DE4230977C2

DE4230977C2 - Circuit arrangement for rectifying an AC voltage

Info

Publication number: DE4230977C2
Application number: DE19924230977
Authority: DE
Inventors: Albrecht Donat; Ralf Schweigert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-09-16
Filing date: 1992-09-16
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: DE4230977A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Gleichrichten einer Wechselspannung mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang.The invention relates to a circuit arrangement for Rectify an AC voltage with an inverting one and a non-inverting input.

Zur Präzisions-Augenblickswertgleichrichtung von analogen elektrischen Signalen sind Schaltungen, u. a. Schaltungen mit Operationsverstärkern, handelsüblich, bei denen ein Strom durch Halbleiterdioden fließt, um den Gleichrichteffekt zu erzielen. Diese Halbleiterdioden werden dabei entweder in Sperrichtung oder in Durchlaßrichtung betrieben. Es erweist sich bei derartigen Schaltungen aber als nachteilig, daß da bei im Nulldurchgang eines analogen Eingangssignals die Be triebsart der Dioden umgeschaltet werden muß. Um durch eine Diode, die zuvor in Sperrichtung betrieben wurde, nämlich ei nen Strom bestimmter Größe fließen zu lassen, muß erst die Flußspannung an der Diode aufgebaut werden, denn Dioden haben kein ideales Schaltverhalten. Dieses Umschalten der jeweili gen Betriebsart führt zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs eines analogen Eingangssignals zu Signalverzerrungen im Ausgangs signal. Je steiler der Nulldurchgang des Eingangssignals ist, desto stärker kommt der Nachteil einer derartigen Signalver zögerung zum Tragen. Dies ist z. B. bei Eingangssignalen höhe rer Frequenzen der Fall. Deshalb ist der Anwendungsbereich der herkömmlichen Schaltungen zur Präzisions-Augenblickswert gleichrichtung bezüglich der Höhe der Signalfrequenzen einge schränkt.For precision instantaneous value rectification of analog electrical signals are circuits, u. a. Circuits with Operational amplifiers, commercially available, in which a current flows through semiconductor diodes to increase the rectification effect achieve. These semiconductor diodes are either in Blocked or operated in the forward direction. It turns out turns out to be disadvantageous in such circuits that there at the zero crossing of an analog input signal the Be mode of operation of the diodes must be switched. To go through a Diode that was previously operated in the reverse direction, namely egg To let a current of a certain size flow, the Forward voltage can be built up on the diode because diodes have not ideal switching behavior. This switching of the respective Operating mode leads at the time of the zero crossing analog input signal to signal distortion in the output signal. The steeper the zero crossing of the input signal, the greater the disadvantage of such a signal hesitation to wear. This is e.g. B. height for input signals frequencies. That is why the scope the conventional circuits for precision instantaneous value rectification with respect to the level of the signal frequencies limits.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist aus der US 35 85 487 bekannt, die eine Gleichrichtung für Si gnale kleiner Amplitude für ein breites Frequenzband ermög licht.A circuit arrangement of the type mentioned is out the US 35 85 487 known, the rectification for Si gnale small amplitude for a wide frequency band light.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitere Schaltungsanord nung der eingangs genannten Art so zuschaffen, die ebenfalls für hohe Frequenzen geeignet ist.The object of the invention is a further circuit arrangement procurement of the type mentioned at the beginning, which also is suitable for high frequencies.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Wechselspannung in nicht invertierter Form an die Anode einer ersten Diode geschaltet ist, daß die Wechselspannung ferner in invertierter Form an die Anode einer zweiten Diode geschaltet ist, daß die Kathoden der ersten Diode und der zweiten Diode zusammengeschaltet sind mit der Kathode einer dritten Diode, der über ihre Anode ein erster Strom von vor gegebener Stärke eingespeist wird, daß den Kathoden der Dioden ein zweiter Strom entnommen wird, der doppelt so groß ist wie der erste Strom, und daß das Gleichrichtsignal als Spannung an der Anode der dritten Diode abgreifbar ist.According to the invention, this object is achieved in that the AC voltage in non-inverted form to the anode a first diode is connected that the AC voltage also in inverted form to the anode of a second diode is connected that the cathodes of the first diode and second diode are connected together with the cathode one third diode, which has a first current from before through its anode given strength is fed that the cathodes of the A second current is drawn from diodes, which is twice as large is like the first stream, and that the rectifying signal as Voltage at the anode of the third diode can be tapped.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch ge kennzeichnet, daß die Dioden auf einem Halbleiterchip inte griert sind. Die Kennlinien der Dioden sind dabei in größt möglicher Weise aneinander angleichbar.An advantageous embodiment of the invention is ge indicates that the diodes on a semiconductor chip inte are free. The characteristics of the diodes are the largest possible to adapt to each other.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.An embodiment of the invention is in the drawing shown and is explained in more detail below.

