NO172019B - Differensial-forsterker - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en krets for differensial-forsterkning av første og andre mottatte signaler, idet kretsen omfatter første og andre operasjonsforsterkere, idet hver omfatter en inverterende inngang, en ikke-inverterende inngang og en utgang, samtidig som hver forsterker er innrettet til å motta én av første og andre mottatte signaler, samtidig som utsignalet fra kretsen blir tatt fra én av nevnte første og andre operasjonsforsterkere, første, andre, tredje og fjerde kretsorganer som definerer forsterkningen hos kretsen.

En tidligere foreslått kres for differensialforsterkning av to innsignaler omfatter en operasjonsforsterker med et spesielt arrangement av tilbakekoblings- og inngangsmotstander, idet deres relative verdier er slik at det oppnås et virkelig differensial-utgangssignal fra forsterkeren. For å oppnå en høy inngangsimpedans for hvert signal, noe som er ønskelig av grunner som vil bli beskrevet senere her, bør innsignalene påtrykkes den tidligere foreslåtte krets via respektive forsterkere med høy inngangsimpedans og enhetsforsterkning. således vil det totalt være behov for tre forsterkere som ikke bare innebærer en kostnadsmessig belastning, men som også kan begrense den ytelse som man kan oppnå.

I 1986 Linear Applications Databook utgitt av National Semiconductor Corporation, er det på side 90 vise en foreslått krets for en instrumenteringsforsterker med høy inngangsimpedans, idet det benyttes bare to operasjonsforsterkere. Inngangssignalene blir påtrykket de respektive ikke-inverterende innganger av de to forsterkere, utsignalet blir tatt fra utgangen fra en av forsterkerne, og første, andre, tredje og fjerde motstander er forbundet henholdsvis mellom jord og den iverterende inngang til den annen forsterker, mellom den inverterende inngang og utgangen fra denne annen forsterker, mellom utgangen fra denne annen forsterker og den inverterende inngang til denne ene forsterker og mellom den iverterende inngang og utgangen fra den ene forsterker. De første og fjerde motstander er gitt like verdier, mens de andre og tredje motstander også er gjort lik hverandre, og differensialforsterkningen for arrangementet blir da bestemt ved forholdet mellom verdiene for den første og annen motstand.

Fra EP publ. patentsøknad 208 433 er det kjent en krets for differensialforsterkning av et første og annet mottatt signal, ved to elektriske lederpartier for mottakelse av de to signaler, ett felles lederparti samt et utgangsparti, samtidig som det inngår to operasjonsforsterkere, hver med inverterende og ikke-inverterende innganger og en utgang koblet til respektive lederpartier.

Den foreliggende krets for differensialforsterkning skiller seg i forhold til innholdet i EP 0 208 433, idet det ifølge kjent teknikk påtrykkes innsignaler på de ikke-inverterende innganger til hver av de to operasjonsforsterkere. De inverterende innganger til disse forsterkere er bundet sammen ved et felles punkt, hvilket innebærer at det derved fremskaffes strøm-tilbakekobling.

I motsetning til denne kjente teknikk vil det ved den foreliggende krets bli påtrykket ett innsignal på den inverterende inngang til én av operasjonsforsterkerne, samtidig som det andre innsignal blir påtrykket den ikke-inverterende inngang til den andre operasjonsforsterker. Således oppfører den foreliggende krets seg som en differensialforsterker, dvs. ut-spenningen er lik forskjellen mellom inn-spenningene, multiplisert med en variabel forsterkningsparameter.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er også å fremskaffe en alternativ konfigurasjon for en differensialforsterker med høy inngangsimpedans, som alternativt kan være å foretrekke i forhold til det ovenfor foreslåtte kjente forslag, f.eks. for lettere å tillate tillempningen av noe spesielle layout-konstruksjoner for en totalt integrert krets som innlemmer differensialforsterkeren.

