DE3875754T2

DE3875754T2 - Differenzverstaerkerschaltung.

Info

Publication number: DE3875754T2
Application number: DE8888301549T
Authority: DE
Inventors: Thomas Keith British Hemingway
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1987-02-23
Filing date: 1988-02-23
Publication date: 1993-04-22
Anticipated expiration: 2008-02-24
Also published as: DE3875754D1; JPS63314009A; DK168722B1; US4853644A; EP0280516B1; DK94488D0; GB8704193D0; DK94488A; EP0280516A3; EP0280516A2

Description

Eine früher vorgeschlagene Schaltung für die Differenzverstärkung von zwei Eingangssignalen umfaßt einen Operationsverstärker mit einer speziellen Anordnung von Gegenkopplungs- und Eingangswiderständen, deren relative Werte derart sind, daß ein echter Differenzausgang von dem Verstärker erzielt wird. Um eine hohe Eingangsimpedanz für jedes Signal zu erzielen, was aus weiter unten erläuterten Gründen wünschenswert ist, müssen die Eingangssignale der früher vorgeschlagenen Schaltung jeweils über eine hohe Eingangsimpedanz aufweisende Verstärker mit einer Verstärkung von 1 zugeführt werden. Damit sind insgesamt drei Verstärker erforderlich, was nicht nur Kostennachteile hervorruft, sondern auch die erzielbaren Betriebseigenschaften begrenzen kann.
Das 'Linear Applications Databook', 1986, das von der National Semiconductor Corporation herausgegeben wurde, zeigt auf Seite 90 einen Schaltungsvorschlag für einen Instrumentationsverstärker mit hoher Eingangsimpedanz, der lediglich zwei Operationsverstärker verwendet. Die Eingangssignale werden jeweiligen der nichtinvertierenden Eingänge der beiden Verstärker zugeführt, während das Ausgangssignal von dem Ausgang eines der Verstärker abgenommen wird, und erste, zweite, dritte und vierte Widerstände sind jeweils zwischen Erde und dem invertierenden Eingang des anderen Verstärkers, zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang dieses anderen Verstärkers, zwischen dem Ausgang dieses anderen Verstärkers und dem invertierenden Eingang des einen Verstärkers und zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des einen Verstärkers eingeschaltet. Die ersten und vierten Widerstände erhalten gleiche Werte, während die zweiten und dritten Widerstände ebenfalls gleiche Widerstandswerte aufweisen, und die Differenzverstärkung der Anordnung ist dann durch das Verhältnis der ersten und zweiten Widerstandswerte bestimmt. IEEE Electo, Vol. 7, Mai 1982, beschreibt ebenfalls eine der vorstehend beschriebenen ähnliche Schaltung auf Seite 4, Fig. 8.
Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine alternative Konfiguration für einen eine hohe Eingangsimpedanz aufweisenden Differenzverstärker zu schaffen, wobei diese Alternative gegenüber dem weiter oben beschriebenen bekannten Vorschlag bevorzugt werden kann, beispielsweise um in einfacher Weise die Übernahme einer gewissen speziellen Auslegungskonstruktion für eine integrierte Gesamtschaltung zu ermöglichen, die den Differenzverstärker enthält.
Erfindungsgemäß wird eine Schaltung für die Differenzverstärkung erster und zweiter empfangener Signale geschaffen, wobei die Schaltung:
erste und zweite Operationsverstärker, die jeweils einen invertierenden Eingang, einen nichtinvertierenden Eingang und einen Ausgang aufweisen und jeweils zum Empfang eines der ersten und zweiten empfangenen Signale vorgesehen sind, wobei das Ausgangssignal der Schaltung von einem der ersten und zweiten Operationsverstärker abgenommen wird, und
erste, zweite, dritte und vierte Schaltungselemente zur Festlegung der Verstärkung der Schaltung umfaßt, und
dadurch gekennzeichnet ist, daß der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers mit dem ersten empfangenen Signal gekoppelt ist, während der nichtinvertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers mit dem zweiten empfangenen Signal gekoppelt ist,
daß das erste Schaltungselement einen Widerstandspfad umfaßt, der den nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers und den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers verbindet,
daß das zweite Schaltungselement einen Widerstandspfad umfaßt, der den nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers mit einer gemeinsamen Erdverbindung verbindet,
daß das dritte Schaltungselement einen Widerstandspfad umfaßt, der den invertierenden Eingang und den Ausgang des zweiten Operationsvestärkers miteinander verbindet,
und daß das vierte Schaltungselement einen Widerstandspfad umfaßt, der den Ausgang des ersten Operationsverstärkers mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers verbindet,
wobei das Verhältnis der Widerstandswerte des zweiten und des ersten Schaltungselementes im wesentlichen gleich dem Verhältnis der Widerstandswerte des vierten und dritten Schaltungselementes ist.
