten Differenzverstärkers (12) angeschlossen sind, um eine Referenzelement-Kompensation zu bewirken.
16. 16. Einrichtung nach Anspruch 15> dadurch gekennzeichnet, daß diese Kombinationsmittel einen Hauptverstärker (24) umfassen, der auf die Ausgangssignale dieser beiden Differenzverstärker (10, 12) anspricht und imstande ist, dieses Ausgangssignal zu erzeugen.
17. 17. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß diese Signalquelleneinrichtung eine PTAT-Quelle (34) umfaßt.
18. 18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß diese Signalquelleneinrichtung Mittel zur Nullunterdrückung des Kompensationssignals, das durch diese PTAT-Quelle (34) erzeugt wurde, umfaßt, um einen Vergleichspunkt bei O⁰C zu liefern.
19. 19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß diese Nullunterdrückungsmittel eine CTAT-Signalquelle (30) umfassen.
20. 20. IC-Chip zum Anschluß eines Thermoelementes, um ein Temperaturmeßsignal mit Referenzelement-^Kompensation zu erzeugen, gekennzeichnet durch - eine Verstärkeranordnung (10, 12,24)mit einer Eingangsschaltung und einer Ausgangsschaltung

    - Thermoelementanschlüsse (42), die mit der Eingangsschaltung verbunden sind, und

    - eine temperaturabhängige Signalquelleneinrichtung, die an die Eingangsschaltung angeschlossen ist,

    eine Ileferenzelement-Kompensation entsprechend den Veränderungen in der Chip-Temperatur zu "bewirken, wobei diese temperaturabhängige Signalquelleneinrichtung eine Vergleichstemperatur von O⁰C vorsieht.
21. 21. IC-Chip nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß diese Signalquelleneinrichtung eine PTAT-Quelle (34) und eine zweite Signalquelle (30) zur NuIlunterdrückung des Abgleiche auf O⁰C umfaßt.
22. 22. IC-Chip nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß diese zweite Signalquelle eine CTAT-Signalquel-Ie (30) enthält.
23. 23. IC-Chip zum Anschluß eines Thermoelementes, um ein Temperaturmeßsignal mit Vergleichsstellenabgleich zu erzeugen, gekennzeichnet durch

    - Verstärkeranordnungen (10, 12, 24) mit Ein- und Ausgängen,

    - Thermoelementeingangsanschlüsse (42), verbunden mit diesen Eingängen,

    - Transistoren

    - und Schaltkreismittel, die mit diesen Transistoren verbunden sind, um davon ein auf die Temperatur des Chips reagierendes iiignal zu erzeugen, das als Vergleichsstellenabgleichsignal dient und das entsprechend der Veränderungen in der Chip-Temperatur wechselt, wobei diese Schaltkreismittel Mittel zum Verbinden dieses Vergleichsstellensignals mit dein Verstärkereingang enthalten, um zusammen mit dem Thermoelementsignal zu wirken, um den Ausgang dieses Verstärkers zu bestimmen.
24. 24. IC-Chips nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß diese Transistoren Mittel zum Erzeugen eines Nullunterdrückungssignals umfassen, das auf die Chip-Temperatur anspricht.
25. 25. IC-Chip, mit dem ein Thermoelement verbunden werden kann, um ein Temperaturmeßsignal mit Vergleichsstellena bgleich zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

    - Yerstärkeranordnungen mit Ein- und Ausgängen (10, 12, 24), wobei diese Verstärkeranordnungen eine PTAT-Offsetspannung besitzen,

    - Thermoelementeingangsanschlüsse (42), verbunden mit diesen Eingängen,

    - PTAT-Signalquellenanordnungen, die an die Eingänge angeschlossen sind, um Vergleichsstellenabgleich entsprechend de Veränderungen in der Chip-Temperatur hervorzurufen, wobei

    - der Ausgang dieser PTAT-Signalquellen (34), an die Größenordnung angepaßt werden, um die Nulleinstellung des Verstärkers mit der PTAT-Offsetspannung, die wirksam mit dem Ausgang der PTAT-Signalquellenanordnung kombiniert ist , zu bewirken, um im wesentlichen JPehlerauswirkungen zu minimieren,die den Veränderungen der Offsetspannung bei Temperaturveränderungen des Chips zuzuschreiben sind.
26. 26. IC-Chip nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch Mittel zur Zuführung von PTAT-Kompensationsströmen zu den Verstärkeranordnungen.
27. 27. IC-Chip, mit dem ein Thermoelement verbunden werden kann, um ein Temperaturmeßsignal mit Vergleichsstellenabgleich zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

    - Verstärkeranordnungen (10, 12, 24) mit Eingängen und Ausgängen,

    - Thermoelementeingangsanschlüsse (42) verbunden mit diesen Eingängen,

    - auf die Temperatur ansprechende Signalquellen, die an diese Eingangsanschlüsse angeschlossen sind, um Vergleichstellenabgleich entsprechend der Veränderungen in der Chip-Temperatur herbeizuführen,

    - positive und negative Zufuhrschienen für diesen Verstärker, und

    - Schaltkreismittel, die Teil dieser Verstärkeranordnungen darstellen, um den Ausgang dieses Verstärkers auf Thermoelementspannung zu steuern, die sich "bis zu der Spannung dieser negativen Zuführungsschiene nach unten erstreckt.
28. 28. ΙΟ-Chip nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereingänge ein abgeglichenes Paar von PNP-Transistoren (Q 34, Q 35) umfaßt, deren Basen mit diesen Thermoelementeingangsanschlüssen verbunden sind, und

    - deren Kollektoren mit der negativen Zuführungsschiene verbunden sind.