NL8100529A

NL8100529A - Voedingsspanningsstuureenheid voor een verschilversterker.

Info

Publication number: NL8100529A
Application number: NL8100529A
Authority: NL
Original assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1980-02-11
Filing date: 1981-02-04
Publication date: 1981-09-01
Also published as: GB2069269B; NL186787B; FR2479606A1; NL186787C; DE3103969A1; GB2069269A; US4337441A; JPS56129411A; CA1155502A; FR2479606B1; DE3103969C2

Description

i i -1-

81.3023/Ti/M/vL

Korte aanduiding: Voeding s spanning s stuureenhei d voor een verschilversterker

De uitvinding heeft betrekking op een voeding s spanning s stuur eenheid voor een eerste vers chilver sterker met positieve en negatieve voe-dingsspanningsklemmen.

Versehilversterkers hebben beperkte ingangs- en uitgangsdynamiek-5 bereiken waarbinnen een signaal liggen ter voorkoming van spanningsdoor-slag of ernstige bedrijfsstoring tengevolge van hoge energieniveau's.

Als eenvoudige oplossing ter bescherming van de ingang strap is het reeds langs bekend diodebegrenzers direkt met de geleiders voor het ingangssignaal te verbinden. Ih versterkers waarvan een grote uitgangszwaad verlangd 10 wordt is het gebruikelijk geworden eencf meer transistors te stapelen tot de bekende "totempalen" tussen de voedingsspanningen en de uitgangstransis-tors van de versterker om zowel de gewenste spanningsvallen als het gewenste dynamiekbereik te verkrijgen. Totaupaaluitvoeringen hebben echter praktische beperkingen die kunnen leiden tot oversturingsvergrendeling, 15 verslechtering van de stijgsnelheid en bandbreedte voor kleine signalen, en drift.

Volgens de uitvinding cmvat een voedingsspanningsstuureenheid voor êén of meer monolitische versehilversterkers, die gemeenschappelijke voedingen delen, een extra monolitische vers chilver sterker die werkzaam is 20 als spanningsvolger tussen een stroombron en een strocmopnaner, die beide bij voorkeur actieve eenheden zijn, en die zelf resp. verbonden zijn met geschikte positieve en negatieve voedingsspanningsbronnen. De verschilver-sterker van de voedingsspanningsstuureenheid wordt gestuurd door hetzelfde ingangssignaal, of een component daarvan, als dat wat naar de signaal-25 vers chilver sterker gevoerd wordt, zodat de voedingsspanningsniveau * s als functie van het ingangssignaal veranderen. Strocmregeleenheden kunnen op-genemen worden cm de stijgsnelheid van het ene niveau naar een andere te verhogen. Hiermee wordt een duidelijke toename van het ingangsdynamiek-bereik van de signaalverschilversterker verkregen zonder compromissen met 30 betrekking tot de bandbreedte voor kleine signalen, de stabiliteit, de stijgsnelheid, de ïngangsimpedantie, de ingangsverschuiving of de open-lusversterking.

8 1 0 0 52 8 * -2-

Afhankelijk van het aantal en de -werkingswijze van de monolitische verschilversterkers die door een dergelijke voedingsspanningsstuureenheid bedreven worden en afhankelijk van stroomeisen, verwachte ingangssignaal-s'panningen en de noodzaak van keteribeschezming kunnen verschillende uit-5 voeringsvormen van de voedingsspanningsstuureenheid volgens de uitvinding gerealiseerd worden.

De uitvinding verschaft daartoe een voedingsspanningsstuureenheid, die een ingangssignaal of een component daarvan volgt voor. het leveren van geschikte gerefereerde voedingsspanningen voor êên of meer monolitische 10 verschilversterkers.

De uitvinding beoogt tevens een voedingsspanningsstuureenheid voor een of meer monolitische verschilversterkers te verschaffen waarmee een toename van het dynamisch bereik van het ingangssignaal mogelijk is zonder een compromis te moeten aangaan met betrekking tot de bandbreedte voor 15 kleine signalen, de stabiliteit, de stijgsnelheid, de ingangsimpedantie, de ingangsverschüiving of de open-lusversterking.

De uitvinding beoogt voorts een voedingsspanningsstuureenheid voor een monolitische verschilversterker te verschaffen, die zowel in de positieve als de negatieve richting over het dynamisch bereik in gelijke mate 20 kan zwaaien.

