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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf
Differenzverstärker, insbesondere Fehlerverstärker, die
in Steuer- und Regelsystemen verwendet werden, in welchen
es notwendig oder nützlich ist, zum Einschaltzeitpunkt
den Anstieg der Spannung am Ausgangsknoten des
Verstärkers in Richtung zur Versorgungsspannung durch das
Aufladen der den Ausgangsknoten zugeordneten Kapazitäten zu
steuern.
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In Steuer- und Regelsystemen sind solche
Differenzverstärker (Fehlerverstärker) weit verbreitet, die eine
Ausgangsstufe besitzen, die aus einem Paar von
Transistoren besteht, die in einem Push-Pull-Modus arbeiten (z. B.
ein "Pull-up"-Transistor, der zwischen dem Ausgangsknoten
und der Versorgungsspannungsschiene angeschlossen ist,
sowie ein "Push-down"-Transistor, der zwischen dem
Ausgangsknoten und Masse angeschlossen ist), wobei der
Ausgangsknoten häufig direkt mit dem Eingang eines
Komparators verbunden ist.
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Beim Einschalten kann ein unausgeglichener Zustand der
Eingänge des Verstärkers einen plötzlichen
Sättigungsanstieg des Ausgangsknotens in Richtung zur
Versorgungsspannung verursachen. Ein steiler Anstieg der
Ausgangsspannung in Richtung zur Versorgungsspannung kann
unerwünschte Überschwingungserscheinungen des vom Regelsystem
gesteuerten Parameterwertes verursachen.
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Bekannte Lösungen bestehen im allgemeinen im Verlangsamen
des Spannungsanstiegs des Ausgangsknotens beim
Einschalten, durch Einsetzen einer Schaltungsvorrichtung zum
Steuern des Anstiegs (Steigungsrate) der Spannung
entwe
der an einem internen Steuerknoten des Verstärkers oder
am Ausgangsknoten selbst, in dem z. B. die
Ausgangsknotenspannung auf die Spannung einer sogenannten
"Weichstart-Kapazität" gezogen wird, die mit einem
konstanten Strom aufgeladen wird.
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In vielen Anwendungen, insbesondere im Fall von
Fehlerverstärkern, kann das Einsetzen einer solchen Vorrichtung
innerhalb der inneren Kernschaltung des Verstärkers
erhebliche Schwierigkeiten hervorrufen, wenn
berücksichtigt wird, daß wenige Millivolt ausreichen können, um die
Ausgangsstufe des Verstärkers vollständig aus dem
Gleichgewicht zu bringen. In diesen Fällen muß die Anstiegszeit
der Spannung am Ausgangsknoten notwendigerweise am
Ausgangsknoten selbst beeinflußt werden, ohne den Kern des
Verstärkers zu ändern.
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Es ist eine Lösung bekannt auf der Grundlage der
Verwendung einer Diode oder eines PNP-Transistors mit einem mit
dem Ausgangsknoten verbundenen Emitter, einem mit einem
gemeinsamen Masseknoten des Verstärkers verbundenen
Kollektor und einer mit dem Anschluß eines externen
"Weichstart"-Kondensators verbundenen Basis. Der externe
Weichstart-Kondensator kann über einen Ladepfad
aufgeladen werden, der funktional außerhalb der Struktur des
Verstärkers liegt. Der PNP-Transistor verhindert einen zu
steilen Anstieg der Spannung am Ausgangsknoten des
Verstärkers.
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Diese bekannte Lösung besitzt mehrere Nachteile und
Einschränkungen. Es gibt in der Tat eine konstante
Tendenz zur weit möglichsten Reduzierung der Größe der
externen Komponenten, in diesem Fall des Weichstart-
Kondensators, sowie der Minimierung des Stromverbrauchs.
Die Verwendung einer Diode oder eines PNP-Transistors
erzeugt unvermeidbar einen "Basis"-Strom in der
Größen
ordnung von einiger Milliampere und ist häufig
unvereinbar mit einem Weichstart-Kondensator, der einen Ladestrom
von wenigen Milliampere erfordert. Mit anderen Worten,
der Basisstrom des Transistors kann an sich einen
übermäßigen Beitrag zum Ladestrom eines Weichstart-Kondensators
liefern, der aus anderen Gründen so klein wie möglich
sein sollte.
