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TECHNISCHES GEBIET
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Die
hierin beschriebene Technologie betrifft allgemein das Gebiet elektrischer
Schaltungen.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER
TECHNIK
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Die
Messung von elektrischem Strom wird in einer Vielzahl von Anwendungen
eingesetzt. Zum Beispiel weisen Vorrichtungen mit hohem Strombedarf,
wie zum Beispiel Motoren, allgemein Steuerschaltungen auf, welche
die Strommessung einsetzen, um Steuersignale zurück zu dem Verbraucher zu implementieren.
Die Abbildung aus 1 (Stand der Technik) zeigt
eine elektrische Prinzipskizze einer herkömmlichen Strommessschaltung 100 zur Einstellung
eines Spannungswertes auf einen vorbestimmten Wert für die Operationen
einer solchen Vorrichtung. Zum Beispiel und in Bezug auf die Abbildung
aus 1 (Stand der Technik) wird das Messen eines Stroms
erreicht, indem ein Strom durch einen ersten Messwiderstand "Rsense" geleitet und die Spannung "V" an dem Messwiderstand gemessen wird,
wobei VMEASURED = i1·Rsense.
In einer Steuerschaltkreisanordnung zur Steuerung des Stroms "i1" durch den Widerstand
Rsense kann eine Rückkopplungsverstärkungsschleife
eingesetzt werden, um die Spannung an dem Widerstand zu messen und
danach den Strom "Iset" anzupassen, so dass
die Spannung auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Ein Operationsverstärker "OP AMP" wird eingesetzt,
um alle negativen Rückkopplungsverstärkungskomponente(n)
darzustellen, die erforderlich sind, um den elektrischen Strom Iset
durch den Messwiderstand Rsense zu leiten, der parallel mit einem
Referenzwiderstand "Rref" gekoppelt ist, wodurch
der gleiche Spannungsabfall an beiden Widerständen Rsense und Rref erzwungen
wird. Der zweite Widerstand Rref weist einen Referenzstrom "Iref" auf, der dort hindurch
fließt.
Somit weist der gemessene Strom den Wert "lout" auf: lout = (Rref + Rsense) × Iref.
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Es
ist bekannt, dass das Verhältnis
der Größen der
beiden Widerstände
bei der monolithischen Siliziumverarbeitung steuerbar bzw. regelbar
ist. Bei hohen Stromwerten muss lout, der Wert von Rsense, jedoch
verhältnismäßig niedrig
sein, um den Spannungsabfall an Rsense zu begrenzen; wobei eine
zu hohe Spannung an Rsense häufig
die Betriebsspannung des Systems begrenzt bzw. beschränkt. Um den
Wert von Rsense somit niedrig zu gestalten, muss Rsense entweder
aus einer physikalisch großen
Reihe vieler paralleler Widerstände
gebildet werden, wie dies in der Abbildung aus 2 (verwandte Technik)
dargestellt ist, oder er muss mit einem Material gebildet werden,
das inhärent
einen geringen Widerstand aufweist. Wenn Rsense gemäß der Abbildung
aus 2 physikalisch groß gestaltet wird, werden die
metallischen Zwischenverbindungen, die als "Rconnect" dargestellt sind, verhältnismäßig widerstandsfähig im Vergleich
zu dem gewünschten Wert
von Rsense, und es wird schwierig, den tatsächlichen elektrischen Widerstand
von Rsense zu definieren. Wenn ein Material mit niedrigem Widerstand
eingesetzt wird, im Besonderen wenn es niedrig ist im Vergleich
von Zwischenverbindungsleitungen zu Rsense, so lässt sich der tatsächliche
elektrische Widerstand von Rsense erneut nur schwer genau definieren.
Eine weitere Komplikation ist es, dass für den Fall, dass Rref aus dem
gleichen Material mit niedrigem Widerstandswert hergestellt wird,
um eine präzise Übereinstimmung
bereitzustellen, Rref allgemein physikalisch hoch sein muss.
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Das
U.S. Patent
US-A-5.469.071 offenbart eine
Vorrichtung zum Detektieren eines Widerstandswerts eines Widerstandssensors über drei
Signalleitungen mit hoher Detektionsgenauigkeit.
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Zusätzlich zu
der Behandlung dieser problematischen Komplikationen betrifft ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung "Kelvin-Verbindungen". Kelvin-Verbindungen werden eingesetzt,
um Spannungsverluste zu kompensieren, die durch Leitungswiderstände bewirkt
werden, die ansonsten Fehler bei Niederspannungsmessungen verursachen
würden.