I henhold til én side av oppfinnelsen er det skaffet en krets for differensialforsterkning av den innledningsvis angitte art,l som er kjennetegnet ved at den inverterende inngang til den første operasjonsforsterker er koblet til det første mottatte signal, samtidig som den ikke-inverterende inngang til den andre operasjonsforsterker er koblet til det andre mottatte signal,

idet de første kretsorganer omfatter en motstandsbane som forbinder den ikke inverterende inngang til den første operasjonsforsterker og utgangen fra den andre operasjonsforsterker,

samtidig som de andre kretsorganer omfatter en motstandsbane som forbinder den ikke-inverterende inngang hos den første operasjonsforsterker og en felles jord,

samtidig som de tredje kretsorganer omfatter en motstandsbane som forbinder den inverterende inngang og utgangen fra den andre operasjonsforsterker,

samtidig som de fjerde kretsorganer omfatter en motstandsbane som forbinder utgangen fra den første operasjonsforsterker og den inverterende inngang til den andre operasjonsforsterker,

samtidig som forholdet mellom motstandsverdiene hos de andre og første kretsorganer er hovedsakelig lik forholdet mellom motstandsverdiene for de fjerde og tredje kretsorganer.

For en bedre forståelse av oppfinnelsen, vil der nå som et eksempel, bli vist til de vedføyde tegningsark.

Figur 1 er et forenklet strømløpsskjerna over en tidligere foreslått differensialforsterkningskrets.

figur 2 er et forenklet strømløpsskjerna over en differensi-

alforsterkerkrets i henhold til den foreliggende oppfinnelse .

Figur 3 er en del av et forenklet strømløpsskjerna over en modifikasjon av kretsen vist på figur 2, idet modifika-sjonen også er i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Ved den tidligere foreslåtte differensialforsterkerkrets

i henhold til figur 1, blir de to inngangssignaler VI

og V2 påtrykket via respektive forsterkere 5 og 6 med enhetsforsterkning, og respektive inngangsmotstander 3 og 1 til hver sin inverterende og ikke-inverterende inn-

gang til en operasjonsforsterker 7. En tilbakekoblings-mostand 4 er forbundet mellom utgangen og den inverterende inngang til forsterkeren 7, og en ytterligere motstand 2 er forbundet mellom den ikke-inverterende inngang og en felles null-volt referanselinje for signale-

ne VI og V2. Ri, R2, R3 og R4 betegner motstandsverdi-

er for motstander, henholdsvis 1, 2, 3 og 4, idet ut-gangssignalet VO fra forsterkeren 7 er lik (VI - V2) R4/ R3, det vil si der fremskaffes et sant differensialutgangssignal, forutsatt at R4/R3 er lik R2/R1, og at forsterkningen ved forsterkeren 7 ved åpen sløyfe-diffe-rensialmodus er meget høy. Hver av forsterkerne 5 og 6 med enhetsforsterkning omfatter også en operasjonsforsterker med høy forsterkning ved åpen sløyfe, men med en direkte tilbakekoblings-forbindelse mellom utgang-

en og den inverterende inngang, idet signalene VI og V2 passende påtrykkes den ikke-inverterende inngang

av forsterkeren. Virkemåten for forsterkerne 5 og 6

er å fremskaffe en høy inngangsimpedans for signalene VI og V2. Dersom forsterkerne 5 og 6 ikke var til-

stede, dersom signalene VI og V2 ble påtrykket direk-

te på inngangsmotstandene 3 og 1, ville der fremdeles bli oppnådd et utgangssignal VO = (V2 - VI) R4/R3,

men de inngangsimpedanser som blir oppfattet av signalene VI og V2 er nå forholdsvis lave og dessuten ulike, idet verdien for VI er tilnærmet lik R3 og im-pedansverdien for V2 er ca. (Ri + R2). Dersom VI og

V2 ble avledet fra kilder som fremskaffet like elektromo-toriske krefter (emf) og hadde endelige kildeimpedanser, ville således VI og V2 bli forskjellige selv om disse kildeimpedanser var like, noe som meget vel kunne være tilfelle. Resultatet er selvsagt at for de to kilder som fremskaffer like emf, vil der fremskaffes et utgangssignal fra forsterkeren 7, og dette er normalt uønsket. Nærværet av forsterkerne 5 og 6 med enhetsforsterkning utelukker det nevnte problem, men kretsen vil selvsagt da omfatte tre operasjonsforsterkere.