De uitvinding heeft-bovendien ten doel een voedingsspanningsstuureenheid voor een monolitische verschilversterker te verschaffen waarin de voedingsspanningsstuureenheid.©versturingsketens omvat.

De stuur eenheid volgens de uitvinding wordt hiertoe, gekenmerkt door 25 een tweede verschilversterker waarvan de positieve en negatieve voedingsspanning sklanmen verbonden zijn met de positieve resp. negatieve voedings-spanningsklemmen van de eerste verschilversterker, waarbij de tweede ver-schilderversterker eveneens voorzien is van een eerste ingang, een tweede ingang en een uitgang terwijl de uitgang met de tweede ingang verbonden is; 30 een met de positieve voedingsspanning sklanmen verbonden stroombron; een met de negatieve voedingsspanningsklemmen verbonden stroomopnaner; een tussen de uitgang en. de positieve voedingsspanningsklemmen verbonden eerste referentiespanningsmiddel; een tussen de uitgang en de negatieve voedingsspanningsklemmen verbonden 35 tweede referentiespanningsmiddel; en • middelen voor het toevoeren van een ingangssignaal naar de eerste verschilversterker en tenminste een gedeelte van het ingangssignaal naar de tweede 8100529 ( { -3- versehilversterker.

De uitvinding zal hierna worden toegelicht aan de hand van de tekening:

Fig. 1 toont een vereenvoudigd. schema van een voedingsspannings-5 stuureenheid die het naar een verschilversterker gevoerde gemene ingangssignaal volgt; fig. 2 toont een gedetailleerd schema van een voedingsspannings-stuureenheid volgens de uitvinding; fig. 3 toont een gedetailleerd schema van een voedingsspannings-10 stuureenheid omvattende oversturingsketens; en fig. 4 toont een schema van een instrumentatieverschilversterker omvattende een paar voedingsspanningsstuureenheden♦

Fig. 1 'toont een verschilversterker met een differentiële spannings-volgeringang omvattende een paar monolitische verschilversterkers 10 en 12 15 met elk een inverterende (-) ingang en een niet-inverterende (+) ingang en een uitgang. De uitgangen van de versterkers 10 en 12. zijn via de weerstanden 14 resp. 16 met de negatieve ingangen daarvan verbonden en deze negatieve ingangen zijn via een weerstand 16 met elkaar verbonden. De positieve ingangen van de versterkers 10 en 12 zijn verbonden met de ingangs-20 klemmen 20 resp. 22 waarover een verschilsignaal E^, aangelegd kan worden. De uitgangen van de spanningsvolgerversterkers 10 en 12. zijn via de weerstanden 2h en 26, die gelijke waarden hebben, met de negatieve resp. positieve ingangen van een monolitische verschilversterker 30 verbonden.

De uitgang van de versterker 30 is via een terugkoppelweerstand 32 met haar 25 negatieve ingang verbonden en de positieve ingang ervan is geaard via een weerstand 3^- waarvan de waarde gelijk is aan die van de weerstand 32. Aan de uitgangsklem 36 is een verschiluitgangssignaal E^. beschikbaar.