Erreicht wird dies allgemein durch die Bereitstellung einer Quellenleitung
und einer Messleitung – die
entsprechend auch als Kraftleitung bzw. Messleitung bezeichnet werden – zu einer
Zwischenverbindungsstelle, die als die Kelvin-Verbindung bekannt
ist, die so nah wie möglich
an einer Prüfvorrichtung
liegt.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt allgemein eine Strommessschaltungsvorrichtung
mit Mittelwert bildenden Kelvin-Messeigenschaften bereit.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung betrifft eine Strommessschaltungsvorrichtung
gemäß dem gegenständlichen
Anspruch 1.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung betrifft eine Strommessschaltungsvorrichtung
gemäß dem gegenständlichen
Anspruch 2.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung betrifft eine Strommessschaltungsvorrichtung
gemäß dem gegenständlichen
Anspruch 3.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung betrifft eine Strommessschaltungsvorrichtung
gemäß dem gegenständlichen
Anspruch 4.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung betrifft eine Strommesswiderstandsschaltung
gemäß dem gegenständlichen
Anspruch 5.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung betrifft eine Strommesswiderstandsschaltung
gemäß dem gegenständlichen
Anspruch 6.
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Bin
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung gemäß dem gegenständlichen
Anspruch 7.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung betrifft eine Strommessstruktur gemäß dem gegenständlichen
Anspruch 8.
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Die
vorstehende Zusammenfassung schließt weder alle Aspekte, Aufgaben,
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ein, noch schränkt sie den
Umfang der vorliegenden Erfindung in irgendeiner Form ein. Die kurze
Zusammenfassung dient lediglich dazu, der Allgemeinheit und im Besonderen den
Fachleuten auf dem Gebiet, das die vorliegende Erfindung betrifft,
die Art der Erfindung zu vermitteln, um dadurch das einfache Verständnis des
Patents für zukünftige Suchen
zu unterstützen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 (Stand
der Technik) ein elektrisches Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen
Strommessschaltung, wobei die Spannung auf einen vorbestimmten Wert
eingestellt wird;
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2 (Verwandte
Technik) ein der Abbildung aus 1 zugeordnetes
elektrisches Äquivalenz-Schaltungsdiagramm
zur Veranschaulichung der Probleme, die mit dem Stand der Technik
verbunden sind;
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3 gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Diagramm einer Schaltungseinheit
für eine
Strommesswiderstandsstruktur unter Verwendung eines lokalen Kelvin-Messknotens;
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4 ein
Verfahren zum Senken des Nettowiderstandswerts des Strommesswiderstands
unter Verwendung einer Mehrzahl von Schaltungseinheiten gemäß der Abbildung
aus 3;
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5 ein
weiteres exemplarisches Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung für
die Schaltung aus der Abbildung aus 4;
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6 ein
Schaltungsdiagramm, das eine vereinfachte schematische Darstellung
der Schaltung aus 5 zeigt;
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7 eine
Veranschaulichung eines ersten grundlegenden Aspekts gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel
aus 6;
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8 eine
Veranschaulichung eines zweiten grundlegenden Aspekts gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel
aus 7.
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Die
gleichen Merkmale sind in den verschiedenen Abbildungen der Zeichnungen
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Zeichnungen in der
vorliegenden Patentschrift sind nicht maßstabsgetreu, sofern darauf
nicht ausdrücklich
verwiesen wird.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Vorgesehen
werden gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung für Steuereinrichtungen bzw.
Steuereinheiten, die Strommessung einsetzen. Vorgesehen wird gemäß der vorliegenden
Erfindung das Messen einer Durchschnittsspannung an einem Strommesswiderstand und
einem Referenz- bzw. Bezugswiderstand unter Verwendung einer Kelvin-Verbindung.
Messfehler aufgrund von Betriebsschwankungen in dem Strommesswiderstand,
Temperaturveränderungen
an dem Strommesswiderstand und die additiven Einflüsse des
Zwischenverbindungsmetallwiderstands werden im Wesentlichen eliminiert.
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Die
Abbildung aus 3 zeigt ein elektrisches Äquivalenz-Schaltungsdiagramm
für ein
exemplarisches Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das Design wird so implementiert, dass eine
Schaltungseinheit 300 bereitgestellt wird, die eine Mehrzahl
von physisch bzw. physikalisch verhältnismäßig kleinen einzelnen Messwiderständen 301, 303 verwendet,
die parallel gekoppelt sind, so dass sie sehr dicht aneinander angeordnet
werden können.