Zum besseren Verständnis wird in Form eines Beispiels auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer früher vorgeschlagenen Differenzverstärkerschaltung ist,
Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild einer Differenzverstärkerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist, und
Fig. 3 ein Teil eines vereinfachten Schaltbildes einer Modifikation der Schaltung nach Fig. 2 ist, wobei diese Modifikation ebenfalls entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
Bei der früher vorgeschlagenen Differenzverstärkerschaltung nach Fig. 1 werden die beiden Eingangssignale V1 und V2 über jeweilige Verstärker 5 und 6 mit einer Verstärkung 1 und über Eingangswiderstände 3 und 1 einem jeweiligen der invertierenden und nichtinvertierenden Eingänge eines Operationsverstärkers 7 zugeführt. Ein Gegenkopplungswiderstand 4 ist zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Verstärkers 7 angeschaltet, und ein weiterer Widerstand 2 ist zwischen dessen nichtinvertierenden Eingang und einer gemeinsamen Null-Volt-Bezugsleitung für die Signale V1 und V2 eingeschaltet. Wenn R1, R2, R3 und R4 die Widerstandswerte der Widerstände 1, 2, 3 bzw. 4 sind, so ist das Ausgangssignal VO von dem Verstärker 7 gleich (V1-V2)R4/R3, das heißt es wird ein echter Differenzausgang erzielt, vorausgesetzt, daß R4/R3 gleich R2/R1 ist und die Leerlauf-Differenzverstärkung des Verstärkers 7 sehr hoch ist. Jeder der eine Verstärkung von 1 aufweisenden Verstärker 5 und 6 umfaßt ebenfalls einen eine hohe Leerlaufverstärkung aufweisenden Operationsverstärker, jedoch mit einer direkten Gegenkopplungsverbindung zwischen dem jeweiligen Eingang und dem invertierenden Ausgang, wobei das jeweilige Signal V1 oder V2 dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers zugeführt wird. Die Funktion der Verstärker 5 und 6 besteht darin, eine hohe Eingangsimpedanz für die Signale V1 und V2 zu schaffen. Wenn die Verstärker 5 und 6 nicht vorhanden wären, das heißt wenn die Signale V1 und V2 direkt den Eingangswiderständen 3 und 1 zugeführt würden, so würde immer noch ein Ausgang V0=(V2-V1)R4/R3 erzielt werden, doch würden die von den Signalen V1 und V2 gesehenen Eingangsimpedanzen relativ niedrig und außerdem ungleich sein, wobei die für V1 angenähert gleich R3 sein würde, während die für V2 ungefähr (R1+R2) sein würde. Wenn daher V1 und V2 von Quellen abgeleitet sein würden, die gleiche elektromotorische Kräfte erzeugen und endliche Quellimpedanzen aufweisen, so würden V1 und V2 unterschiedlich sein, selbst wenn diese Quellimpedanzen gleich sein würden, was durchaus nicht der Fall sein muß. Das Ergebnis besteht selbstverständlich darin, daß wenn die beiden Quellen gleiche EMK erzeugen, ein Ausgangssignal von dem Verstärker 7 erzeugt würde, was normalerweise unerwünscht ist. Das Vorhandensein der eine Verstärkung von 1 aufweisenden Verstärker 5 und 6 vermeidet die vorstehenden Probleme, doch umfaßt die Schaltung dann selbstverständlich drei Operationsverstärker.
In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel einer Differenzverstärkerschaltung gemäß der Erfindung werden die Eingangssignale V1 und V2 über Eingangsanschlüsse 20 direkt dem invertierenden Eingang eines Verstärkers 25 bzw. dem nichtinvertierenden Eingang eines Verstärkers 26 zugeführt. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 25 ist über einen Widerstand 22 mit einer gemeinsamen Bezugsleitung für die Signale V1 und V2, die wiederum eine Null-Volt-Bezugsleitung ist, und über einen Widerstand 21 mit dem Ausgang des Verstärkers 26 verbunden. Der invertierende Eingang des Verstärkers 26 ist über einen Widerstand 23 mit dem Ausgang des gleichen Verstärkers 26 und über einen Widerstand 24 mit dem Ausgang des Verstärkers 25 verbunden. Der Schaltungs- Ausgangsanschluß 27 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 25 verbunden. Es kann durch eine Analyse auf der Grundlage der Gleichungen und der Spannungswerte, die in Fig. 2 angegeben sind, gezeigt und durch eine Betrachtung des Schaltbildes überprüft werden, daß das signal V0 am Ausgang des Verstärkers 25 gleich (V2-V1)(R21+R22)/R21 ist, das heißt, es wird wiederum ein echter Differnzausgang erzielt, vorausgesetzt, daß R24/R23 gleich R22/R21 ist, worin R21, R22, R23 und R24 die Widerstandswerte der Widerstände 21, 22, 23 bzw. 24 sind. Die vollständige Analyse ist für den Fachmann klar. In Kürze sei jedoch darauf hingewiesen, daß unter der Annahme, daß die Leerlaufverstärkungen der Verstärker 25 und 26 sehr hoch sind, für einen eingeschwungenen Zustand das Potential am nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 