DE3805686A1

DE3805686A1 - Verstaerkerschaltung, insbesondere fuer sensoren

Info

Publication number: DE3805686A1
Application number: DE19883805686
Authority: DE
Inventors: Franz-Juergen Riewe
Original assignee: Honeywell Regelsysteme GmbH
Current assignee: Honeywell Regelsysteme GmbH
Priority date: 1988-02-24
Filing date: 1988-02-24
Publication date: 1989-09-07
Also published as: DE3805686C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung gemäß Gattungs begriff des Anspruchs 1. Wird eine Signalquelle, beispielsweise ein thermischer oder Infrarotsensor an einen Verstärker ange schlossen und liefert die Signalquelle relativ niederfrequente Ausgangssignale, so ist zu Übertragung der Signale an den Verstärker ein Koppelkondensator relativ hoher Kapazität erforderlich. Dies bedeutet eine hohe Zeitkonstante für die Aufladung des Kondensators. Andererseits wird vielfach aus Gründen der Stromersparnis gefordert, den nachgeschalteten Verstärker nur kurzfristig einzuschalten, sobald das gemessene Signal weiter verarbeitet werden soll. In den dazwischen liegenden Pausen soll der Verstärker keinen Strom verbrauchen. Die lange Ladezeit eines solchen Koppelkondensators steht einer solchen kurzfristigen Einschaltung des Verstärkers entgegen, weil mit den bisherigen Schaltungen bei jeder Einschaltung des Verstärkers erst der Koppelkondensator aufgeladen werden mußte und die hierzu benötigte Zeit vielfach wesentlich länger war als die gewünschte Abtastperiode.

Aufgabe der Erfindung ist es folglich, eine Verstärkerschaltung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß die Ladezeitkonstante für den Koppel kondensator verringert wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeich nete Erfindung. Die der Signalquelle abgewandte Belegung des Koppelkondensators ist dabei an einen Spannungsteiler ange schlossen, so daß sich der Koppelkondensator entsprechend dem Teilerverhältnis der Widerstände dieses Spannungsteilers auf laden kann. Die Spannung am Abgriff des Spannungsteilers wird einerseits groß genug gewählt, um die vom Sensor oder einer anderen Signalquelle gelieferten Signale unverzerrt verarbeiten zu können. Andererseits ist die Spannung am Ausgang des Teilers so niedrig, daß bei abgeschaltetem Verstärker der Spannungs teiler nicht belastet wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Sie wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels erläutert.

Die Signalquelle, beispielsweise ein als pyroelektrischer Sensor ausgebildeter Infrarotsensor IR ist über den Koppelkondensator C 1 mit dem nicht invertierenden Eingang E+ des Operations verstärkers OP verbunden. Ein erster Widerstand R ₁ liegt als Rückführwiderstand zwischen dem Ausgang A und dem invertierenden Eingang E- des Operationsverstärkers. Ein Spannungsteiler, bestehend aus einem zweiten Widerstand R ₂ und einem dritten Widerstand R ₃ liegt zwischen der Gleichstromversorgungs spannung U _v und Masse. An seinen Abgriff T ist die der Signal quelle IR abgewandte Belegung des Koppelkondensators C ₁ an geschlossen. Zwischen den invertierenden Eingang E- des Operationsverstärkers und Masse ist ferner ein vierter Widerstand R ₄ geschaltet. Das Ausgangssignal des Operations verstärkers OP wird über einen weiteren Koppelkondensator C ₂ der nachfolgenden, hier nicht weiter dargestellten Schaltung zugeführt. Die Versorgungsspannung U _v wird dem Versorgungs spannungseingang E _v des Operationsverstärkers über einen elektronischen Schalter S zugeführt, der in geeigneter Weise, beispielsweise von einem Mikroprozessor uP aus im Rhythmus einer Abtasttaktfolge geschlossen wird. Die am Widerstand R ₃ stehende Spannung ist mit U ₃ und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers mit U _A bezeichnet. Der Operations verstärker hat bei der dargestellten Beschaltung einen Verstärkungsgrad von 1 + R ₁/R ₄, d. h. U _A = U ₃(1 + R ₁/R ₄). Um eine unverzerrte Ausgangsspannung U _A über den gesamten Aussteuerbereich zu erzielen, soll U _A ungefähr halb so groß sein wie U _v, d. h.