Ved det eksempel som er vist på figur 2, med hensyn til en differensialforsterkerkrets i henhold til den foreliggende oppfinnelse, blir inngangssignalene VI og V2 påtrykket via inngangsterminaler 20 direkte på henholdsvis den inverterende inngang til en første forsterker 25 og den ikke-inverterende inngang til en annen forsterker 26. Den ikke-inverterende inngang til forsterkeren 25 er forbundet via en motstand 22 til en felles referanselinje for signalene VI og V2, her også en null-spenningsreferanse ved det foreliggende eksempel, og via en motstand 21 til utgangen fra forsterkeren 26. Den inverterende inngang til forsterkeren 26 er via en motstand 23 forbundet med utgangen fra den samme forsterker 26, og via en motstand 24 til utgangen fra forsterkeren 25. Kretsens utgangsterminal 27 er også forbundet med utgangen fra forsterkeren 25. Det kan vises ved analyse langs linjene som er indikert ved hjelp av formlene og de spenningsverdier som er gitt i henhold til figur 2, og det er verifisert ved inspeksjon av kretsskjemaet at signalet VO ved utgangen fra forsterkeren 25 er lik (V2 - VI) (R21 + R22)/R21, det vil si et sant differensialutgangssignal blir oppnådd og-så her, forutsatt at R24/R23 er lik R22/R21, hvor R21, R22, R23 og R24 utgjør motstandsverdiene for henholdsvis mostander 21, 22, 23 og 24. Den fullstendige analyse vil være innlysende for dem som er fagfolk på området. Dersom man imidlertid enkelt antar at forsterkningen ved åpen sløyfe for forsterkerne 25 og 26 er méget høy, så vil man for tilstander med stabile forhold oppnå at potensialet på den ikke-inverterende inngang til forsterkeren 25 må være lik potensialet VI, ved dennes inverterende inngang, mens potensialet på den inverterende inngang til forsterkeren 26 må være lik potensialet V2 på den ikke-inverterende inngang til forsterkeren 26. Dersom potensialet på den ikke-inverterende inngang til forsterkeren 25 er VI, så vil potensialet på utgangen fra forsterkeren 26 være VI (R21 + R22)/R22. Således vil det spenningsfall som ligger over motstanden 23 være definert, og således også den strøm i3 som strømmer gjennom denne. Denne strøm vil også gå gjennom motstanden 24 og således kan spenningsfallet over sistnevnte beregnes, og således også utgangsspenningen VO.

På samme måte som ved kretsen på figur 1, vil signalene VI og V2 oppfatte en høy inngangsimpedans. Imidlertid omfatter kretsen på figur 2 bare to forsterkere istedet for tre. Dette vil ikke bare innebære kostnadsreduksjon, men dessuten, dersom det antas at den detaljerte konstruk-sjon er utført riktig, vil kretsen i henhold til figur 1 ha en noe forbedret frekvens og forskjøvet ytelse.

Det er så rett og slett fordi begge disse parametre har en tendens til å bli degradert av forsterkerne, av hvil-ke kretsen på figur 2 bare omfatter to istedet for tre.