Het ingangssignaal E^ kan zowel een gemeenschappelijke component als een verschilcomponent omvatten. Dit betekent dat, hoewel er een te 30 versterken verschilsignaal tussen de klaamen 20 en 22 aanwezig is er tegelijkertijd een gemeenschappelijke referentiespanning over de kleumen 20 en 22 gelegd kan worden. Het geaeenschappelijk signaal kan bij voorbeeld een van de netspanning afgeleid wisselspanningssignaal zijn dat naar beide ingangen gevoerd wordt. De weerstanden kO en h2 met gelijke waarden zijn 35 in serie verbonden tussen de uitgangen van de versterkers 10 en 12 en de gaaeenschappelijke component van het ingangssignaal wordt tussen dergelijke 81 00 52 9 * * -fc- weerstanden afgenomen en naar de positieve ingang van een monolitische verschilversterker UU gevoerd, welke versterker als spanningsvolger werkzaam is cm het gemeenschappelijke signaal te volgen. De uitgang van de versterker kk is verbonden met de basis van een stroamregeltransistor k6, 5 die geschakeld is als emittervolger, terwijl de emitter ervan met de negatieve ingang van de versterker kk is verbonden. De positieve voedings-klem van de versterker UU is via een stroombron H8 verbonden met een geschikte voedingsbron met positieve spanning +V^. De negatieve voedings-klem van de versterker UU is via een strocmopnemer 50 verbonden met een 10 geschikte voedingsbron met negatieve spanning . Er wordt op gewezen dat de positieve voedingsklemmen van de .versterkers 44, 10 en 12. met elkaar verbonden zijn en tevens de negatieve voedingsklemmen van deze versterkers met elkaar verbonden zijn. De werkza,e referentiespanningen +V_ en -V^ ten opzichte van de negatieve ingang van de versterker W· worden door 15 middel van Zener dioden 52 en 5k verkregen. Hierdoor-hebben de drie mono-litische verschilversterkers 10 en 12. dezelfde werkspanning en delen zij de bedrijfsstrocm Ipg. Door de spanningsvolgerwerking van de versterker kk volgen de referentiespanningen +V_ en -V„ het gemeenschappelijk ingangssignaal over een dynamisch bereik tussen +V^ en -V^ .. De transistor 20 k6 verzorgt een hoge stijgsnelheid in de positieve richting omdat door een positief gaand signaal aan haar basis de collectoramitterweerstand daarvan af neemt, waarbij de stroom 1^ toeneemt. Hieruit volgt dat grote gemeenschappelijke signalen met daarop gesuperponeerde.kleine- verschilsigna-len zonder spanningsdoorslag van de ingangstransistors over de ingangs-25 klemmen 20 en 22 gelegd kannen worden. Met deze uitvoering kan voedings-' spanningsstuureenheid parallel werken met het verschilversterkerstelsel, zodat er geen compromis nodig is on verslechtering optreedt voor de bandbreedte van kleine signalen, de versterkerstabiliteit, de stijgsnelheid, de ingangsimpedantie,-de ingangsverschuiving, of de open.lusversterking.

30 In fig. 2 is een gedetailleerd schema van.een voedingsspannings- stuurketen getoond. Duidelijkheidshalve zijn de.details, van een. feitelijke versterker waarvoor de referentiespanningen + en -V_ verkregen worden be-

II

perkt tot een enkele monolitische vers chilver sterker 60 die als spannings-volger geschakeld is. Er wordt echter op gewezen, dat de versterker βθ deel 35 uitmaken van een groter versterkerstelsel zoals die vanfig. 1. Een ingangssignaal Ej. wordt via een ingangsklem 62 naar de positieve ingangen van de versterker 6θ en de monolitische vers chilver sterker 6k van de-roe- 8100529 -5- dingsspanningsstuureenheid gevoerd. Doordat de uitgang ervan met de negatieve ingang verbonden is is de versterker 64 als spanning s volg er geschakeld. De stroombron omvat een transistor 66, waarvan de onmitter via een strocminstelveerstand 68 met een geschikte bron met positieve span-5 ning +V verbonden is. Tussen de spanningsbron +V en de basis van de transistor 66 is.een Zener diode TO verbonden ter verkrijging van een stabiele voorinstelspanning voor de stroombron. Op gelijke wijze omvat de strocrn-opnener een transistor 72, waarvan de emitter via.een strocminstelweerstand jb verbonden is met een geschikte bron met negatieve spanning -V.

10 Tussen de spanningsbron -V en de baas van de transistor 72 is een Zener diode 76 verbonden ter verkrijging van een stabiele voorinstelspanning voor de strocmopnemer.

Van een eerste als snittervolger geschakelde stroamregeltransis-tor 80 is de basis verbonden met de uitgang van de versterker 6k, de col-15 lector verbonden met de kathode van de Zener diode 76 en de emitter via een Zener diode 82 verbonden met de collector van de transistor 66. De basis-emitterovergang van de transistor 80 en de Zener diode 82 leveren de positieve referentiespanning +V , die naar de positieve voedingsklemmen van

II

monolitische verschilversterker 6k en 60 gevoerd wordt.

20 Van een tweede als emittervolger geschakelde strocmregeltransis- tor 86 is de basis verbonden'met de uitgang van de versterker 6k, de collector verbonden met de anode van de Zener diode 70 en de emitter via een Zener diode 86 verbonden met de collector van .de transistor 72. De basis-emitterovergang van de transistor 86 en de Zener diode 88 leveren de nega-25 tieve voedingsspanning -V^, die naar de negatieve voedingsklanmen van de monolitische verschilversterker 64 en 60 gevoerd wordt. Een.grote condensator 90 is tussen de referentiespanningspunten + en -V verbonden ter Λ verkrijging van een stabiele constante spanning over de voedingsklemmen van de versterkers onder dynamische condities.

