DE3539214A1 - Pufferschaltung mit differentialstruktur zur messung kapazitiver ladungen - Google Patents

Description

35392H

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Pufferschaltung mit Differentialstruktur zur Messung kapazitiver Ladungen.

In vielen elektronischen Systemen ist es erforderlich, eine Ladung einer Kapazität in ein entsprechendes Spannungssignal umzusetzen. Dies geschieht mit Hilfe einer Schaltung niedriger Impedanz. Eine solche Schaltung bezeichnet man für gewöhnlich als Puffer.

Es sind sogenannte "single-ended"-, d.h. Nicht-Differential-Schaltungen bekannt, die· die genannte Funktion erfüllen, jedoch haben diese Schaltungen die Neigung, von Störungen in der Spannungsversorgung beeinflußt zu werden, so daß sie ziemlich ungenaue und unstetige Ausgangssignale liefern.

Es sind auch reversierte Differentialschaltungen bekannt. Diese erfordern jedoch zwischen zwei aufeinanderfolgenden Operationen eine Nullung oder Rückstellung. Dies verkompliziert sowohl den Aufbau der Schaltung als auch den Betrieb der Schaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pufferschaltung mit Differentialstruktur zu schaffen, bei der in strukturell und funktionell einfacher Weise die Umsetzung einer kapazitiven Ladung in ein stetiges, exaktes Signal möglich ist, wobei das Signal frei von Störungen sein soll.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der

BAD ORIGINAL

35392H

Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Schaltungsskizze einer erfindungsgemäßen Pufferschaltung.

Eine in der Zeichnung dargestellte Pufferschaltung B enthält einen Operationsverstärker A mit zwei invertierten Eingängen I^ und I₂ sowie zwei Ausgängen U₁ und U₂. (Gleich große) Rückkopplungskapazitäten C. und C₂ verbinden die Ausgänge U. und U₂ mit den jeweiligen Eingängen L· und I₂.

Der Ausgang U^ kann an ein Eingangs-Polarisierungspotential Vp₂, z.B. an Masse gelegt werden, oder aber alternativ an den Eingang I₂, und zwar mit Hilfe einer Kapazität Cyw C₄ (=C.)als Funktion des Zustands eines Kommutators oder Umschalters S₉. Der Ausgang ti, kann alternativ an ein Eingangs-Polarisierungspotential^Vp. (gleich groß wie Vp₂) oder an den Eingang I- geschaltet werden, und zwar mit Hilfe einer Kapazität C- (so groß wie C«) als Funktion des Zustands des Umschalters S-₁ der mit dem Umschalter S₇ synchronisiert oder einstückig mit diesem ausgebildet ist.

Um eine Pufferschaltung zur Messung einer kapazitiven Ladung zu verwenden, z.B. zum Messen einer Ladung, die. in einem Kondensator Cr und einem identischen Kondensator Cg gespeichert ist, nachdem ein Strom zwischen einem Anschluß des Potentials V^ bzw. -V^ und einem Anschluß mit dem Potential V_ß- = V_ß2 = Vp, = V_p2 geflossen ist, sind zwei weitere Paare, von Schaltern S,, S^ und S₅ und S₆ vorgesehen, die mit den Schaltern S- und S₂ synchronisiert oder einstückig mit diesen aus-gebildet sind.

BAD ORIGINAL

In einem ersten Arbeitsschritt werden sämtliche Schalter S₁ bis S₆ in die in der Zeichnung durch durchgehende Striche angedeutete Stellung gebracht, so daß die Kapazitäten-Cr und Cg auf eine Spannung V- bzw, -V- aufgeladen werden, während die Kondensatoren C₁ und C₇ zusammen mit C₃ und C₄ die zuvor an den Anschlüssen U₁ und U₂ gebildete Ausgangsspannung V und -V halten.

