DK168722B1 - Differentialforstærkerkobling - Google Patents

Description

DK 168722 B1

Opfindelsen angår et kredsløb til differential-forstærkning af et første og andet modtaget signal, som angivet i den indledende del af krav 1.

Et tidligere foreslået kredsløb til differen-5 tiel forstærkning af to indgangssignaler omfatter en operationsforstærker med et specielt arrangement af tilbagekoblings- og indgangsmodstande, af hvilke de relative værdier er således, at man opnår en sand differentiel udgang fra forstærkeren. Por at opnå en høj 10 indgangsimpedans for hvert signal, som det ønskes af grunde, der skal beskrives senere, må indgangssignalerne føres til det tidligere foreslåede kredsløb over respektive forstærkere med høj indgangsimpedans og forstærkningen en. Der kræves således ialt tre forstærke-15 re, hvilket ikke blot indebærer en prismæssig afstraffelse, men også kan begrænse den opnåelige ydelse.

Linear Application Databook af 1986 udgivet af National Semiconductor Corporation viser på side 90 et foreslået kredsløb til en instrumentforstærker med høj 20 indgangsimpedans med anvendelse af kun to operationsforstærkere. Indgangssignalerne føres til de to forstærkeres respektive ikke-inverterende indgange, udgangssignalet tages fra den ene forstærkers udgang, og en første, anden, tredje og fjerde modstand er koblet 25 henholdsvis mellem jord og den anden forstærkers inverterende indgang, mellem den inverterende indgang og udgangen på denne anden forstærker, mellem udgangen på den anden forstærker og den inverterende indgang på den ene forstærker og mellem den inverterende indgang og 30 udgangen på den ene forstærker. Den første og fjerde modstand gives samme værdi, medens den anden og tredje modstand også gøres lig med hinanden, og differential-forstærkningen af arrangementet bestemmes derpå af forholdet mellem den første og anden modstands værdi.

35 IEEE Electro, bind 7, maj 1982, beskriver også på side 4, fig. 8, et kredsløb, der ligner det ovenfor beskrevne.

DK 168722 B1 2

Det er opfindelsens formål at tilvejebringe en alternativ udformning af en differentialforstærker med høj indgangsimpedans, der alternativt kan foretrækkes frem for de ovenfor beskrevne ifølge den tidligere tek-5 nik foreslåede, f.eks. for lettere at tillade tilpasning af an speciel udformning til et totalintegreret kredsløb, der indeholder differentialforstærkeren.

Ifølge opfindelsen er der tilvejebragt et kredsløb til differentialforstærkning af et første og andet 10 modtaget signal omfattende: en første og en anden operationsforstærker, der hver har en inverterende indgang, en ikke-inverterende indgang og en udgang, hvor hver operationsforstærker er indrettet til at modtage et af det første og det andet 15 modtagne signal, og hvor kredsløbets udgangssignal tages fra den første operationsforstærkers udgang, og den anden operationsforstærkers ikke-inverterende indgang er koblet til det andet modtagne signal, og et første, andet, tredje og fjerde kredsløbsor-20 gan til definering af kredsløbets forstærkning, hvor det tredje kredsløbsorgan danner en resistiv vej, der forbinder den anden operationsforstærkers inverterende indgang og udgang, hvilket kredsløb er særegent ved, at den første operationsforstærkers inverterende indgang 25 er koblet til det første modtagne signal, at det første kredsløbsorgan danner en resistiv vej, der forbinder den første operationsforstærkers ikke-inverterende indgang og den anden operationsforstærkers udgang, at det andet kredsløbsorgan danner en resistiv vej, der for-30 binder den første operationsforstærkers ikke-inverterende indgang og en fælles jord, og at det fjerde kredsløbsorgan danner en resistiv vej, der forbinder den første operationsforstærkers udgang og den anden operationsforstærkers inverterende indgang, hvor for-35 holdet mellem det andet og det første kredsløbsorgans modstandsværdi i det væsentlige er lig med forholdet DK 168722 B1 3 mellem det fjerde og det tredje kredsløbsorgans modstandsværdi .

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til tegningen, på hvilken 5 fig. 1 viser et forenklet diagram af et tidlige re foreslået differentialforstærkerkredsløb, fig. 2 et forenklet diagram af et differentialforstærkerkredsløb ifølge opfindelsen, og fig. 3 en del af et forenklet diagram af en 10 ændret udformning af kredsløbet i fig. 2, hvor ændringen også er ifølge opfindelsen.

I det tidligere foreslåede differentialforstærkerkredsløb i fig. 1 påføres de to indgangssignaler VI og V2 via forstærkere 5 og 6 med forstærkningen 15 en og hver sin indgangsmodstand 3 og l på henholdsvis den inverterende og ikke-inverterende indgang til en operationsforstærker 7. En tilbagekoblingsmodstand 4 er koblet mellem forstærkeren 7's udgang og inverterende indgang, og en yderligere modstand 2 er kob-20 let mellem dens ikke-inverterende indgang og en fælles nulvolt-referencelinie for signalerne VI og V2. Er RI, R2, R3 og R4 modstandsværdierne for modstandene henholdsvis 1, 2, 3 og 4, er udgangssignalet VO fra forstærkeren 7 lig med (VI - V2)R4/R3, dvs. der 25 opnås en sand differentiel udgang, forudsat R4/R3 er lig med R2/R1, og forstærkeren 7's forstærkning ved differentiel arbejdsmåde med åben sløjfe er meget høj.