30 Tijdens bedrijf worden door spanningsvolgerwerking stapvormige ver anderingen in E^ opgewekt aan de uitgangen van de versterker 64, die door de eaittervolgerwerking van de transistors 80 en 86 aan de positieve en negatieve voedingsklemmen van de versterkers 64 en 60 optreden. Aan een uitgangsklaa 96 is een uitgangsspanning beschikbaar. De uitvoerings- 35 vorm van de voedingsspanningsstuureenheid van fig. 2 heeft niet of nauwelijks de neiging bij hoge stijgsnelheden te vergrendelen en zal in elke richting in gelijke mate zwaaien dankzij de strocmregeltransistors 80 en 86.

81 00 52 9 -6-

Fig.. 3 toont een gedetailleerd schema van een voedingsspanning s-stuureenheid met een ©versturingsleet en. Component en die gelijk zijn aan die in de keten van fig. 2 zijn aangegeven met dezelfde verwijzingscijfers, en omdat de functies ervan niet gewijzigd zijn, zullen alleen de.ccm.po-5 nenten van de oversturingsketen toegelicht worden. In deze uitvoeringsvorm is de Zener diode 82 vervangen door een paar in serie verbonden Zener dioden 100 en 102, waarbij de kathode van een diode 10¼ met het knooppunt daarvan verbonden is. De anode van de diode 10¼ is verbonden met de positieve ingang van de versterker 6b. In deze specifieke keten begrenst de 10 diode 10¼ de positief gaande afwijking aan de positieve ingang van de versterker 6b tot ongeveer +100 V. Op gelijke wijze is de Zener diode 88 vervangen door een paar in serie verbonden Zener dioden 110'. en 112, waarbij de anode van een diode 11¼ met het knooppunt daarvan verbonden is. De kathode van de diode 10¼ is met de positieve ingang van de versterker 6b ver-15 bonden. De diode 11¼ begrenst de negatief gaande afwijking aan de positieve ingang van de versterker 6b tot ongeveer -100 V. In de ingangssignaal-weg tussen de ingangsklem 62 en de positieve ingang van de versterker 6b kan een weerstand 116 aangebracht worden cm nog grotere spanning s zwaai en van toe te laten en kunnen spanning safwijkingen van E^ boven de voe-20 dingslijnspanningen, d.w.z. in het getoonde voorbeeld + 120 V, getolereerd worden indien de waarde van.de weerstand 116 gekozen is ter begrenzing van de ingangsstroem tot een waarde binnen de bereiken van de dioden· 10¼ en 11¼ en het dissipatiebereik van-de weerstand 116. Ter onderdrukking van oscillatie of slingering kunnen condensators 120. en 122,tussen de basis-25 sen en de collectors van de transistors 80 resp. 86 en eenweerstand 12¼ tussen de uitgang van de versterker 6b 'en de basissen van de transistors 80 en 86 opgenemen worden. De weerstanden 130' en 132 kunnen toegevoegd worden ter verkrijging van een seriestroem, die een begrenzing vomit in geval van het niet juist werken van een of meer'der halfgeleidereenhe-30 den in de serieweg tussen de positieve en negatieve voedingsspanningen van 120 V. Een weerstand 136 met grote waarde kan tussen de basissen van de transistors 66 en 72 verbonden worden teneinde een minimale geleiding van de Zener diode 70 en 76 te verzorgen.

In fig. ¼ is een differentiële instrumentatieversterkerketen met 35 geschakelde versterkingsfactor en omvattende een paar voedingsspannings-stuureenheden als boven cmschreven getoond. Aan een paar ingang sklanmen ^0 en lb2 wordt een ingangssignaal E^ gelegd, dat via de weerstanden 1¼¼ en

-Τ ι k6 naar de positieve ingangen van de monolitiselie verschilversterkers 1½ resp. 150 gevoerd wordt. Het signaal aan de positieve ingang van de versterker 148 wordt eveneens naar een eerste voedingsspanningsstuureen- heid 152 gevoerd die de voedingsspanningen + en voor de versterker 148