Es ist die Absicht des Erfinders, dass die vorliegende Erfindung
in integrierten Schaltungs-Chips (IS-Chips) implementiert werden
kann, wenn es, wie dies allgemein bekannt ist, bevorzugt wird, viele
Elemente in mikroskopischen Bereichen des Chips unterzubringen bzw.
anzuordnen. Für
die beste Abstimmung wird es bevorzugt, dass die Widerstandseinheiten
im Wesentlichen die gleiche Größe aufweisen.
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In
dem vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel sind zwei in
Reihe geschaltete Referenzwiderstände 302, 304,
Rref dargestellt. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel kann ein Verhältnis "Rref/Rsense" von
ungefähr
4:1 oder höher
aufweisen. Der Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass die Prinzipskizze
zur Vereinfachung nur zwei Messwiderstände 301, 303 und
zwei Referenzwiderstände 302, 304 zeigt,
wobei für
ein größeres Verhältnis von
Ref/Rsense diesen Anordnungen bzw. Gruppen der Schaltungseinheit 300 mehr
Widerstände hinzugefügt werden
können;
wobei nachstehend im Text weitere Ausführungsbeispiele beschrieben
werden. Ein lokaler Kelvin-Strommessverbindungsknoten 306 ist
zwischen den parallelen Messwiderständen 301, 303 bereitgestellt,
wodurch die Genauigkeit des Widerstandsverhältnisses der Schaltung erhöht wird.
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Die
Messwiderstände 301, 303 weisen
Zwischenverbindungen 305T, 305B auf (aus metallischem,
keramischem, dotierten Halbleitermaterial oder dergleichen, wie
dies im Fach allgemein bekannt ist), wobei T für "TOP" (oben)
und B für "BOTTOM" (unten) stehen und
nur die relative Ausrichtung in Bezug auf die Zeichnungen zur Beschreibung
der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, wobei jede Zwischenverbindung
ferner einen Widerstand aufweist – hier veranschaulichend mit
den mit "Rmetal" bezeichneten Symbolen
dargestellt – der
den Widerstand von Rsense nicht wesentlich erhöht, aufgrund der physisch kleinen
Größe je Messwiderstandseinheit.
Zum Beispiel kann ein Verhältnis Rref/Rsense
wiederum ungefähr
4:1 betragen. Anders ausgedrückt
ist unter Verwendung von physisch bzw. physikalisch verhältnismäßig kleinen
Messwiderständen 301, 303,
die sich verhältnismäßig dicht aneinander
befinden, der Widerstand Rmetal der Zwischenverbindungen 305T, 305B deutlich
kleiner als der Nettowiderstand von Rsense: Rmetal << Rsense.
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Der
Fachmann auf dem Gebiet erkennt, dass das Design der Schaltungseinheit 300 es
ermöglicht, dass
das Verhältnis
Rref/Rsense präzise
geregelt bzw. gesteuert wird, wobei der Faktor des Zwischenverbindungswiderstands – Netto-Rmetal – vernachlässigbar
ist und ignoriert werden kann. Aufgrund der resultierenden verhältnismäßig kleinen
Größe der Schaltungseinheit 300 und
dadurch, dass die Widerstände
aus dem gleichen Material hergestellt werden und verhältnismäßig übereinstimmende
physische bzw. physikalische Abmessungen aufweisen, reduziert dieses
Design bzw. diese Bauweise erheblich Fehler, die durch Prozess-
bzw. Betriebsschwankungen an Rsense, Rref begründet sind und durch Temperaturschwankungen
an Rsense, Rref und dem Verbindungswiderstand Rmetal.
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Wie
in der Abbildung aus 1 stehen der OP AMP 101 und
die Zwischenverbindungsleitungen aus 3 und den
folgenden Figuren repräsentativ für alle negativen
Rückkopplungsverstärkungskomponente(n)
auf, die eingesetzt werden, um die Spannung über Referenzwiderstände und
Messwiderstände
zu leiten, wodurch der gleiche Spannungsabfall an beiden Widerstandstypen
bewirkt wird.
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Die
Abbildung aus 4 zeigt eine exemplarische Implementierung,
die allgemein in Kombination parallel eine Mehrzahl von Schaltungseinheiten 3001 , 3002 ,
..., 300N verwendet, wie dies in
der Abbildung aus 3 dargestellt ist. Bei dieser
Implementierung der Schaltung 400 werden die Schaltungseinheiten 3001 , 3002 ,
..., 300N parallel verbunden, wodurch
die Nettowiderstandswerte von Rsense und Rref reduziert werden,
ohne das Verhältnis Rref/Rsense
zu verändern
(zur Vereinfachung gilt: wenn auf alle der Mehrzahl von Elementen
mit tiefgestellten Zeichen Bezug genommen wird, wird eine generische
bzw. allgemeine tiefgestellte Zeichenkombination "ss" verwendet, z.B. 300ss ). Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass parallele
Schaltungseinheiten 300ss das Verhältnis Rref/Rsense
nicht verändern.