25 gleich dem Potential V1 an seinem invertierenden Eingang sein muß, während das Potential am invertierenden Eingang des Verstärkers 26 gleich dem Potential V2 am nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 26 sein muß. Wenn das Potential am nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 25 gleich V1 ist, so muß das Potential am Ausgang des Verstärkers 26 gleich V1(R21-R22)/R22 sein. Damit ist der Potentialabfall längs des Widerstandes 23 definiert, und damit auch der Stom i3, der durch diesen Widerstand fließt. Dieser Strom fließt außerdem durch den Widerstand 24, so daß der Spannungsabfall längs dieses Widerstandes berechnet werden kann, und damit auch die Ausgangsspannung V0.
Wie bei der Schaltung nach Fig. 1 sehen die Signale V1 und V2 jeweils eine hohe Eingangsimpedanz. Fig. 2 weist indessen jedoch nur zwei Verstärker anstelle von drei Verstärkern auf. Dies verringert nicht nur die Kosten, sondern die Schaltung nach Fig. 1 kann unter der Annahme einer geeigneten Auslegung ihrer Einzelheiten zusätzlich gewisse überlegene Frequenz- und Fehlspannungs-Betriebseigenschaften aufweisen. Dies ergibt sich einfach daraus, daß diese Parameter dazu neigen, durch die Verstärker verschlechtert zu werden, von denen Fig. 2 lediglich zwei aufweist, anstelle von drei Verstärkern.
Genau wie bei den Verstärkern nach Fig. 1 wird angenommen, daß die Verstärker 25 und 26 nach fig. 2 jeweils eine hohe Leerlaufverstärkung aufweisen. Der Ausdruck 'hoch' bedeutet hier zumindestens ein mehrfaches größer als die konstruktive Differenzverstärkung der Schaltung, vorzugsweise mehrer Größenordnungen größer. Die Beziehung zwischen der Leerlaufverstärkung des Verstärkers und der konstruktiven Differenzverstärkung bestimmt die Genauigkeit der Schaltung; wenn beispielsweise die Leerlaufverstärkung dem Hundertfachen der Differenzverstärkung der schaltung entspricht, so hat die Schaltung eine ihr eigene Ungenauigkeit von ungefähr 1%. All dies trifft selbstverständlich auch auf die Schaltung nach Fig. 1 zu, und der Fachmann ist ohne weiteres in der Lage, geeignete Verstärker auszuwählen. Obwohl dies nicht wesentlich ist, können die Verstärker 25 und 26 ohne weiteres aus einem Bereich von Operationsverstärkern in integrierter Schaltungsform ausgewählt werden, die derzeit im Handel erhältlich sind und die derartig hohe Leerlaufverstärkungen aufweisen, daß dieser Punkt gewissermaßen ohne Bedeutung ist.
Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung ist insbesondere dann geeignet, wenn die Signale V1 und V2 Gleichstrom- bis Niederfrequenz- Wechselspannungssignale sind. Wenn die Schaltung lediglich Wechselspannungssignale verarbeiten muß, so können diese wechselspannungsmäßig den Verstärkern 25 und 26 zugeführt werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Schaltung nach Fig. 3 ist lediglich teilweise gezeigt, sie ist jedoch identisch zu der nach Fig. 2, mit der Ausnahme, daß jeder Anschluß 20 mit dem zugehörigen Verstärker über einen Kondensator 30 gekoppelt ist, während in jedem Fall ein Widerstand 31 zwischen der Null-Volt- Bezugsleitung und dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator und dem Verstärker eingeschaltet ist. Die relativen Werte der Kondensatoren 30 und Widerstände 31 sind in Abhängigkeit von dem zu verarbeitenden Eingangssignal-Frequenzbereich gewählt - es wäre normalerweise am besten, wenn die Widerstände 31 ziemlich hohe Widerstandswerte, vielleicht ein Megohm oder mehr aufweisen würden.
Obwohl dies nicht immer wesentlich ist, kann es im Fall der Fig. 3 wünschenswert sein, auch eine Wechselspannungskopplung an der Ausgangsseite der Schaltung vorzusehen, beispielsweise durch Einfügen eines (nicht gezeigten) Serienkondensators zwischen dem Verstärker 25 und dem Ausgangsanschluß 27. Der Kondensator sollte im Signalfluß hinter dem Anschluß des Widerstandes 24 angeordnet sein, um eine Störung des Gleichspannungszustandes der Schaltung zu vermeiden. In gleicher Weise könnten, vorausgesetzt daß die Gleichspannungs-Zustandseinstellpfade zwischen den Verstärkern aufrechterhalten werden, ein oder mehrere der Widerstände 21 bis 24 durch ein geeignetes Impedanznetzwerk ersetzt werden, das beispielsweise dazu bestimmt ist, eine gewisse spezielle Frequenzcharakteristik zu erzielen. Beispielsweise könnte ein Widerstand durch eine Serienschaltung eines Widerstandes und einer Induktivität, einer Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators oder durch eine Kombination hiervon ersetzt werden. In diesem Fall muß selbstverständlich sorgfältig vorgegangen werden, um die Schaltung nicht instabil zu machen, das heißt sie in eine Oszillatorschaltung zu verwandeln.