it I

5 levert. Op gelijke wijze wordt het signaal aan de negatieve ingang van de versterker 150 naar een tweede voedingsspanningsstuureenheid 15¼ gevoerd die de voedingsspanningen + en -V voor de versterker 150 levert. De ver-sterkers 1½ en 150 zijn als spanningsvolgers geschakeld en omvatten weerstanden 156 resp. 158 met gelijke waaiden die tussen de uitgangen en ne-10 gatieve ingangen verbonden zijn. Door middel van een schakelaar 1β0 kan selectief een of meer der deelweerstanden 162 tussen de negatieve ingangen van de versterkers 1U8 en 150 verbonden worden voor het instellen van de ingangsversterking. De uitgangen van de spanningsvolgerversterkers 1^-8 en 150 zijn via de weerstanden 166 en 168 met de negatieve resp. positieve 15 ingangen van een monolitische verschilversterker 170 verbonden. De uitgang van de versterker 170 is met een uitgangsklan 172 verbonden en een terug-koppelweerstand 1 Th is tussen de uitgang en de negatieve ingang van de versterker 170 verbonden. De positieve ingang van de versterker 170 is geaard via een weerstand 176» waarvan de waarde gelijk is aan die van de 20 weerstand 17^·

Voorzover het ingangssignaal een gemeenschappelijk signaal is reageren de beide voedingsspanningsstuureenheden 152 en 15¼ gelijk. Met deze uitvoeringsvorm kan echter de ingangsspanning aan de. resp. ingangen van de voedingsspanningsstuureenheden 152 en 15¼ gevolgd worden, waardoor 25 de versterkers 1^8 en 150 resp. voedingsspanningen ontvangen die de actuele singaalspanning aan de resp. positieve ingangen volgen. Dit is vooral van voordeel als een enkelvoudig aangevoerd ingangssignaal naar een der ingangsklaamen 1U0 of 1k2 gevoerd wordt terwijl daarbij de andere ingangs-klem geaard.

81 0 0 52 9

Claims

1. Voedingsspanningsstuureenheid voor een eerste verschilversterker met positieve en negatieve voedingsspanningsklemmen, gekenmerkt door een tweede verschilversterker waarvan de positieve en negatieve voedingsspanning ski emmen verbonden zijn met de positieve resp. negatieve voedingsspan- 5 ningsklemmen van de eerste verschilversterker, waarbij de tweede verschil-versterker eveneens voorzien is van een eerste ingang, een tweede ingang en een uitgang terwijl de uitgang met de tweede ingang verbonden is; een met de positieve voedingsspanningskloamen verbonden stroombron; een met de negatieve voedingsspanningsklemmen verbonden stroamopnemer; 10 een tussen de uitgang en de positieve voedingsspanningsklemmen verbonden eerste referentiespanningsmiddel; een tussen de uitgang en de negatieve voedingsspanningsklemmen verbonden tweede referentiespanningsmiddel; en middelen voor het toevoeren van een ingangssignaal, naar de eerste ver-15 schilversterker en tenminste een gedeelte, van het ingangssignaal naar de tweede verschilversterker.

2. Voedingsspanningsgtuureenheid volgens conclusie 1, gekenmerkt door een met de uitgang van de tweede verschilversterker verbonden stroaaregel-middel ter verkrijging van een extra stroom tijdens signaalovergangen ter 20 verkrijging van een snel zwaaien van de referentiespanningsmiddelen voor het volgen van het ingangssignaal.

3. Voedingsspanningsstuureenheid volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het stroomregelmiddel bestaat uit . een eerste transistor die in een eerste 25 richting is ingesteld ter.verkrijging van een extra stroom tijdens negatief gaande signaalovergangen en eeh tweede transistor die. in een tweede richting is ingesteld ter verkrijging van een extra stroom tijdens positief gaande signaalovergangen. b. Voedingsspanningsstuureenheid volgens conclusie. 1, met het kenmerk, 30 dat de stroombron en de stroomopnamer tegengesteld gepolariseerde transistors omvatten, waarvan de emitters via impedantie-elamenten met resp. eerste en tweede voedingsbronnen verbonden zijn en de collectors daarvan met de positieve resp. negatieve voedingsspanningskiemmen verbonden zijn.

5. Voedingsspanningsstuureenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, 81 0 0 5 2 9 -9- dat de eerste en tweede referentiespanningsmiddelen Zener dioden cmvat-ten.

6. Voedingsspanning ss tuur eenheid volgens conclusie 1, gekenmerkt door een oversturingsbeseherminganiddel ter "begrenzing van het ingang s-5 signaal tot vooraf "bepaalde maximum- en minimumwaarden s waarbij het over-sturingsbeschermingsmiddel bestaat uit eerste en tweede dioden die tussen de eerste ingang van de tweede.verschilversterker en de eerste resp. tweede referentiespanningsmiddelen verbonden zijn. 00 52 9