DE4115672A1 - Integrierender ladungsverstaerker - Google Patents
Integrierender ladungsverstaerkerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen integrierenden Ladungsver
stärker, der mit einem über ein passives Differenzier
glied gegengekoppelten Operationsverstärker versehen
ist.
Integrierende Ladungsverstärker dienen zur Aufnahme des
Meßwerts eines Sensor mit kapazitivem Innenwiderstand
und zur Integration dessen Ausgangssignals. Ein Anwen
dungsfall ist die Erfassung mechanischer Schwingungen
durch ein piezoelektrisches Element.
Aus der DE 33 21 330 A1 ist ein integrierender Ladungs
verstärker bekannt, dessen Gegenkopplungszweig aus zwei
in Reihe geschalteten Differenzierern besteht.
Die vorbekannte Schaltung soll zwar bereits das Problem
der Übersteuerung durch hochfrequente Eingangssignale
lösen, sie ist jedoch bezüglich des Frequenzgangs unbe
friedigend.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, die vor
bekannte Schaltung zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen
ohm′schen Gegenkopplungszweig und einen kapazitivem Ge
genkopplungszweig, die dem Differenzierer parallel ge
schaltet sind, und eine dem ersten Operationsverstärker
nachgeschaltete, zur Frequenzgangkorrektur dienende zwei
te Stufe.
Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen
des erfinderischen Grundgedankens an.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung
erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfin
dung,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfin
dung,
Fig. 3 eine alternative Ausgestaltung der zweiten
Stufe,
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der zweiten
Stufe,
Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel der zweiten
Stufe, und
Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfin
dung.
Fig. 1 zeigt einen Operationsverstärker OP1, an dessen
invertierenden Eingang ein Schwingungsaufnehmer mit ka
pazitiver Quellimpedanz Ci angelegt ist. Ein erster Ge
genkopplungszweig wird durch ein Differenzierglied ge
bildet, das aus zwei in Reihe liegenden Kapazitäten C1,
C2 und einem zwischen den beiden Kapazitäten C1, C2 nach
Masse gelegten Widerstand R1 gebildet wird. Parallel zu
diesem ersten Gegenkopplungszweig liegen zwei weitere,
aus einer dritten Kapazität C3 bzw. einem dritten Wider
stand R3 gebildete Gegenkopplungszweige. Dem derart
mehrfach gegengekoppelten Operationsverstärker OP1 ist
eine zweite, der Frequenzgangkorrektur dienende Stufe
nachgeschaltet, die aus einem vierten Widerstand R4 und
einer an Masse gelegten vierten Kapazität C4 besteht.
Der durch die Kapazität C1 und dem Widerstand R1 gebil
dete Differenzierer im Haupt-Gegenkopplungszweig des er
sten Operationsverstärkers bewirkt im Geradeaus-Signal
pfad die gewünschte Integration mit einem f-1-Frequenz
gang. Die dem Differenzierer nachgeschaltete Kapazität
C2 wandelt die differenzierte Spannung in eine Ladung um
und koppelt diese auf den invertierenden Eingang des
OP-Verstärkers zurück. Der Widerstand R3 dominiert bei
tiefen Frequenzen und erzeugt in diesem Bereich eine
frequenzproportionale f1-Charakteristik, die zu dem f-1-
Frequenzgang des Differenziergliedes gegenphasig ist.
Bei einer bestimmten Übergangsfrequenz fg heben sich die
gegengekoppelten Ladungen auf. Die Kapazität C3, die für
sich alleine eine f0-Charakteristik erzeugen würde, ver
hindert ein unbegrenztes Anwachsen der Verstärkung. Mit
dem f-1-Zweig und dem f1-Zweig wirkt er als Dämpfungs
glied und erlaubt, die Verstärkung bei der Frequenz fg
gezielt einzustellen.
Als passive C/R-Kombination ist das Differenzierglied
des ersten Gegenkopplungszweiges notwendigerweise un
vollkommen (ein aktiver Differenzierer kommt hier nicht
in Betracht, weil er den erwünschten Gewinn bezüglich
des Dynamikbereiches zunichte machen würde). Ab einer
bestimmten oberen Frequenzgrenze fk geht deshalb der
f-1-Frequenzgang der Gesamtschaltung in einen f0-Fre
quenzgang über. Zur Korrektur dieses Anstiegs dient der
nachgeschaltete einpolige Tiefpaß, der durch den Wider
stand R4 und die Kapazität C4 gebildet wird. Dieser
Tiefpaß schmälert den Gewinn an Dynamikbereich nicht, da
der verbleibende Gewinn dem Verhältnis fk : fg proportio
nal ist bis zu einer Grenze, die dem Dynamikbereich des
Verstärkers ohne Integration entspricht.
