DE3805686C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Aus ATM, Blatt Z 6343-6, ist ein NF-Leistungsverstärker dieser Art bekannt, bei dem vom Ausgang einer dem Operationsverstärker nachgeschalteten Gegentakt/Endstufe ein aus einem Widerstand mit Parallelkondensator bestehendes RC-Glied mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers in Verbindung steht. Dieser Eingang ist ferner über ein weiteres, aus einem weiteren Widerstand und einem Reihenkondensator bestehendes RC-Glied an Masse gelegt. Dabei hat der Parallelwiderstand des ersten RC-Gliedes einen Wert von 250 k, der Reihenwiderstand des zweiten RC- Gliedes einen Wert von 7,5 k, während die beiden Widerstände des Spannungsteilers mit 390 k und 450 k angegeben sind. Der Koppelkondensator hat eine Kapazität von 40 nF.

Aus DE-OS 31 36 629 ist ein Vorverstärker für einen Infrarot-Fernbedienungsempfänger bekannt, bei dem der invertierende Eingang eines Operationsverstärkers einerseits über einen Widerstand unmittelbar mit dem Verstärkerausgang und andererseits über einen Kondensator mit Masse verbunden ist, so daß der Verstärker als auf die Trägerfrequenz abgestimmter selektiver Verstärker arbeitet. Die Vorspannung für den Operationsverstärker wird von einem aus der Versorgungsgleichspannung gespeisten Spannungsteiler erzeugt, dessen Abgriff einerseits mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und andererseits mit der einen Belegung eines Koppelkondensators verbunden ist, dessen anderer Belegung mit einer als Signalempfänger dienenden Photodiode in Verbindung steht. Bei beiden aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungen ist der Operationsverstärker ständig mit der Versorgungsgleichspannung verbunden.

Wird eine Signalquelle, beispielsweise ein thermischer oder Infrarotsensor an einen Verstärker angeschlossen 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 dazwischenliegenden 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 Koppelkondensator verringert wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. 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. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch. 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 C1 mit dem nicht invertierenden Eingang (E⁺) des Operations­ verstärkers OP verbunden. Ein erster Widerstand R₁ liegt als Rückführwiderstand zwischen dem Ausgang A und dem invertierenden Eingang E- des Operationsverstärkers. Ein Spannungsteiler, bestehend aus einem zweiten Widerstand R₂ und einem dritten Widerstand R₃ liegt zwischen der Gleichstromversorgungs­ spannung U_v und Masse. An seinen Abgriff T ist die der Signal­ quelle IR abgewandte Belegung des Koppelkondensators C₁ an­ geschlossen. Zwischen den invertierenden Eingang (E⁻) des Operationsverstärkers und Masse ist ferner ein vierter Widerstand R₄ geschaltet. Das Ausgangssignal des Operations­ verstärkers OP wird über einen weiteren Koppelkondensator C₂ 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 R₃ stehende Spannung ist mit U₃ und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers mit U_A bezeichnet. Der Operations­ verstärker hat bei der dargestellten Beschaltung einen Verstärkungsgrad von 1 + R₁/R₄, d. h. U_A = U₃(1 + R₁/R₄). 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 = U₃(1 + R₁/R₄) = U_v/2 (I)

Andererseits gilt für die Spannung U₃ am Widerstand R₃ des Spannungsteilers R₂, R₃ die Beziehung

U₃ = I × R₃ = R₃ × U_v : (R₂ + R 3) (II)

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

R₃(1 + R₁/R₄) : (R₂ + R₃) = ¹/₂ (III)

oder

2 R₃(R₄ + R₁) - R₄(R₂ + R₃) = 0 (IV)

Dies ist die Bemessungsgleichung für die Widerstände R₁ bis R₄. Sie ist beispielsweise erfüllt, wenn folgende Wider­ standswerte gewählt werden:

R₁ = 487 k
R₂ = 3,32 M
R₃ = 16 k
R₄ = 4,75 k

Dies führt bei einer Versorgungsgleichspannung von U_v = 5 V zu einer Verstärkereingangsspannung U₃ = 24 mV und einem Ausgangs­ ruhepotential des Verstärkers von U_A = 2,48 V. Da der IR-Sensor und der Spannungsteiler R₂, R₃ 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 (2)

1. An eine Signalquelle (IR), insbesondere einen Sensor über einen Koppelkondensator (C₁) anschließbare Verstärkerschaltung mit einem Operationsverstärker (OP), wobei

• a) der Versorgungsspannungseingang (E_v) des Operationsverstärkers (OP) über einen elektronischen Schalter (S) an die Versorgungsgleichspannung (U_v) anschließbar ist;
• b) der eine Eingang (E⁻) des Operationsverstärkers (OP) über einen ersten Widerstand (R₁) mit dem Verstärkerausgang in Verbindung steht;
• c) die der Signalquelle (IR) abgewandte Belegung des Koppelkondensators (C₁) einerseits an den anderen Eingang (E⁺) des Operationsverstärkers (OP) und andererseits an den Abgriff (T) eines mit der Versorgungsgleichspannung (U_v) gespeisten Spannungsteilers angeschlossen ist, der aus einem an die Versorgungsgleichspannung angeschlossenen zweiten Widerstand (R₂) und einem an Bezugspotential angeschlossenen dritten Widerstand (R₃) besteht;
• d) vom einen Eingang (E⁻) des Operationsverstärkers ein vierter Widerstand (R₄) nach Bezugspotential geschaltet ist;
• e) die Widerstandswerte der genannten Widerstände (R₁-R₄) derart gewählt sind, daß das Ruhepotential (U_A) am Ausgang des Operationsverstärkers etwa dem halben Wert der Versorgungsgleichspannung (U_v) entspricht; und
• f) für die Bemessung der ersten (R₁), zweiten (R₂), dritten (R₃) und vierten (R₄) Widerstände die Beziehung 2 R₃(R₄ + R₁) - R₄(R₂ + R 3) = 0gilt.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle (IR) ein thermischer Sensor, insbesondere ein Infrarotsensor ist.