Hver af forstærkerne 5 og 6 med forstærkningen en omfatter også en operationsforstærker med stor åben-30 sløjfeforstærkning, men med en direkte tilbagekoblingforbindelse mellem sin udgang og sin inverterende indgang, medens signalerne Vi eller V2 som behørigt føres til den ikke inverterende indgang til forstærkeren. Funktionen af forstærkerne 5 og 6 er at til-35 vejebringe en høj indgangsimpedans for signalerne VI og V2. Hvis forstærkerne 5 og 6 ikke var tiiste- DK 168722 B1 4 de, dvs. hvis signalerne vi og V2 blev ført direkte til indgangsmodstandene 3 og 1, ville der stadig opnås en udgang VO = (V2 - Vl)R4/R3, men de indgangsimpedanser, som signalerne VI og V2 ser, er nu for-5 holdsvis lave og også forskellige, idet den for vi er ca. lig med R3 og for V2 er ca. (RI + R2). Hvis Vi og V2 derfor drives fra kilder, der giver samme elektromotoriske kraft og har endelig kildeimpedans, vil VI og V2 blive forskellige, selvom disse kil-10 deimpedanser var ens, hvilket meget vel ikke kan være tilfældet. Resultatet er naturligvis, at der, når de to kilder giver samme elektromotoriske kraft, frembringes et udgangssignal af forstærkeren 7, og dette er normalt uønskeligt. Tilstedeværelsen af forstærkerne 5 15 og 6 med forstærkningen en af hjælper ovennævnte problem, men kredsløbet kommer naturligvis da til at omfatte tre operationsforstærkere.

I det i fig. 2 viste eksempel på et differentialforstærkerkredsløb ifølge opfindelsen føres indgangs-20 signaler VI og V2 over indgangsterminaler 20 direkte til henholdsvis den inverterende indgang til en forstærker 25 og den ikke-inverterende indgang til en forstærker 26. Den ikkeinverterende indgang til forstærkeren 25 er over modstanden 22 koblet til en 25 fælles referencelinie, der atter i dette eksempel er en nulvolt-reference, for signalerne vi og V2, og gennem en modstand 21 til udgangen fra forstærkeren 26. Forstærkeren 26's inverterende indgang er gennem en modstand 23 koblet til udgangen fra samme forstærker 30 26 og gennem en modstand 24 til udgangen fra forstærkeren 25. Kredsløbsudgangsterminalen 27 er også koblet til udgangen fra forstærkeren 25. Det kan vises ved analyser ad linier angivet ved formler og spændingsværdier givet i fig. 2 og verificeret ved betragt-35 ning af kredsløbsdiagrammet, at signalet VO ved forstærkeren 25's udgang er lig med (V2 - vi) (R21 + DK 168722 B1 5 ! R22)/R21, dvs., at der atter er opnået en sand diffe-rentialudgang, forudsat R24/R23 er lig med R22/R21, hvor R21, R22, R23 og R24 er modstandsværdierne for modstandene henholdsvis 21, 22, 23 og 24. Den 5 fulde analyse vil stå klart for fagfolk. Idet det kort antages, at forstærkningen med åben sløjfe for forstærkerne 25 og 26 er meget høj, må potentialet ved forstærkeren 25's ikke-inverterende indgang med henblik på forholdet til stabil tilstand være lig med potentialet 10 VI ved dens inverterende indgang, medens potentialet ved den inverterende indgang til forstærkeren 26 må være lig med potentialet V2 ved forstærkeren 26's ikke-inverterende indgang. Hvis potentialet ved den ikke-inverterende indgang til forstærkeren 25 er VI, 15 må potentialet ved forstærkeren 26's udgang være vi(R21 + R22)/R22. Således er potentialfaldet over modstanden 23 bestemt og følgelig også strømmen i3, der løber igennem den. Denne strøm løber også gennem modstanden 24, og følgelig kan spændingsfaldet over 20 denne beregnes og således også udgangsspændingen VO.

Som ved kredsløbet i fig. 1 ser signalerne VI og V2 hver især ind i en høj impedans, imidlertid har fig. 2 kun to forstærkere i stedet for tre. Dette ikke alene reducerer prisen, men kredsløbet i fig. 2 kan 25 desuden, idet det antages, at den detaljerede udformning foretages rigtigt, få noget bedre frekvens- og offset-egenskaber. Dette skyldes simpelthen, at begge disse parametre forringes af forstærkerne, hvoraf fig.

2 kun har to i stedet for tre.

