DE3602551C2 - Operationsverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Operationsverstärker mit einer Differenzstufe und einer Verstärkerstufe, die kaskadenförmig miteinander verbunden sind, wobei eine Bereichsbegrenzungs-Diffe­ renzstufe vorgesehen ist, deren erster Eingang mit dem Ausgang der Verstärkerstufe und deren zweiter Eingang an ein Bezugspotential angeschlossen ist und deren Ausgang mit dem Ausgang der Dif­ ferenzstufe verbunden ist.

Es ist bekannt, daß Operationsverstärker weit­ reichende Anwendung in verschiedenen Bereichen der Elektronik aufgrund der ihnen eigenen Charakte­ ristiken, ihrer Vielseitigkeit und ihrer Fähigkeit, dem Ausgangssignal Charakteristiken zu verleihen, die sich entsprechend ihrer Konfiguration und Ver­ bindung mit anderen Schaltkreiskomponenten vonein­ ander unterscheiden, finden.

Ein typischer (invertierender) Schaltungsaufbau ist in Fig. 1 dargestellt, in dem der nichtinvertieren­ de Eingang des Operationsverstärkers 1 an eine Span­ nung V_L angeschlossen ist, dessen Ausgang eines Spannung V₀ abgibt, die auf den invertierenden Ein­ gang des Verstärkers 1 über einen Widerstand R₂ zu­ rückgekoppelt wird an dessen invertierenden Eingang das Eingangssignal V_IN über einen Widerstand R₁ ge­ legt wird. Solch ein Operationsverstärker weist ein angenähert lineares Verhalten innerhalb eines Span­ nungsbereiches auf, der durch die in dem Operations­ verstärker selbst innewohnenden Faktoren begrenzt ist.

Es ist jedoch manchmal wünschenswert, den Ausgangs­ bereich zwischen festen Werten, die nach Bedarf aus­ gewählt werden, zu begrenzen.

Um eine Begrenzung des Ausgangsbereichs zu er­ zielen, wurde bei früheren Schaltungsanordnungen parallel zum Rückkopplungswiderstand ein Paar anti­ parallel geschalteter Zenerdioden vorgesehen.

Solange die Ausgangsspannung niedriger als die Zener-Durchbruchsspannung ist, sind die Zenerdioden nicht wirksam und der Operationsverstärker arbeitet normal.

Wenn dagegen die Ausgangsspannung die Durchbruchs­ spannung einer der Zenerdioden übersteigt, kippt diese Diode in den Durchbruchsbereich und das Rück­ kopplungs-Netzwerk weist eine niedrige Impedanz auf, die den Verstärkungsgrad reduziert und eine Ausgangsspannungsbegrenzung auf den Wert der Zener- Durchbruchsspannung verursacht.

Diese Lösung weist jedoch einige Nachteile auf. Ins­ besondere ist es bei dieser Schaltungsanordnung nicht möglich, die Grenzspannung oder Grenzspan­ nungen des Ausgangsbereichs aus zwei verschiedenen Gründen exakt festzulegen, da die Durchbruchsspan­ nungen bei der Diodenherstellung streuen und aufgrund ihrer Temperaturabhängigkeit nicht konstant sind. Darüber hinaus können bei der Verwendung von Zenerdioden nur Begrenzungsspannungen mit festen Wer­ ten vorgesehen werden, die nicht kontinuierlich den jewei­ ligen Bedürfnissen anpaßbar sind.

Zwar wird bei den bekannten Schaltungsanordnungen versucht, das Driften der Zener-Durchbruchsspan­ nungen in Abhängigkeit von der Temperatur zu redu­ zieren, jedoch können diese Lösungen auch nicht das andere Problem lösen und ein präzises Festlegen der Spannungsgrenzen ermöglichen. Darüber hinaus verur­ sachen diese Lösungen einen erheblichen Schaltungs­ aufwand bezüglich des Verstärkers, die mit erheb­ lichen Nachteilen verbunden sind.