U _A = U ₃(1 + R ₁/R ₄) = U _v/2 (I)

Andererseits gilt für die Spannung U ₃ am Widerstand R ₃ des Spannungsteilers R ₂, R ₃ die Beziehung

U ₃ = I × R ₃ = R ₃ × U _v : (R ₂ + R 3) (II)

Setzt man die Gleichung II in die Gleichung I ein, so folgt

R ₃(1 + R ₁/R ₄) : (R ₂ + R ₃) = ¹/₂ (III)

oder

2 R ₃ (R ₄ + R ₁) - R ₄(R ₂ + R ₃) = 0 (IV)

Dies ist die Bemessungsgleichung für die Widerstände R ₁ bis R ₄. Sie ist beispielsweise erfüllt, wenn folgende Wider standswerte gewählt werden:

R ₁ = 487 k
R ₂ = 3,32 M
R ₃ = 16 k
R ₄ = 4,75 k

Dies führt bei einer Versorgungsgleichspannung von U _v = 5 V zu einer Verstärkereingangsspannung U ₃ = 24 mV und einem Ausgangs ruhepotential des Verstärkers von U _A = 2,48 V. Da der IR-Sensor und der Spannungsteiler R ₂, R ₃ ständig an Spannung liegen, tritt nur noch die Einschwingzeit des Verstärkers selbst in Erscheinung; sie beträgt einige µs. Eine solche Schaltung läßt sich also im Takt- oder Abtastbetrieb ohne unzulässig lange Einschwingzeiten betreiben. Sie eignet sich nicht nur für Infrarotsensoren und andere trägheitsbehaftete Temperatur sensoren, sondern kann auch zur Verstärkung der Ausgangssignale beliebiger anderer Signalquellen eingesetzt werden, bei denen sehr niederfrequente Signale verarbeitet werden müssen.

Claims

1. An eine Signalquelle (IR), insbesondere einen Sensor über einen Koppelkondensator (C ₁) anschließbare Verstärker schaltung mit einem Operationsverstärker (OP), dessen einer Eingang (E-) über einen ersten Widerstand (R ₁) mit dem Verstärkerausgang verbunden ist, dadurch ge kennzeichnet, daß

a) die der Signalquelle (IR) abgewandte Belegung des Koppelkondensators (C ₁) einerseits an den anderen Eingang (E+) des Operationsverstärkers (OP) und andererseits an den Abgriff (T) eines mit der Ver sorgungsgleichspannung (U _v) gespeisten Spannungsteilers angeschlossen ist, der aus einem an die Versorgungsgleich spannung angeschlossenen zweiten Widerstand (R ₂) und einem an Bezugspotential angeschlossenen dritten Wider stand (R ₃) besteht;
b) vom einen Eingang (E-) des Operationsverstärkers ein vierter Widerstand (R ₄) nach Bezugspotential geschaltet ist;
c) die Widerstandswerte der genannten Widerstände (R ₁-R ₄) derart gewählt sind, daß das Ruhepotential (U _A) am Ausgang des Operationsverstärkers etwa dem halben Wert der Versorgungsgleichspannung (U _v) entspricht.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß für die Bemessung der ersten (R ₁), zweiten (R ₂), dritten (R ₃) und vierten (R ₄) Widerstände die Beziehung 2 R ₃ (R ₄ + R ₁) - R ₄ (R ₂ + R 3) = 0gilt.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Versorgungsspannungs eingang (E _v) des Operationsverstärkers (OP) über einen elektronischen Schalter (S) an die Versorgungsgleichspannung (U _v) anschließbar ist.

4. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle (IR) ein thermischer Sensor, insbesondere ein Infrarotsensor ist.