DE3405821A1

DE3405821A1 - Operationsverstaerker

Info

Publication number: DE3405821A1
Application number: DE19843405821
Authority: DE
Inventors: Zdzislaw Montreal Quebec Gulczynski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-02-17
Filing date: 1984-02-17
Publication date: 1985-08-22
Also published as: US4634996A

Description

Operationsverstärker

Die Erfindung betrifft einen Operationsverstärker (OV) mit verringerter Offset-Spannung, insbesondere für elektronische Schaltungen, wo eine schnelle und präzise Signalverstärkung erforderlich ist. Dazu gehören z.B. A/D- und D/A-Wandler, S/H-Verstärker sowie Meßinstrumente.

Der Operationsverstärker kann auch überall dort eingesetzt werden, wo bisher schnelle oder präzise OV eingesetzt worden sind.

Die herkömmlichen schnellen OV sind sehr ungenau. Ihre Offset-Spannung und Eingangsströme können sehr hoch sein. Ebenfalls sehr mangelhaft ist die Temperaturabhängigkeit der einzelnen Größen. Die Genauigkeit der kostspieligen hybriden OV ist kaum besser. Die präzisen OV sind außergewöhnlich langsam und finden somit eine sehr spezifische und eingeschränkte Anwendung. Die Offset-Spannung und ihre Temperaturabhängigkeit sind äußerst klein, Eingangsströme können vernachlässigt werden.

Fast immer kann die Offset-Spannung von einem OV extern durch Anwendung eines Potentiometers abgeglichen werden. Es werden aber dadurch weder die Temperaturabweichung der Spannung noch die restlichen Größen verbessert. Die Langzeitstabilität der gesamten Schaltung wird durch den Einsatz des mechanischen Bauteils verschlechtert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen OV anzugeben, der die Vorteile eines schnellen und eines präzisen OV hat.

-Α Ι Diese Aufgabe wird erl'i ndungsmäßi g dadurch gelöst, daß eine Schaltung aus mindestens vier Widerständen und zwei OV aufgebaut wird. Nach einer praktischen Ausführunpsform wird ein schneller OV eingesetzt. Es ist empfehlenswert, nicht aber erforderlich, einen präzisen OV ergänzend anzuwenden.

Die erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Vorteile von den beiden Gruppen der OV in einem Gerät vereinigt sind, was bisher unmöglich war. Weiterhin eröffnen sich die Möglichkeiten, die durch den Einsatz von zwei OV entstehen. Dazu gehört insbesondere der Ausgleich der Eingangsströme und ihrer Temperaturabhängigkeit vom schnellen Operationsverstärker.

In den meisten Fällen werden lediglich Verhältnisse der Werte von den einzelnen Widerständen erforderlich.

Der Aufbau des präzisen OV kann äußerst vereinfacht werden, da die Richtung seines Ausgangsstroms festgelegt werden kann. Keine Gegentaktendstufe ist erforderlich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt Fig. 1 dar. Die Schaltung enthält zwei Operationsverstärker, jeweils einen präzisen A und einen schnellen B, und vier in Reihe geschaltete Widerstände 1 bis 4 . Die äußeren Anschlüsse des Widerstandnetzwerkes bestimmen die Eingänge der Schaltung vom so aufgebauten OV. Ihr Ausgang ist gleich dem Ausgang vom Operationsverstärker B. Es ist anzudeuten, daß die Eingänge des OV B durch den Teil des Widerstandnetzwerkes überbrückt werden, mit dem alle Anschlüsse (außer Stromversorgung) vom OV A verbunden sind. Der positive Eingang des OV B bestimmt mit dem positiven Eingang der gesamten Schaltung überein.

3g Der Wert eines Widerstands kann gleich Null (Kurzschluß) oder unbegrenzt sein (die Verbindung ist offen). Der Widerstand 4 besteht aus einer parallelen Schaltung der Innenwiderstände von allen an den positiven Eingang des

OV A angeschlossenen Spannungsquellen. Sehr einfach kann z.B. ein Addierer ausgeführt werden.

Fig. 2 stellt- eine Schaltung eines nicht-invertierenden Verstärkers dar mit dem in Fig. 1 aufgeführten OV, dessen Ausgang und negativer Eingang kurzgeschlossen sind. Zusätzlich erhält die Schaltung den Widerstand 5. Die Werte der Widerstände 1 bis 4 betragen jeweils R, bis R.. U, und U- bezeichnen jeweils die Ein- und Ausgangsspannung der gesamten Schaltung. Die Offset-Spannungen von den OV A und B betragen jeweils U_n- und U_nR. Die Offset-Spannung ist die Differenz zwischen den Spannungen an dem positiven und negativen Eingängen des OV im normalen Betrieb.

Es werden ebenfalls die Eingangsströme I_R, und I„., des OV B berücksichtigt, jeweils die in den negativen und positiven Eingängen einfließenden Ströme des Operationsverstärkers .

Um die Analyse der Schaltung zu vereinfachen, wird zuerst angenommen, daß der Widerstand 5 einen unbegrenzten Wert hat.

Vorausgesetzt, R- R = ^R?^R4' 9^-^ ^^e folgende Gleichung:

^U2 = ^Ul ^{+ U}0A ^{(1 +} V¹V ⁺ VbI.

Kann der Eingangsstrom I„, vernachlässigt werden, dann hat die Abweichung der Ausgangsspannung vom Sollwort die Größe der Offset-Spannung des OV A und hängt/von der Offset-Spannung des OV B ab.