Aus der JP-55-52618 A ist bereits ein Operationsverstärker mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 bekannt. Dieser Operationsverstärker weist zwei Differenzstufen und einem Verstärker auf, wobei die Ausgänge der Differenzstufen unabhängig vom Zustand der Ausgangsspannung im­ mer aktiv sind und die Ansteuerung des Verstärkers über Dioden erfolgt. Das Vorliegen solcher Dioden im Rückkopplungspfad ist jedoch mit Nachteilen verbunden, weil durch deren Nichtlineari­ täten Verzerrungen entstehen. Auch die DE-OS 24 29 794 zeigt eine Signalbegrenzerschaltung, die diese Nachteile aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Operationsverstär­ ker zu schaffen, der die vorstehend genannten Probleme hinsichtlich der bekannten Verstärker beseitigt und bei dem insbesondere die Grenzwerte des Ausgangsspannungsbereiches genau festgelegt werden können, ohne auf vorgegebene diskrete Werte begrenzt zu sein und ohne daß Dioden erforderlich sind. Darüber hinaus soll ein Opera­ tionsverstärker geschaffen werden, dessen Konzeption einfach ist und der vollständig unter Anwendung üblicher Herstellungstechniken her­ gestellt werden kann. Darüber hinaus soll der Operationsverstärker im Betrieb äußerst zuverlässig sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Operationsverstärker der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Ausgang der Bereichsbegrenzungs-Differenzstufe inaktiv ist, wenn der absolute Wert des Ausgangspotentials der Verstärkerstufe niedriger ist als das Bezugspotential und aktiviert wird, um einen konstanten Strom an die Verstärkerstufe abzugeben, so daß die Differenz­ stufe im Leerlauf arbeitet und die Verstärkerstufe auf einen konsta­ nten Ausgang, nämlich dem Bezugspotential, gehalten wird, wenn der Ausgang der Verstärkerstufe gleich dem Bezugspotential ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispieles sollen weitere Merkmale und Vor­ teile der erfindungsgemäßen Lösung näher erläutert werden, wobei die Erfindung jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Es zeigen:

Fig. 1 die elektrische Schaltung eines konven­ tionellen Operationsverstärkers mit in­ vertierendem Ausgang;

Fig. 2 die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung bei einem er­ findungsgemäßen Operationsverstärker;

Fig. 3 ein Blockschaltbild des erfindungsge­ mäßen Operationsverstärkers;

Fig. 4 eine detaillierte Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Operationsver­ stärkers und

Fig. 5 eine detaillierte Ersatzschaltung des Operationsverstärkers gemäß Fig. 4 für die Betriebsweise bei einer Ausgangsbe­ reichsbegrenzung.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines bekannten Operationsverstärkers, für den eine Begrenzung des Ausgangsbereichs gewünscht wird, beispielsweise ent­ sprechend der Kurvendarstellung in Fig. 2, worin die Ausgangsspannung V₀ zwischen den Werten V_L-V_REF und V_L+V_REF begrenzt ist.

Um ein derartiges Verhalten der Ausgangsspannung zu erzielen, weist die konventionelle Operationsver­ stärkerstufe 1′ (die in Fig. 3 dargestellt ist und eine übliche Eingangsdifferenzstufe 10 und eine Ausgangsverstärkerstufe 11 aufweist, die in Kaskade miteinander verbunden sind) erfindungsgemäß zwei zu­ sätzliche Differenzstufen 12 und 13 auf.

Im einzelnen ist ein Eingang der Differenzstufe 12 mit einem Bezugspotential (z. B. V_REF) verbun­ den, während der andere Eingang an den Ausgang V₀ der Ausgangsstufe 11 angeschlossen ist.

In gleicher Weise ist ein Eingang der Differenz­ stufe 13 an ein zweites Bezugspotential (z. B. -V_REF) und der zweite Eingang mit dem Ausgang V₀ der Ausgangsverstärkerstufe 11 verbunden.