In einem zweiten Arbeitsschritt werden sämtliche Schalter S₁ bis S₆ in die in der Zeichnung gestrichelt dargestellte Position gebracht, so daß die Kondensatoren C₁- und C₆, die nun auf die Potentiale V. bzw. -V. aufgeladen sind, an die Pufferschaltung B angeschlossen werden und die Kondensatoren C. und C, eine gleich große, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen behaftete Ladung in die in den Kondensatoren C~ bzw. C/ angesammelte Ladung einbringen. Das Ergebnis ist, daß die Spannungssignale V , -V. an den Ausgängen U₁ und U- stabilisiert sind, die die Ladung der Kondensatoren C,- und C₆ widerspiegeln, d.h.: die Spannungssignale sind genauso groß wie V. bzw. -V-.

Die Genauigkeit der Ausgangssignale wird außerdem durch die Kondensatoren C, und C₄ sichergestellt, die durch Einbringen einer gleich großen Ladung entgegengesetzten Vorzeichens in die Ladung der Kondensatoren C. und C₂ deren Wirkungen auslöschen und insbesondere das Phänomen der Ladungsteilung im Vergleich zu C> und C₆ aufgrund des Vorhandenseins von C₁ und C₂ und der in ihnen gespeicherten Spannung, welches ansonsten zu einem Ausgangssignal führen würde, welches nicht der zu messenden Ladung des Kondensators entspräche. In diesem Fall wird die Kapazität Cr und C₆ an den Operationsverstärker A angeschlossen, ohne daß irg-endeine andere Vergleichskapazität vorhanden wäre, so daß das Ausgangssignal stetig, präzise und nicht durch die vorausgehenden Betriebsbedingungen

BAD ORIGINAL

35392H

beeinflußt ist.

Das Beseitigen der Kapazitäten C₁ und C- durch C, und C₄ ermöglicht in dem zweiten oben erwähnten Arbeitsschritt, an den positiven Eingang I₁ einen oder mehrere Kapazitäten C₇ und an den negativen Eingang I₇ einen oder

/ Ct

mehrere Kapazitäten C_R anzuschließen, die an ihre
jeweiligen Generatoren V und -V angeschlossen sind,

X X

wenn gewünscht wird, diese Signale um einen gewissen Faktor K = -C₇ZC₁ (C₇ = C_g) zu verstärken.

Diese Schaltung arbeitet daher gleichzeitig als Puffer für gewisse Signale und als Verstärker für andere Signale, ungeachtet deren Anzahl.

Claims (3)

KiXJNKER SCHMnT-NILS(KViBBaCH .L .·. * \.:...: PATENTANWÄLTE EUROPEAN BOT2NT ATTOKNWS SGS MICROELETTRONICA S.p.A. Stradale Primosole, 50 1-95121 Catania,Italien Priorität: 12,November 1984,Italien,Nr. 23531 A/84 K 30169 SM/6 Pufferschaltung mit Differentialstruktur zur Messung kapazitiver Ladungen Patentansprüche

1. Pufferschaltung mit Differentialstruktur zur Messung kapazitiver Ladungen, mit einem Operationsverstärker mit zwei Eingängen, zwei Ausgängen und einem Paar Rückkopplungskapazitäten zwischen den Ausgängen und den entsprechenden Eingängen,

dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Paar von Kapazitäten (C₃, C₄) entsprechend den Rückkopplungskapazitäten (C₁, C₂) vorgesehen sind, und daß Umschaltmittel (S₁, S₂) vorgesehen sind zum alternativen Einschalten jeder der weiteren Kapazitäten (C^, C^) zwischen einen jeweiligen Ausgang des Verstärkers und ein Polarisierungspotential oder zwischen den Verstärkerausgang und den dem anderen Ausgang entsprechenden Eingang.

35392U

2. Pufferschaltung nach Anspruch 1,

dadurch, gelcsnaseichnet, daß weitere Umschaltmittel (S-S., Sr, Sg) vorgesehen sind, die mit den erstgenannten ümschaltmitteln synchronisiert sind und dazu dienen, gleichzeitig mit dem Anschließen der weiteren Kapazitäten (C₃, C₄) zwischen Verstärkerausgang und den dem anderen Ausgang entsprechenden Eingang eine !Kapazität (C₅, Cg) parallel zu de* Rückkopplungskapazität (C-, C₇) zu schalten.

3. Pufferschaitung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekeimzeichnet, daß das Polarisierungspotential gleich der, Verstärkereingangs-Polarisierungspotential ist.

BAD ORIGINAL