Fig. 2 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel, bei dem die
Frequenzgangkorrektur weiter verbessert ist. Bei diesem
Ausführungsbeispiel ist der Parallelschaltung aus der
dritten Kapazität C3 und dem dritten Widerstand R3′ ein
weiterer Widerstand R6 in Reihe geschaltet, ein weiterer
Widerstand R2 liegt zwischen der Parallelschaltung aus
Kapazität C3 und Widerstand R3′ und Masse. Diese Schal
tungsanordnung erlaubt es, die Impedanzen in den Zweigen
um Größenordnungen zu reduzieren, indem der größte An
teil des Summenstroms durch R3 und C3 über R2 gegen Masse
abgeleitet wird und somit nicht zur Gegenkopplung bei
trägt.
Bei gegebener unterer Grenzfrequenz fg und Kompensati
ons-Grenzfrequenz fk müssen folgende Bedingungen erfüllt
sein, damit die Übertragungsfunktion richtig ist:
1/2 π fk=(C₁+C₂)R₁=C₄R₄,
1/2 π fg=C3Rp
1/2 π fg=C3Rp
mit Rp=R2R3′R6/R2R3′+R2R6+R3′R6)
Die Schaltung nach Fig. 2 verleiht dem angeschlossenen
piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer - dargestellt
durch Ui und Ca - exakt die Übertragungsfunktion, wie
ein idealisierter piezoelektrischer Schnelleaufnehmer
sie (a priori) besitzt. Die zweipolige Hochpaßcharakte
ristik der Schaltung läßt sich als solche - durch Verän
dern der Dämpfung - z. B. nach Butterworth, Tscheby
scheff oder Bessel optimieren. Alternativ läßt sie sich
als zweipoliges Teilfilter (konjugiert komplexes Pol
paar) eines mehrpoligen Tiefpaßfilters dimensionieren,
dessen weiterer Teilfilter nachzuschalten sind. Von be
sonderem Interesse sind dabei Filter ungerader Polzahl,
weil sich der einzelne Filterpol als Hoch- oder Tiefpaß
schalten läßt. Bei Schaltung des Filterpols als Hochpaß
ergibt sich ein schnelleproportionales (also der Schwin
gungsgeschwindigkeit proportionales) Ausgangssignal. Bei
Schaltung des Filterpols als Tiefpaß ergibt sich eine
zusätzliche Integration, das Ausgangssignal ist damit
wegproportional, wobei die Hochpaßcharakteristik der des
Schnellesignals entspricht.
Die zweite Integration in der nachgeschalteten Stufe
vermindert natürlich den Dynamikbereich der Gesamtschal
tung, allerdings (in dB gemessen) nur etwa um die Hälfte
dessen, was bei gebräuchlichen Verstärkern mit Doppelin
tegration in Kauf genommen werden muß.
Da Aufnehmer mit künstlich polarisierter Piezokeramik
bei Temperaturveränderungen oder nach mechanischer Über
belastung sich wie eine sehr hochohmige Gleichladungs-
oder Gleichstromquelle verhalten, können, um Übersteue
rungen zu vermeiden, Gegenmaßnahmen erforderlich sein.
Zu diesem Zweck kann man die Verstärkung der ersten Stu
fe und damit deren Aussteuerung durch das Nutzsignal
niedriger wählen, die Gleichspannung abtrennen und in
der zweiten Stufe nachverstärken. Ein Ausführungsbei
spiel einer solchen Ausbildung der zweiten Stufe zeigt
Fig. 3, bei der das der Frequenzgangkorrekturdienende
Glied durch einen weiteren Operationsverstärker OP2 ge
bildet wird, der über eine Parallelschaltung aus einem
vierten Widerstand R4 und einer vierten Kapazität C4 ge
gengekoppelt ist. Die zweite Stufe verstärkt im Verhält
nis R4 : R5, der Ausgang wird niederohmig.
Zum Abtrennen der Gleichspannung erfolgt eine Einkop
plung über eine fünfte Kapazität C5. Die Reihenschaltung
C5/R5 bildet einen dritten Hochpaß-Filterpol, der insbe
sondere auch Offset-Spannung abtrennt. Die Zeitkonstante
C5R5 muß je nach der gewünschten Filtercharakteristik
gleich oder ungefähr gleich C3Rp dimensioniert werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist der weitere
Operationsverstärker OP2 nicht-invertierend geschaltet.
Dabei gelangt das Signal über eine fünfte Kapazität C5′,
einen gegen Masse liegenden fünften Widerstand R5′, eine
zu der fünften Kapazität C5′ in Reihe liegenden vierten
Widerstand R4′ und eine gegen Masse liegende vierte Ka
pazität C4′ auf den nicht-invertierenden Eingang. Der
invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP2 ist
mit dem Abgriff eines zwischen Ausgang und Masse liegen
den Potentiometers verbunden. Dieses Ausführungsbeispiel
ist gegenüber dem nach Fig. 3 bezüglich der Werte für
die Bauelemente bei hoher Verstärkung (R4 : R5 » 1) und
gleichzeitig hohem Dynamikbereich (fk : fg » 1) günsti
ger.
Vertauscht man C5′ und R5′, so erhält man die Schaltung
nach Fig. 5. Dabei wird die Übertragungsfunktion durch
jωC5′R5′ dividiert. Dies bewirkt eine weitere Integrati
on bei ansonsten völlig gleicher Charakteristik ein weg
proportionales Ausgangssignal.