Die Ausgänge der Differenzstufen 12 und 13 sind mit der Differenzstufe 10 des Verstärkers verbun­ den und steuern ihn in der Weise, daß nicht in den Betrieb des Verstärkers eingegriffen wird, wenn die Ausgangsspannung V₀ innerhalb des durch die Bezugs­ spannungen festgelegten Bereiches liegt (bezogen auf die Spannung V_L am nichtinvertierenden Eingang der Differenzstufe 10) und die die Differenz­ stufe blockieren und elektrisch ersetzen (indem an den Eingang der Verstärkerstufe 11 die Ausgangsspan­ nung der Differenzstufe 12 oder 13 gelegt wird), wenn die Ausgangsspannung V₀ den Wert der Bezugs­ spannung V_REF oder -V_REF erreicht.

In dieser Betriebsweise besteht der Operationsver­ stärker aus einer Differenzstufe (12 oder 13) und einer Verstärkerstufe 11 mit vollständiger Rück­ kopplung (nach Art eines Spannungsfolgers) wobei der Operationsverstärker am Ausgang demzufolge die an die Differenzstufe 12 oder 13 gelegte Bezugs­ spannung abgibt, die jeweils wirksam ist.

Fig. 4 zeigt die detaillierte Schaltung des Block­ schaltbildes gemäß Fig. 3.

In dieser Figur sind in gestrichelten Linien die Operationsverstärkerstufe 1′ und die Differenz­ stufen 12 bzw. 13 dargestellt.

Im einzelnen weist die Operationsverstärkerstufe 1′ zwei Transistoren 21 und 22 auf, deren Emitter mit­ einander verbunden und an eine Stromquelle I ange­ schlossen sind.

Die Basis des Transistors 21 bildet den invertieren­ den Eingang des Operationsverstärkers, während die Basis des Transistors 22 den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers bildet.

Der Kollektor des Transistors 21 ist mit einer Diode 23 verbunden, während der Kollektor des Transistors 22 an den Kollektor eines Transistors 24 angeschlossen ist, dessen Basis mit der Anode der Diode 23 verbunden ist und dessen Kollektor zu­ sätzlich mit einem Transistor 25 und einem Kondensa­ tor 26 verbunden ist.

Der Operationsverstärker wird durch die Transis­ toren 27, 28 und 30 sowie die Diode 29 und Strom­ quellen vervollständigt.

Diese Anordnung ist Stand der Technik und wird daher nicht weiter erläutert.

Die Differenzstufen 12 und 13 sind ebenfalls kon­ ventioneller Art und weisen jeweils zwei emitterge­ koppelte Transistoren auf, deren Emitter an Strom­ quellen 2I angeschlossen sind.

Der Kollektor des Transistors 31 der Differenz­ stufe 13 ist geerdet, während seine Basis mit einem ersten Bezugspotential, nämlich dem Bezugspotential -V_REF beaufschlagt ist.

Die Basis des ersten Transistors 32 des die Diffe­ renzstufe 13 bildenden Transistorpaares wird von der Ausgangsspannung V₀ angesteuert, während der Kollektor des ersten Transistors 32 mit dem Kollek­ tor des Transistors 21 und der Anode der Diode 23 sowie mit der Basis des Transistors 24 verbunden ist.

Der Kollektor 33 der Differenzstufe 12 ist eben­ falls geerdet, während die Basis des Transistors 33 mit der Basis des Transistors 32 und mit dem Aus­ gang der Verstärkerstufe und damit des Operations­ verstärkers verbunden ist.

Der andere Transistor 34 des die Differenzstufe bzw. den Differenzverstärker bildenden Transis­ torpaares ist mit seiner Basis an eine zweite Be­ zugsspannung V_REF angeschlossen, während sein Kollektor an die Kollektoren der Transistoren 22 und 24 der Stufe 1′, an die Basis des Transistors 25 und an den Kondensator 26 angeschlossen ist.