Eine Eingangswechselspannung U_e wird dabei über eine Verstär kerstufe VS mit einer Verstärkung "+1" an die Anode einer er sten Diode D1 geleitet und in invertierter Form der Anode ei ner zweiten Dioden D2 zugeleitet. Die Inversion erfolgt dabei über eine Invertierstufe IS mit einem Verstärkungsfaktor "-1". Sowohl die Verstärkerstufe VS als auch die Invertier stufe IS erlauben dabei eine auf die Eingangswechselspannung U_e weitestgehend rückwirkungsfreie Strombelastung am jeweili gen Ausgang.An input AC voltage U _e is passed through an amplifier stage VS with a gain "+1" to the anode of a first diode D1 and fed in inverted form to the anode of a second diode D2. The inversion takes place via an inverting stage IS with a gain factor "-1". Both the amplifier stage VS and the inverter stage IS allow a largely unaffected current load on the respective output at the input AC voltage U _e .

Die Kathoden der Dioden D1 und D2 sind miteinander verbunden. Ferner ist eine dritte Diode D3 vorgesehen, deren Kathode ebenfalls mit den Kathoden der Dioden D1 und D2 verbunden ist. Über die Anode der Diode D3 wird mit Hilfe ... einer Stromquelle S1 ein erster Strom I1 eingespeist. Am Kathodenknoten ist eine Stromquelle, genauer gesagt eine Stromsenke S2, vorgesehen, die dem Knoten einen zweiten Strom I2 entnimmt; dabei ist der zweite Strom I2 stets doppelt so groß wie der erste Strom I1.The cathodes of the diodes D1 and D2 are connected to one another. Furthermore, a third diode D3 is provided, the cathode of which also connected to the cathodes of diodes D1 and D2 is. The anode of diode D3 is used to ... a current I1 fed to a current source S1. At the Cathode node is a power source, more precisely one Current sink S2, provided the node a second Current I2 takes; the second current is always I2 twice the first current I1.

Wendet man auf die gemeinsame Kathode das erste Kirch hoffsche Gesetz an (Knotenregel), so sieht man, daß die Hälfte des zweiten Stromes I2 den die Stromquelle S2 dem Knoten entnimmt, durch die dritte Diode D3 fließen muß, während die andere Hälfte des zweiten Stroms I2 durch die beiden anderen Dioden D1 und D2 fließen muß. Von diesen beiden anderen Dioden D1 und D2 ist aber nur jeweils die jenige leitend, an deren Anode das positivere Potential anliegt. Die jeweils andere Diode wird dann gesperrt. Die "aktive" Diode, d. h. diejenige, welche das positivere Potential führt, wird dann also von einem gleichgroßen Strom wie dem ersten Strom I1 durch die Diode D3 durch flossen. Sorgt man dafür, daß alle drei Dioden D1, D2 und D3 die gleiche Strom-Spannungs-Kennlinie besitzen und zudem ein gleiches Temperaturverhalten aufweisen, stellen sich an der dritten Dioden D3 und der jeweils aktiven Diode D1 bzw. D2 die gleichen Flußspannungen ein. Mit Hilfe dieses Effek tes wird das Potential an der Anode der jeweils aktiven Diode D1 bzw. D2 nach dem zweiten Kirchhoffsche Gesetz (Maschenregel) über die beiden Flußspannungen der geflute ten Dioden D1 bzw. D2 an die Anode der dritten Diode D3 "gespiegelt". An der Anode der dritten Diode D3 stellt sich damit also immer das größere der beiden Anodenpotentiale der beiden ersten Dioden D1 bzw. D2 ein. Als Ausgangssignal an der Anode der dritten Diode D3 erhält man also
If the first Kirch-Hoff law is applied to the common cathode (node rule), one sees that half of the second current I2 which the current source S2 takes from the node must flow through the third diode D3, while the other half of the second current I2 must flow through the other two diodes D1 and D2. Of these two other diodes D1 and D2, however, only the one whose anode has the more positive potential is conductive. The other diode is then blocked. The "active" diode, that is to say the one which carries the more positive potential, is then flowed through by a diode of the same magnitude as the first current I1 through the diode D3. If you ensure that all three diodes D1, D2 and D3 have the same current-voltage characteristic and also have the same temperature behavior, the same forward voltages are set at the third diodes D3 and the respectively active diode D1 and D2. With the help of this effect, the potential at the anode of the respectively active diode D1 or D2 is "mirrored" according to the second Kirchhoff law (mesh rule) via the two forward voltages of the flooded diodes D1 or D2 to the anode of the third diode D3. The larger of the two anode potentials of the first two diodes D1 and D2 is therefore always set at the anode of the third diode D3. The output signal at the anode of the third diode D3 is thus obtained