Der Einsatz des OV B mit einem bedeutenden Eingangsstrom T₀, kann auch von Vorteil sein. Gilt die folgende Beziehung:

ti L

¹Bl ⁼ "^U0A ^(1/R3 - ^1/IV' dann sind die Ein- und Ausgangsspannung des Verstärkers

-δ-Ι gleich. Die U_OA kann einen höheren Wert aufweisen, ihre Polarität muß aber bestimmt sein. Die Temperaturabweichungen von I , und U_nA müssen beachtet werden.

Der Eingangsstrom der gesamten Schaltung kann ebenfalls reduziert werden. Gilt folgende Gleichung:

^R1^TB2 ⁼ -^U0A - ^U0B' dann ist er gleich Null.

Ähnlich kann die Schaltung analysiert werden, wenn der Widerstand 5 einen begrenzten Wert hat und der OV A ebenfalls die Eingangsströme aufweist. In jedem Fall kann die Offset-Spannung der gesamten Schaltung gegenüber der herkömmlichen U„ vermindert werden.

Die Reduzierung der Eingangsströme des OV kann manchmal unausreichend sein. In diesem Fall kann eine Vorstufe mit geringer Offset-Spannung verwendet werden.

Das hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Widerstände 1 bis 4 völlig unabhängig von der äußeren Schaltungsausbildung gewählt werden können.

Als Vorstufe können im einfachsten Fall zwei Transistoren als Spannungsfolger eingesetzt werden. Eine andere Lösung bietet ein Differenzverstärker, dessen Ausgänge an die Eingänge des OV angeschlossen sind. Ähnlich können zwei unabhängige OV als Spannungsfolger eingesetzt werden.

Der Einsatz eines präzisen und somit langsamen OV A kann dazu führen, daß seine Ausgangsspannung den möglicherweise schnellen Änderungen des Eingangssignals nicht folgen kann. Das hat allerdings keine Bedeutung, wenn das Signal periodisch ist und die Eingänge des OV A durch ein RC Glied, insbesondere einen entsprechend großen Kondensator, überbrückt sind.

Im anderen Frill muß cine Maßnahme vorgenommen werden, die in Bezug auf eine geringe Stromaufnahme und minimale erforderliche Versorgungsspannung eines typischen präzisen OV eine sehr einfache Lösung findet. Einer der Stromversorgungsanschlüsse des OV kann nach der U, oder U₀ bestimmt werden und z.B. über einen FET mit dem Eingang oder direkt mit dem Ausgang der Schaltung verbunden sein. Ist die Ausgangsstufe des OV A als offener Kollektor ausgeführt, dann kann der andere Stromversorgungsanschluß direkt mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sein. Sonst muß dazwischen eine Stromquelle liegen rnd an die Stromversorgungsanschlüsse des OV eine Zener-Diode angeschlossen sein.

Die einzelnen Widerstände können eiuch um steuerbare Transistoren, insbesondere FETs, erweitert werden. Die Werte von solchen Größen, wie z.B. Stromaufnahme, Eingangsströme, Bandbreite,können dann programmiert werden.

Ein Einsatz von Widerständen mit thermischen Eigenschaften kann zur Reduzierung der thermischen Abhängigkeit, insbesondere der Offset-Spannung und der Eingangsströme, beitragen. Ebenfalls nützlich kann ein Anschluß eines Widerstands parallel zu den Eingängen des OV B sein.

Die frequenzabhängigen Störungen, wie z.B. Abfall der Verstärkung der OV, die Streukapazitäten etc. können, wie üblich, durch den Einsatz von Impedanzen, insbesondere RC Glieder, anstatt der Widerstände, verringert werden.

Vom OV A aus gesehen, ist die Auswahl der Polarität der Eingänge dos OV B gleichgültig. Sie können vertauscht werden. Dann wird aber auch die Polarität der gesamten Schaltung des OV verändert.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

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? Operationsverstärker (OV) mit verringerter Offset-Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß seine Schaltung aus zwei OV, A und B, und vier in Reihe geschalteten Widerständen besteht,

daß der positive Eingang der Schaltung vom positiven Eingang des OV B und dem freien Anschluß eines äußeren Widerstandes bestimmt wird und über den Widerstand mit dem negativen Eingang des OV A verbunden ist, daß der negative Eingang der Schaltung vom freien Anschluß des zweiten äußeren Widerstandes, der aus einer parallelen Schaltung der Innerewiderstrinde von allen an den Eingang angeschlossenen Spannungsquellen besteht, bestimmt wird und über den Widerstand mit dpm positiven Eingang des OV A und dem negativen Eingang des OV B verbunden ist, und daß der Ausgang des OV A an den gemeinsamen Anschlußpunkt der inneren Widerstände des Widerstandnetzwerks angeschlossen ist und der Ausgang des OV B den Ausgang Hör ppsamtpn Srhnit.imp bestimmt.

D-SOOO MOndMti 2 Isartorplatz 6

POB 26 02 47 D-8000 München 26

Kabel: Telefon Telecopier Infotec Θ400 B Telex

Muebopat 089/221483-7 GII+ IH (089)229643 5-242BS
2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spannungsfolger als Vorstufe, an die Eingänge der Schaltung angeschlossen werden.
3. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzverstärker, dessen Ausgänge an die Eingänge der Schaltung angeschlossen werden, als Vorstufe eingesetzt wird.
4. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Eingänge des Operationsverstärkers A ein RC Glied angeschlossen ist.
5. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Eingänge des OV B ein Widerstand angeschlossen ist.
6. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Widerstand thermische Eigenschaften aufweist.
7. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Widerstand um einen steuerbaren Transistor erweitert ist, wodurch der gesamte Widerstand steuerbar wird.
8. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Versorgungsspannung des OV A nach der Ein- oder Ausgangsspannung der Schaltung bestimmt wird.
9. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge des OV B zur Polaritätsveränderung der Eingänge der Schaltung vertauschbar sind.