Aufgrund dieser Schaltungsanordnung sind die aus den Differenzstufen 12 und 13 bestehenden Be­ grenzerstufen inaktiv, solange die Ausgangsspannung innerhalb der Bezugsspannungen -V_REF und +V_REF liegt, da wegen der entsprechenden Vorspannungen die Transistoren 32 und 34 ausgeschaltet sind und die Transistoren 31 und 33 den Vorspannungsstrom, der von den Stromquellen 2I eingespeist wird, nach Masse ableiten.

Nähert sich die Ausgangsspannung dem oberen Grenz­ wert V_REF und erreicht diese Spannungsgrenze, so wird der Transistor 34 ebenfalls vorgespannt und be­ ginnt zu leiten, so daß, wenn die Ausgangsspannung V₀ weiter ansteigt und einen Wert von 50-60 mV oberhalb V_REF erreicht, der Transistor 33 abschal­ tet und der Transistor 34 den Vorspannungsstrom 2I durch die Eingangsdifferenzstufe leitet.

In diesem Zustand schließt die Differenzstufe 12 die Eingangsdifferenzstufe aus und steuert selbst den Operationsverstär­ ker an.

In diesem Betriebszustand kann die Eingangsdiffe­ renzstufe, die aus dem Transistorpaar 21 und 22 besteht, durch eine Stromquelle ersetzt werden, die einen konstanten Strom mit dem Wert I aufnimmt, wie in dem Äquivalenzschaltbild in Fig. 5 dargestellt ist, wo tatsächlich die ursprüngliche Eingangsdiffe­ renzstufe, die von den Transistoren 21 und 22 ge­ bildet wird, durch eine Stromquelle 40 ersetzt ist und wo die Differenzstufe 13 vernachlässigt wurde, die in diesem Betriebszustand nicht wirksam ist.

Entsprechend diesem Ausschluß der Eingangsdifferenz­ stufe und deren funktionellen Ersatz durch die Differenzstufe 12 scheint die in Fig. 5 darge­ stellte Äquivalenzschaltung aus einem Operationsver­ stärker zum bestehen, bei dem sich die Differenz­ stufe aus den Transistoren 33 und 34 zusammensetzt und an dessen nichtinvertierendem Eingang unmittel­ bar die Rückkopplungsspannung V_REF anliegt. Demzu­ folge gibt diese Schaltung eine konstante Spannung ab, die gleich der Bezugsspannung V_REF (bezogen auf die Spannung V_L ist). Das gleiche Verhalten tritt auf, wenn die Ausgangsspannung V₀ unter den Wert -V_REF fällt. In diesem Fall wird ebenfalls die aus den Transistoren 21 und 22 gebildete Differenz­ stufe ausgeschlossen und durch die Differenz­ stufe 13 ersetzt, so daß eine äquivalente Schaltung erzielt wird, die der in Fig. 5 dargestellten Schal­ tung gleicht, wobei im Unterschied hierzu die Be­ zugsspannung gleich -V_REF ist, die demzufolge eben­ falls die konstante Ausgangsspannung repräsentiert.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Opera­ tionsverstärker realisiert, dessen Ausgangsspan­ nungsbereich nach Bedarf zwischen zwei Werten be­ grenzt werden kann, wobei die Grenzwerte +V_REF, -V_REF in geeigneter Weise gewählt werden können.

Obwohl in der vorstehenden Beschreibung zwei iden­ tische Grenzwerte ausgewählt wurden, die lediglich entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, kann selbst­ verständlich auch ein oberer und unterer Grenzwert der Ausgangsspannung gewählt werden, die asymme­ trisch in Bezug auf die Spannung V_L am nichtinver­ tierenden Eingang des Operationsverstärkers sind.

Der erfindungsgemäße Operationsverstärker ist darüber hinaus äußerst einfach aufgebaut und kann leicht hergestellt werden und insbesondere ohne Schwierigkeiten als integrierte Schaltungsanordnung ausgebildet werden.

Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Lösung auf verschiedene Weise modifiziert und abgeändert werden. Falls beispielsweise nur eine obere oder untere Begrenzung der Ausgangsspannung gewünscht wird, ist es ausreichend, nur eine Begrenzungs- Differenzstufe anstelle der im Ausführungsbei­ spiel dargestellten zwei Stufen anzuordnen.

Claims (3)

1. Operationsverstärker mit einer Differenzstufe (10) und einer Verstärkerstufe (11), die kaskadenförmig miteinander verbunden sind, wobei eine Bereichsbegrenzungs-Differenzstufe (12, 13) vorge­ sehen ist, deren erster Eingang mit dem Ausgang (V₀) der Verstärker­ stufe (11) und deren zweiter Eingang an ein Bezugspotential (V_REF, -V_REF) angeschlossen ist und deren Ausgang mit dem Ausgang der Differenzstufe (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Bereichsbegrenzungs-Differenzstufe (12, 13) inaktiv ist, wenn der absolute Wert des Ausgangspotentials der Verstärkerstufe (11) niedriger ist als das Bezugspotential (V_REF, -V_REF) und aktiviert wird, um einen konstanten Strom an die Verstärkerstufe (11) abzuge­ ben, so daß die Differenzstufe (10) im Leerlauf arbeitet und die Verstärkerstufe (11) auf einem konstanten Ausgangspotential, nämlich dem Bezugspotential, gehalten wird, wenn der Ausgang der Verstärkerstufe (11) gleich dem Bezugspotential (V_REF, -V_REF) ist.

2. Operationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite Bereichsbegrenzungs-Differenzstufe (12, 13) vorgesehen sind, von denen jede einen ersten Eingang aufweist, der mit dem Ausgang (V₀) der Ver­ stärkerstufe (11) verbunden ist und einen zweiten Eingang aufweist, die jeweils mit einem unterschied­ lichen Bezugspotential (-V_REF, V_REF) verbunden sind, wobei die Bezugspotentiale (-V_REF, V_REF) die untere und obere Grenze des Ausgangssignals der Operationsverstärkers bilden.

3. Operationsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzstufe (10) ein erstes, emittergekoppeltes Transistorpaar (21, 22) auf­ weist, wobei der Kollektor eines ersten Transistors (21) des ersten Transistorpaares mit einer Diode (23) und der Kollektor eines zweiten Transistors (22) des ersten Transistorpaares mit einem weiteren Transistor (24) verbunden ist und die erste und zweite Bereichsbegrenzungs-Differenzstufe (12, 13) jeweils zweite und dritte, emittergekoppelte Transistorpaare (31, 32; 33, 34) enthält, wobei der Kollektor eines ersten Transistors (31) des zweiten Transistor­ paares geerdet ist, die Basis des ersten Transistors (31) des zweiten Transistorpaares mit einem ersten Bezugspotential (-V_REF) verbunden ist, die Basis des zweiten Transistors (32) des zweiten Transistorpaares mit dem Ausgang (V₀) der Verstär­ kerstufe (11) verbunden ist und der Kollektor des zweiten Transistors (32) des zweiten Transistor­ paares mit dem Kollektor des ersten Transistors (21) des ersten Transistorpaares verbunden ist und daß der Kollektor eines ersten Transistors (33) des dritten Transistorpaares geerdet ist, die Basis des ersten Transistors (33) des dritten Transistor­ paares mit dem Ausgang (V₀) der Verstärkerstufe (11) verbunden ist, die Basis eines zweiten Transis­ tors (34) des dritten Transistorpaares mit einem zweiten Bezugspotential (+V_REF) verbunden ist und der Kollektor des zweiten Transistors (34) des dritten Transistorpaares mit dem Kollektor des zwei­ ten Transistors (22) des ersten Transistorpaares verbunden ist.