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Angesichts dieser Schwierigkeiten und Nachteile, die
festgestellt wurden, ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Steuerschaltung zu schaffen, die die
Ausgangsspannung eines Verstärkers steuern kann, indem
sie einen externen Weichstart-Kondensator kleiner Größe
verwendet, während sie den Gesamtladestrom des externen
Weichstart-Kondensators in der Größenordnung von einigen
Mikroampere hält.
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Grundsätzlich implementiert die Schaltung der Erfindung
eine Rückkopplung, die den Ansteuerpegel des Pull-up-
Transistors der Ausgangsstufe des Verstärkers steuert,
der den Ladestrom des Weichstart-Kondensators ausgibt, um
den Ladestrom zu begrenzen, der über eine Diode an den
externen Kondensator geliefert wird, der mit dem
dedizierten "Weichstart"-Anschlußstift der integrierten
Schaltung verbunden ist, wodurch ein allmählicher Anstieg
der Ausgangsspannung erreicht wird.
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Die Rückkopplungsschleife besteht im wesentlichen aus
einem komplementären Paar von Stromspiegeln, über die der
Ladestrom, der durch die Ladediode zum externen
Weichstart-Kondensator fließt, in einem geeigneten Verhältnis
auf der Grundlage des gleichen Transistors der Push-Pull-
Ausgangsstufe des Verstärkers, der den Ladestrom liefert,
"gespiegelt" wird, um dessen Ansteuerbedingungen
teilweise zu reduzieren.
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Innerhalb der Regelschleife wird ein gewisses
Stromgleichgewicht erreicht, so daß der Strom, der vom
entsprechenden Vorspannstromgenerator des
Ausgangstransistors, der den Ladestrom des Ausgangsknotens liefert,
erzwungen wird, wenigstens teilweise durch einen Strom
ausgeglichen wird, der eine Funktion des effektiven
Ladestroms ist und der über den Stromspiegel der
Rückkopplungsschaltung der Erfindung der Basis des
Transistors zugeführt wird.
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Der Ausgangsknoten lädt sich daher allmählich selbst in
Richtung zur Versorgungsspannung auf.
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Ein Hilfsstromgenerator kann verwendet werden, um ein
vollständiges Aufladen des externen
Weichstart-Kondensators sicherzustellen, wenn sich beim Einschalten der
Ausgangsknoten des Verstärkers bei einem bestimmten Pegel
stabilisiert, der von der Regelkette vorgegeben wird, von
der der Verstärker ein Teil ist.
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In jedem Fall schaltet sich die Ladediode (die ein Teil
des ersten Stromspiegels ist) bei Erreichen eines
vollständig aufgeladenen Zustands seitens des externen
Weichstart-Kondensators selbst ab, wodurch in der Praxis die
Steuer-Weichstart-Schaltung von der funktionellen
Schaltung des Verstärkers isoliert wird.
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Die unterschiedlichen Aspekte und Vorteile der
Steuerschaltung der Erfindung werden deutlicher beim Lesen der
folgenden Beschreibung einer wichtigen Ausführungsform,
die hiermit durch ausdrücklichen Bezug eingefügt ist, und
durch Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die das
Schaltbild eines Fehlerverstärkers zeigt, der mit einer
Steuerschaltung für den Anstieg der Ausgangsspannung beim
Einschalten gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet
ist.
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Die Schaltung der beigefügten Figur stellt einen
Differenzfehlerverstärker dar, der mit einer
Versorgungsspannung V3 betrieben wird und eine Ausgangsstufe umfaßt, die
aus einem komplementären Paar von Push-Pull-Transistoren
QG19 und QG15 besteht, deren Kollektoren jeweils
gemeinsam mit dem Ausgangsknoten COMP des Verstärkers verbunden
sind. Der Stromgenerator MG2 erzeugt eine richtige
Vorspannung des komplementären Paares von
Ausgangstransistoren. Es ist klar, daß die innere Struktur des Verstärkers
als im wesentlichen unbedeutend betrachtet werden kann,
wobei eine genaue Beschreibung derselben im vorliegenden
Zusammenhang überflüssig ist.