Claims

1. Schaltung für die Differenzverstärkung erster und zweiter empfangener Signale (V1,V2) wobei die Schaltung:

erste und zweite Operationsverstärker (25,26), die jeweils einen invertierenden Eingang, einen nichtinvertierenden Eingang und einen Ausgang aufweisen und jeweils zum Empfang eines der ersten und zweiten empfangenen Signale (V1,V2) vorgesehen sind, wobei das Ausgangssignal der Schaltung von einem der ersten und zweiten Operationsverstärker abgenommen wird, und

erste, zweite, dritte und vierte Schaltungselemente (21, 22,23,24) zur Festlegung der Verstärkung der Schaltung umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers (25) mit dem ersten empfangenen Signal (V1) gekoppelt ist, während der nichtinvertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers mit dem zweiten empfangenen Signal gekoppelt ist,

daß das erste Schaltungselement (21) einen Widerstandspfad umfaßt, der den nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (25) mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (26) verbindet,

daß das zweite Schaltungselement (22) einen Widerstandspfad umfaßt, der den nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (25) mit einer gemeinsamen Erde verbindet,

daß das dritte Schaltungselement (23) einen Widerstandspfad umfaßt, der den invertierenden Eingang und den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (26) miteinander verbindet,

und daß das vierte Schaltungselement (24) einen Widerstandspfad umfaßt, der den Ausgang des ersten Operationsverstärkers (25) mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers verbindet,

wobei das Verhältnis der Widerstandswerte des zweiten und ersten Schaltungselementes im wesentlichen gleich dem Verhältnis der Widerstandswerte des vierten und dritten Schaltungselementes ist, und wobei das Ausgangssignal der Schaltung von dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers abgenommen wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der jedes Schaltungselement (21,22,23,24) lediglich ein oder mehrere Widerstandsbauteile umfaßt.

3. Schaltung nach Anspruch 1, bei der eines oder mehrere der Schaltungselemente (21,22,23,24) eine Kombination von Bauteilen umfaßt, die zumindestens einen Kondensator oder eine Induktivität einschließen.

4. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die ersten und zweiten empfangenen Signale (V1,V2) mit den jeweiligen Verstärkern (25, 26) wechselspannungsgekoppelt sind.

5. Schaltung nach Anspruch 4, bei der jedes der ersten und zweiten empfangenen elektrischen Signal (V1,V2) mit dem jeweiligen Verstärker (25,26) über einen Serienkondensator verbunden ist, wobei ein Widerstand zwischen der Verstärkerseite dieses Serienkondensators und einer gemeinsamen Erde eingeschaltet ist.

6. Schaltung nach Anspruch 4, bei dem das Ausgangssignal der Schaltung mit dem Ausgang des ersten Verstärkers (25) über einen Serienkondensator verbunden ist.