U_a = U_max (U_e; -U_e) = |U_e U _a = U _max (U _e ; -U _e ) = | U _e

Eine relativ kleine Signalverfälschung ergibt sich nur im Kommutierungspunkt, d. h. im Nullpunkt der Eingangswechsel spannung U_e, da sich in diesem speziellen Punkt und in dessen Umgebung der Strom auf die Dioden D1 und D2 auf teilt. Der Signalverlauf des Fehlers ist aber eine Funktion der Eingangsspannung, unabhängig vom eingeprägten Strom, sofern dieser wesentlich größer als der Sättigungssperr strom der Dioden D1 bis. D3 ist. Versuche haben gezeigt, daß das Maximum des Gleichrichtfehlers bei 18 mV liegt. Der Fehlerverlauf ist aus der Diodengleichung berechenbar, somit bekannt und kompensierbar.A relatively small signal corruption only occurs at the commutation point, ie at the zero point of the input AC voltage U _e , since the current to the diodes D1 and D2 is divided at this special point and in its vicinity. However, the signal curve of the error is a function of the input voltage, regardless of the impressed current, provided that this is significantly greater than the saturation blocking current of the diodes D1 to. D3 is. Experiments have shown that the maximum rectification error is 18 mV. The course of the error can be calculated from the diode equation and is therefore known and can be compensated.

Wesentlich für die Qualität der Schaltung ist der Gleich lauf der drei Dioden D1, D2 und D3, d. h. es müssen mög lichst gleiche Diodenkennlinien und gleiches Temperatur verhalten vorliegen. Dies läßt sich relativ leicht dadurch erfüllen, daß man ein Diodennetzwerk benutzt. Diodennetz werke sind mehrere Dioden, die auf einem Chip integriert sind. Dadurch kann dafür gesorgt werden, daß die geometri schen Abmessungen der pn-Übergänge zueinander identisch sind, wie alle integrierten Dioden dem gleichen Herstel lungsprozeß unterliegen. Durch diese Maßnahmen lassen sich gleiche Kennlinien und gleiches Temperaturverhalten meh rere Dioden erzielen.The same is essential for the quality of the circuit run of the three diodes D1, D2 and D3, d. H. it must be possible The same diode characteristics and the same temperature behave cautiously. This can be done relatively easily satisfy that you use a diode network. Diode network plants are several diodes integrated on one chip are. This can ensure that the geometri The dimensions of the pn junctions are identical to one another are, like all integrated diodes, the same manufacturer subject to the development process. These measures can be taken same characteristics and same temperature behavior meh achieve more diodes.

Die Tatsache, daß die Dioden D1 bis D3 Teil eines Dioden netzwerkes sind, ist in der Zeichnung durch gestrichelte Linien angedeutet.The fact that the diodes D1 to D3 are part of a diode network, is in the drawing by dashed lines Lines indicated.

Eine äquivalente Abänderung der Schaltung könnte so aus sehen, daß die Dioden D1 bis D3 in ihrer Polarität umge dreht wären und daß der dann in seiner Richtung gewechsel te Strom I2 doppelt so groß geschalten wäre, wie der eben falls umgekehrte Strom I1. Die Ausgangsspannung U_a wäre dann allerdings
An equivalent modification of the circuit could look like that the diodes D1 to D3 would be reversed in polarity and that the current I2 then changed in its direction would be switched twice as large as the reverse current I1. The output voltage U _a would then be, however

U_a = U_min (U_e; -U_e) = -|U_e|.U _a = U _min (U _e ; -U _e ) = - | U _e |.

Claims

1. Circuit arrangement for rectifying an AC voltage with an inverting and a non-inverting input, characterized in that

1. the AC voltage (U _e ) is connected in non-inverted form to the anode of a first diode (D1),
2. the AC voltage (U _e ) is also connected in inverted form to the anode of a second diode (D2),
3. the cathodes of the first diode (D1) and the second diode (D2) are connected together with the cathode of a third diode (D3) which is fed a first current (I1) of a predetermined strength via its anode,
4. a second current (I2) is taken from the cathodes of the diodes (D1 to D3), which is twice as large as the first current (I1), and that
5. the rectifier signal can be tapped as a voltage (U _a ) at the anode of the third diode (D3).

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized characterized in that the diodes (D1, D2, D3) on a semiconductor chip are integrated.