Bei einem Aufnehmer mit relativ niederohmigem Ausgang
kann man die Schaltung nach Fig. 6 verwenden, welche die
gleichen Bauelemente und damit dieselben Integrations-
und Hochpaßeigenschaften wie die in Fig. 2 dargestellte
Schaltung besitzt. Die einzige Veränderung besteht dar
in, daß die Elemente der weiteren Stufe, die in Fig. 2
als C4 und R4 bezeichnet sind, bei diesem Ausführungs
beispiel als C0 und R0 an dem Eingang der Schaltung
angeordnet sind. Durch die Kapazität C0 wird die Aus
gangsspannung des Aufnehmers in eine proportionale
Ladung umgewandelt. Die Gesamtschaltung ist dann span
nungsempfindlich und besitzt eine rein kapazitive Ein
gangsimpedanz.
Claims (12)
1. Integrierender Ladungsverstärker, mit einem ersten
Operationsverstärker, der über ein passives Differen
zierglied gegengekoppelt ist, gekennzeichnet durch
einen ohm′schen Gegenkopplungszweig und einen kapaziti
ven Gegenkopplungszweig, die dem Differenzierer paral
lel geschaltet sind, und eine zur Frequenzkorrektur
dienende weitere Stufe.
2. Integrierender Ladungsverstärker nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzierglied durch
zwei in Reihe liegende Kapazitäten (C1, C2) und einem
zwischen den beiden Kapazitäten (C1, C2) und Masse lie
genden Widerstand (R1) gebildet ist.
3. Integrierender Ladungsverstärker nach Anspruch 1
oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine drit
te Kapazität (C3) und ein dritter Widerstand (R3) zu
dem Differenzierer parallel geschaltet sind.
4. Integrierender Ladungsverstärker nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch eine weiteren, eine Ableitung ei
nes Teiles des Gegenkopplungsstromes nach Masse bewir
kenden weiteren Widerstand.
5. Integrierender Ladungsverstärker nach einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das der Frequenzkorrektur dienende Glied als dem Opera
tionsverstärker OP1 nachgeschalteter passiver einpoli
ger Tiefpaß ausgebildet ist.
6. Integrierender Ladungsverstärker nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das der
Frequenzkorrektur dienende Glied als dem Operationsver
stärker OP1 nachgeschalteter aktiver einpoliger Tiefpaß
ausgebildet ist.
7. Integrierender Ladungsverstärker nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch eine dem invertierenden Eingang
des weiteren Operationsverstärkers (OP2) vorgeschaltete
fünfte Kapazität (C5).
8. Integrierender Ladungsverstärker nach einem der An
sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der
Frequenzkorrektur dienende zweite Stufe einen weiteren
Operationsverstärker (OP2) aufweist, dessen direktem
Eingang eine fünfte Kapazität (C5′), ein gegen Masse
liegender fünfter Widerstand (R5′), ein zu der fünften
Kapazität (C5′) in Reihe liegender vierter Widerstand
(R4′) und eine gegen Masse liegende vierte Kapazität
(C4′) vorgeschaltet sind und dessen invertierender Ein
gang des weiteren Operationsverstärlers (OP2) über ei
nen einstellbaren Widerstand (R7) an Masse gelegt ist.
9. Integrierender Ladungsverstärker nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der
Frequenzkorrektur dienende zweite Stufe einen weiteren
Operationsverstärkers (OP2) aufweist, dessen direktem
Eingang ein fünfter Widerstand (R5′), eine an Masse
gelegte fünfte Kapazität (C5′), ein mit dem fünften
Widerstand in Reihe liegender vierter Widerstand (R4′)
und eine gegen Masse liegende vierte Kapazität (C4′)
vorgeschaltet sind und dessen invertierender Eingang des
weiteren Operationsverstärkers (OP2) über einen ein
stellbaren Widerstand (R7) an Masse gelegt ist.
10. Integrierender Ladungsverstärker nach einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die weitere Stufe im Eingang des Operationsverstärkers
OP1 liegt.
11. Integrierender Ladungsverstärker nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Stufe durch ei
ne Parallelschaltung aus einer Kapazität C0 und einem
Widerstand R0 gebildet ist.
12. Integrierender Ladungsverstärker nach einem der
vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im
Eingang der Schaltung liegende, die Ausgangsspannung
des Aufnehmers in eine proportionale Ladung umwandelnde
Kapazität C0.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914115672 DE4115672A1 (de) | 1991-05-14 | 1991-05-14 | Integrierender ladungsverstaerker |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914115672 DE4115672A1 (de) | 1991-05-14 | 1991-05-14 | Integrierender ladungsverstaerker |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4115672A1 true DE4115672A1 (de) | 1992-11-19 |
Family
ID=6431617
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914115672 Withdrawn DE4115672A1 (de) | 1991-05-14 | 1991-05-14 | Integrierender ladungsverstaerker |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4115672A1 (de) |
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