Jede Schaltungseinheit 300ss ist über eine Zwischenverbindung 406 verbunden – mit einem
effektiven Widerstand "RmetalTOP" zwischen
jeder Einheit – wobei
alle lokalen Kelvin-Strommessknoten 306ss miteinander
bzw. zwischenverbunden werden. Da Kelvin-Verbindungeneingesetzt werden, weist
der Widerstand RmetalTOP zwischen jeder
Einheit im Wesentlichen keine Auswirkungen auf. Somit bewirkt die Spannungsschwankung
an den Messknoten 306ss keine Veränderung
der Ströme
des Verhältnisses Rref/Rsense.
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Aufgrund
des verhältnismäßig hohen
Widerstandswerts der Referenzwiderstände 302ss , 304ss im Vergleich zu Rmetal am oberen
Ende von Ref und dem oberen Ende von Rsense, weist der Strom durch R302ss und R304ss in ähnlicher
Weise einen zu vernachlässigenden
Effekt auf die Kelvin-Spannung an dem Knoten 306ss auf.
Bei einer derartigen Konfiguration kann jedoch der Widerstand "Rmetalsense" des unteren Zwischenverbindungsmetalls 405B die Spannung
an den lokalen Kelvin-Messknoten 306ss beeinflussen.
Da sich ein Ende von Rref 302ss und ein
Ende von Rsense 301ss , 303ss jeweils die gleiche Kelvin-Spannung
teilen, bleibt in jeder Schaltungseinheit 300 das Verhältnis der
Ströme
Rref und Rsense für
jede Einheit unverändert
und somit bleibt es ebenfalls unverändert für die Summe der Mehrzahl von
Schaltungseinheiten 300ss . In Bezug
auf eine Implementierung kann somit parallel eine Mehrzahl von Schaltungseinheiten 300ss verknüpft werden, wie dies in der
Abbildung aus 4 dargestellt ist, um den Nettowiderstandswert
Rsense zu reduzieren.
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Die
Abbildung aus 5 zeigt ein zweites exemplarisches
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung für
die Schaltung gemäß der Abbildung
aus 4. Um in der vorliegenden Schaltung 500 den
Effekt von Spannungsabfällen
durch den Widerstand "Rmetalsense" und
Rmetaltop zu negieren, kann die untere Zwischenverbindung 405B mit einem Kelvin-Messverbindungsknoten 506ss für
jede Schaltungseinheit 300ss bereitgestellt
werden: Obgleich Rmetalsense und Rmetaltop die obere Spannung an dem ersten Kelvin-Verbindungsknoten 306ss beeinflussen, teilen sich Rsense und Rmetalref die
gleiche Kelvin-Spannung
an diesem Knoten, so dass der Nettoeffekt negiert wird. Die untere
Kelvin-Messverbindung 506ss hält
eine Spannung in einem negativen Rückkopplungsverstärkungsschleifenzustand.
Ein Mittelwertbildungsnetz – hier
als eine Reihe von Widerständen
dargestellt, Raverage 5011 , 5012 , ..., 501n ,
mit denen die Messwiderstände 3011 , 3012 ,
..., 301N entsprechend über Kelvin-Messverbindungsknoten 5061 , 5062 ,
..., 506N an der unteren Zwischenverbindung
der Widerstände
Raverage verbunden sind – mit einer bereitgestellten
Spannung, die an den Kelvin-Messverbindungsknoten 501ss einen Durchschnittswert aufweist,
so dass die Ausgabe V503 wie folgt gegeben ist: V503
= (V5011 + V5012 +
... V501n)/n.
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Die
untere Kelvin-Messverbindung stellt wiederum einen Verbindungspunkt 503 für die negative Rückkopplungsverstärkungsschleife
bereit, wie dies vorstehend im Text beschrieben worden ist.
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Bei
einem Beispiel für
eine Implementierung der Komponenten aus der Abbildung aus 5 kann es
sich um zehn Widerstände
Rsense mit jeweils ungefähr
einem Ohm handeln, Widerstände
Rref mit jeweils ungefähr
1.000 Ohm und Widerstände
Raverage mit jeweils etwa 200 Ohm.