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Die Steuerschaltung für den Anstieg der Spannung am
Ausgangsknoten COMP beim Einschalten umfaßt den externen
Weichstart-Kondensator CSS, der mit einem dedizierten SS-
Anschlußstift der integrierten Schaltung verbunden ist,
einen dioden-konfigurierten Transistor QG23 sowie gemäß
der gezeigten Ausführungsform der Erfindung die
Transistoren QG24, QG23, QG21, die Widerstände RG7, RGO und den
Transistor MG11.
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Beim Einschalten ist die Kapazität CSS vollständig
entladen und der Pull-up-Transistor QG19 der Ausgangs-Push-
Pull-Stufe des Verstärkers neigt dazu, den maximalen
Strom zu liefern (d. h. er neigt zur Sättigung), um
seinen Kollektor (Ausgangsknoten COMP) auf die
Versorgungsspannung V3 zu bringen. Der Strom von QG19 über die
Diode QG23 lädt den externen Kondensator CSS auf.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Schaltung der Erfindung
wird der Strom, der durch die Ladediode QG23 fließt, an
QG24 gespiegelt, wobei über einen zweiten Stromspiegel,
der durch das Transistorpaar QG21 und QG22 gebildet wird,
komplementär zum ersten Spiegel, der durch das Paar QG23
und QG24 gebildet wird, ein Strom proportional zu dem
Ladestrom, der durch die Diode QG23 fließt und durch
Verwenden eines geeigneten Spiegelverhältnisses geeignet
reduziert wird, an die Basis des Ausgangstransistors QG19
geliefert wird. Der an die Basis des Ausgangstransistors
QG19 gelieferte Strom kompensiert teilweise die
Ansteuerbedingungen, die ansonsten die Sättigung des Transistors
QG19 beim Einschalten der Schaltung des Verstärkers
verursachen würden. Mit anderen Worten, der am
Basisknoten von QG19 zum Teil gespiegelte Strom gleicht teilweise
den Ladestrom aus, der vom entsprechenden
Vorspannungsgenerator MG2 erzwungen wird.
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In der Praxis sorgt das in der Steuerschleife erreichte
Stromgleichgewicht für eine wesentlichen Anteil (I) des
Gesamtstroms 3I, der vom Vorspannungsgenerator MG2
benötigt wird, um vom Transistor QG21 des zweiten
Stromspiegels der Schaltung zugeführt zu werden.
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Die Regelschleife kann den Gesamtladestrom des externen
Weichstart-Kondensators CSS, der mit dem entsprechenden
SS-Anschlußstift verbunden ist, innerhalb eines
Maximalwerts in der Größenordnung von mehreren 10 Mikroampere
(uA) halten. Somit kann die Schaltung einen allmählichen
Anstieg der Spannung an der Ausgangsspannung COMP von
ungefähr 0,7 V bis zur Versorgungsspannung V3 in einem
streng geregelten und extern programmierbaren Modus
sicherstellen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Schaltung
der Erfindung kann ein Hilfsstromgenerator MG11, der
einen Strom von der Größe eines Bruchteils des
Ladestrompegels des externen Weichstart-Kondensators CSS liefern
kann, vorteilhaft verwendet werden, um ein vollständiges
Aufladen des CSS-Kondensators auch in dem Fall
sicherzustellen, indem die Ausgangsspannung COMP sich auf einem
bestimmten Wert stabilisiert, der durch die Regelkette
beim Einschalten auferlegt wird, von der der
Fehlerverstärker ein Teil sein kann.
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Wenn der CSS-Kondensator voll aufgeladen ist, hört die
Diode QG23 auf zu leiten, wodurch die obenbeschriebene
Steuerschaltung praktisch von der funktionellen Schaltung
des Verstärkers isoliert wird.
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Die Steuerschaltung der Erfindung löst alle genannten
Aufgaben. In der Praxis ermöglicht sie, sehr kleine
Ladeströme zu steuern, in der Größenordnung einiger
weniger 10 Mikroampere (uA), was die Verwendung von
externen Weichstart-Kondensatoren mit extrem niedrigem
Wert ermöglicht. Andererseits wird die funktionelle
Schaltung des Verstärkers in keiner Weise verändert,
weshalb unerwünschte Beeinflussungen der Weichstart-
Steuerschaltung auf den Normalbetrieb des Verstärkers
praktisch ausgeschlossen sind.