30 Nøjagtigt som ved forstærkerne i fig. 1 antages det, at forstærkerne 25 og 26 i fig. 2 har stor åben-sløjfeforstærkning. Betegnelsen "stor" betyder her mindst adskillige gange større end kredsløbets tilsigtede forstærkning ved differentialarbejdsmåden, for-35 trinsvis flere størrelsesordener større. Forholdet mellem forstærkerens forstærkning med åben sløjfe og den DK 168722 B1 6 tilsigtede forstærkning i differentialarbejdsmåden, bestemmer nøjagtigheden af kredsløbet, f.eks. hvis forstærkningen med åben sløjfe er 100 gange forstærkningen i differentialarbejdsmåden for kredsløbet, vil 5 kredsløbet have en medfødt unøjagtighed på ca. 1%. Alt dette passer naturligvis lige vel på kredsløbet i fig.

1, og fagfolk vil være i stand til at vælge passende forstærkere. Selvom det ikke er væsentligt, kan forstærkerne 25 og 26 vel vælges inden for området af 10 integrerede operationsforstærkere, der i øjeblikket findes i handelen, og som har så store åben-sløjfeforstærkninger, at punktet bliver noget irrelevant.

Det i fig. 2 viste kredsløb er specielt egnet, hvor signalerne VI og V2 er fra jævnstrøm til lav-15 frekvente signaler. Hvis kredsløbet kun skal behandle vekselstrømssignaler, kan disse vekselstrømskobles til forstærkerne 25 og 26 som vist i fig. 3. Kredsløbet i fig. 3 er kun delvis vist, men er identisk med det i fig. 2 viste med undtagelse af, at hver terminal 20 20 er koblet til sin tilhørende forstærker gennem en kondensator 30, medens der i hvert tilfælde er koblet en modstand 31 mellem nul-voltreferencelinien og forbindelsespunktet mellem kondensatoren og forstærkeren. De relative værdier af kondensatorerne 30 og modstandene 25 31 vælges afhængigt af indgangssignalfrekvensområdet, der skal behandles - modstandene 31 skal normalt helst have ret høje værdier, muligvis en Megaohm eller mere.

Selvom det ikke altid er af betydning, kan det 30 være ønskeligt i det i fig. 3 viste tilfælde at tilvejebringe vekselstrømskobling ved kredsløbets udgangsside, dvs. ved at indføje en ikke vist seriekondensator mellem forstærkeren 25 og udgangsterminalen 27. Kondensatoren skal regnet i strømretningen 35 ligge neden for forbindelsen til modstanden 24 for at undgå forstyrrelse af kredsløbets jævnstrømstilstand.

Claims (6)

1. Kredsløb til differentialforstærkning af et 15 første og andet modtaget signal (VI, V2) omfattende: en første og en anden operationsforstærker (25, 26), der hver har en inverterende indgang, en ikke-inverterende indgang og en udgang, hvor hver operationsforstærker (25, 26) er indrettet til at modtage et 20 af det første og det andet modtagne signal (VI, V2), og hvor kredsløbets udgangssignal tages fra den første operationsforstærkers (25) udgang, og den anden operationsforstærkers (26) ikke-inverterende indgang er koblet til det andet modtagne signal (V2), og 25 et første, andet, tredje og fjerde kredsløbsor gan (21, 22, 23, 24) til definering af kredsløbets forstærkning, hvor det tredje kredsløbsorgan (23) danner en resistiv vej, der forbinder den anden operationsforstærkers (26) inverterende indgang og udgang, k e n -30 detegnet ved, at den første operationsforstærkers (25) inverterende indgang er koblet til det første modtagne signal (VI), at det første kredsløbsorgan (21) danner en resistiv vej, der forbinder den første operationsforstærkers (25) ikke-inverterende indgang og 35 den anden operationsforstærkers (26) udgang, at det andet kredsløbsorgan (22) danner en resistiv vej, der DK 168722 B1 forbinder den første operationsforstærkers (25) ikke-inverterende indgang og en fælles jord, og at det fjerde kredsløbsorgan (24) danner en resistiv vej, der forbinder den første operationsforstærkers (25) udgang og 5 den anden operationsforstærkers (26) inverterende indgang, hvor forholdet mellem det andet og det første kredsløbsorgans modstandsværdi i det væsentlige er lig med forholdet mellem det fjerde og det tredje kredsløbsorgans modstandsværdi.

2. Kredsløb ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hvert kredsløbsorgan (21, 22, 23, 24) omfatter en enkelt eller flere modstandskomponenter.

3. Kredsløb ifølge krav 1, kendetegnet ved, at et eller hvert af mere end et af kredsløbs- 15 organerne (21, 22, 23, 24) omfatter en kombination af komponenter, der indeholder i det mindste enten en kondensator eller en selvinduktion.

4. Kredsløb ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det første og andet modtagne signal (VI, V2) er 20 vekselstrømskoblet til de respektive forstærkere (25, 26).

5. Kredsløb ifølge krav 4, kendetegnet ved, at det første og andet modtagne signal (Vi, V2) er koblet til de respektive forstærkere ved hjælp af en 25 seriekondensator, og at en modstand er koblet mellem forstærkersiden af seriekondensatoren og en fælles jord.

6. Kredsløb ifølge krav 4, kendetegnet ved, at kredsløbets udgangssignal er koblet til udgan- 30 gen fra den første forstærker (25) ved hjælp af en seriekondensator .