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Die
Abbildung aus 6 zeigt eine vereinfachte Darstellung
in Bezug auf 5. In folgendem Bezug auf die
Abbildungen der 5 und 6 ist eine
repräsentative
Summe aller parallelen Anordnungen von Referenzwiderständen 302ss , 304ss ,
die in 5 mit jedem Knoten 306ss verbunden
sind, als ein einzelner Äquivalenz-Referenzwiderstand
Rref 602 dargestellt. In ähnlicher Weise steht ein einzelner Knoten 606 in
der Abbildung aus 5 wiederum repräsentativ
für alle
Knoten 306ss , wobei der durch Rref fließende
Strom ausreichend gering ist, so dass Rmetalref ignoriert
werden kann. Die Spannung an dem Knoten 603 aus der Abbildung
aus 6 ist gleich der Spannung an der unteren Zwischenverbindung 404B aus 5.
Der Spannungsabfall an Rref 602 ist das Produkt von: der
Summe der Ströme
in jedem Rref aus 5 und des ohmschen Werts von Rref 602 aus 6.
Die Spannung an dem Knoten 606 ist die Summe des Spannungsabfalls
an Rref 602 und der Spannung an dem Knoten 603.
Die Spannung an dem Knoten 603 aus 6 ist der Mittelwert
der Spannungen an den Knoten 506ss aus 5.
Der Operationsverstärker
OP AMP 101 aus der Abbildung aus 6 veranschaulicht
wiederum jede Verstärkungskomponente,
welche dafür
sorgt, dass die Spannung an dem Knoten 603 gleich der Spannung
an dem Knoten 506 ist. Bei Schwankungen der Spannung nur
erster Ordnung an den Knoten 506ss in 5 hält der Strom
durch Rref 602 und Rsense 601 in 6 somit
das gleiche Verhältnis: Rref/Rsense.
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Die
Abbildung aus 7 veranschaulicht ein wichtiges
Merkmal gemäß dem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
aus den Abbildungen der 5 und 6. Das vorliegende
Ausführungsbeispiel
zeigt einen Eingangsknotenempfangsstrom "Iset".
Die Messwiderstands-Untereinheiten 701ss ,
die Messwiderstands-Eingangsanschlüsse 706ss aufweisen, sind
mit dem Eingangsknoten verbunden und weisen einen Ausgangsanschluss 501ss auf. Parallel zu der genannten Messwiderstands-Untereinheit 701ss ist eine Referenzwiderstands-Untereinheit 702ss vorgesehen, mit einem Eingangsanschluss,
der mit einem Eingangsanschluss 706ss und
einem Ausgangsanschluss 703ss verbunden
ist. Die Referenzwiderstands-Untereinheit 702ss ist
an dem Knoten 706ss durch eine
Kelvin-Verbindung
mit dem genannten Messwiderstands-Eingangsanschluss verbunden. Über eine
andere Kelvin-Verbindung mit dem Knoten 501ss ist
eine "Mittelwertbildungsschaltung" 711 so bereitgestellt,
dass der Mittelwert der Spannung an jedem Knoten 501ss die Spannung für den Knoten 503 darstellt.
Siehe dazu auch 5. Die Spannung an dem Knoten 503 und
an dem Anschluss 703ss stellt Verbindungspunkte
für die
negative Rückkopplungsschleife
bereit, wie dies vorstehend im Text bereits beschrieben worden ist.
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Die
Abbildung aus 7 veranschaulicht ein zweites
wichtiges Merkmal gemäß dem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
aus den Abbildungen der 5, 6 und 7.
Die Mittelwertbildungsschaltung weist gemäß der Abbildung ferner eine Mehrzahl
von Mittelwertbildungswiderständen 713ss auf.
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Die
vorstehende genaue Beschreibung exemplarischer und bevorzugter Ausführungsbeispiele dient
Zwecken der Veranschaulichung und der Offenbarung gemäß den rechtlichen
Vorschriften. Sie ist weder umfassend, noch schränkt sie die vorliegende Erfindung
genau auf die beschriebene(n) Ausführung(en) ein, vielmehr soll
sie dem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung vermitteln, wie die
Erfindung für
einen bestimmten Zweck oder eine bestimmte Implementierung geeignet
ist. Die Möglichkeit
für Modifikationen
und Abänderungen
sind für den
Fachmann auf dem Gebiet erkennbar. Die Beschreibung exemplarischer
Ausführungsbeispiele
hat keine einschränkende
Funktion in Bezug auf die offenbarten Toleranzen, Abmessungen von
Elementen, spezifische Betriebsbedingungen, technische Daten oder
dergleichen, und wobei diese Faktoren zwischen den verschiedenen
Implementierungen variieren können
sowie in Bezug auf Veränderungen des
Stands der Technik. Diesbezügliche
Einschränkungen
sind nicht beabsichtigt.