DE4115672A1

DE4115672A1 - Integrierender ladungsverstaerker

Info

Publication number: DE4115672A1
Application number: DE19914115672
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Kebe Scient Instr Dr GmbH
Current assignee: Kebe Scient Instr Dr GmbH
Priority date: 1991-05-14
Filing date: 1991-05-14
Publication date: 1992-11-19

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 C_i 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 f_g 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 f_g 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 f_k 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 f_k : f_g 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 f_g und Kompensati ons-Grenzfrequenz f_k müssen folgende Bedingungen erfüllt sein, damit die Übertragungsfunktion richtig ist:

1/2 π f_k=(C₁+C₂)R₁=C₄R₄,
1/2 π f_g=C₃R_p

mit R_p=R₂R₃′R₆/R₂R₃′+R₂R₆+R₃′R₆)

Die Schaltung nach Fig. 2 verleiht dem angeschlossenen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer - dargestellt durch U_i und C_a - 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 C₃R_p 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 (f_k : f_g » 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

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.