På samme måte som ved forsterkerne ifølge figur 1, antar man at forsterkerne 25 og 26 på figur 2 hver for seg har en høy forsterkning ved åpen sløyfe. Uttrykket "høy" er her forstått å innebære i det minste flere ganger større enn den konstruerte forsterkning ved differen-sialmodus for kretsen, fortrinnsvis flere grader høyere størrelsesorden. Forholdet mellom forsterkerens forsterkning ved åpen sløyfe og konstruksjonen som går ut på forsterkning ved differensialmodul, bestemmer nøy-aktigheten av kretsen, f.eks. dersom forsterkningen ved åpen sløyfe er hundre ganger forsterkningen ved di-fferensialmodus for kretsen, så vil kretsen ha en ibo-ende nøyaktighet på ca. en prosent. Alt dette gjelder selvsagt likesåvel for kretsen i henhold til figur 1, og for fagfolk på området så vil disse kunne velge passende forsterkere. Selv om det ikke er vesentlig, så vil forsterkerne 25 og 26 godt kunne velges fra utvalget av integrerte krets-operasjonsforsterkere som er tilgjengelig på marked-et, og som har så høye forsterkninger ved åpen sløyfe at det punkt blir noe irrelevant.

Kretsen vist på figur 2 er spesielt anvendelig i de til-feller hvor signalene VI og V2 er likestrøm (d.c.) respektive signaler med lav vekselfrekvens. Dersom krets-

en bare skal håndtere vekselsignaler, så kan disse være a.c.-forbundet i forsterkerne 25 og 26, slik dette frem-går av figur 3. Ved kretsen ifølge figur 3 er denne bare delvis vist, men er lik den som er vist på figur 2, med det unntak at hver terminal 20 er forbundet med sin tilhørende forsterker via en kondensator 30, samtidig som for hvert tilfelle en motstand 31 er forbundet mel-

lom null-spennings-referanselinjen og punktet for inn-byrdes forbindelse mellom kondensatoren og forsterkeren.

De relative verdier av kondensatorene 30 og motstander

31 er valgt i avhengihet av inngangssignal-frekvensom-rådet som skal behandles, idet motstandene 31 normalt vil fordelaktig kunne bli gitt høye verdier, f.eks. en Megaohm eller mer.

Selv om det ikke er vesentlig, så kan det være ønskelig

i tilfelle av figur 3 også å fremskaffe a.c.-koblingen ved utgangssiden av kretsen, dvs. ved innskyting av seriekondensator (ikke vist) mellom forsterkeren 25 og utgangsterminalen 27. Kondensatoren bør befinne seg nedstrøms i forhold til forbindelsen til motstanden 24

for å unngå å forstyrre d.c.-tilstanden av kretsen. Forursatt at d.c.-tilstandsinnstillingsbanene mellom forsterkerne blir bibeholdt, vil på lignende måte en eller flere av motstandene 21 - 24 kunne erstattes,

ved hjelp av et passende impedans-nettverk som f.eks.

har til hensikt å oppnå en eller annen spesiell frekvens-karakteristikk. F.eks. kan en motstand erstattes av en motstand og induktor i serie, en motstand og en kondensator i parallell, eller en kmbinasjon av nevnte. I den forbindelse skal der selvsagt utøves forsiktighet for ikke å gjøre kretsen ustabil, dvs. å forvandle den til en oscillatorkrets.

Claims (6)

1. Krets for differensial-forsterkning av første og andre mottatte signaler, idet kretsen omfatter: første og andre operasjonsforsterkere (25, 26), idet hver omfatter en inverterende inngang, en ikke-inverterende inngang og en utgang, samtidig som hver forsterker er innrettet til å motta én av første og andre mottatte signaler (V"i , V2), samtidig som utsignalet fra kretsen blir tatt fra én av nevnte første og andre operasjonsforsterkere, første, andre, tredje og fjerde kretsorganer (21, 22, 23, 24) som definerer forsterkningen hos kretsen, karakterisert ved at den inverterende inngang til den første operasjonsforsterker (25) er koblet til det første mottatte signal (V-j ), samtidig som den ikke-inverterende inngang til den andre operasjonsforsterker er koblet til det andre mottatte signal (V2), idet de første kretsorganer (21) omfatter en motstandsbane som forbinder den ikke inverterende inngang til den første operasjonsforsterker (25) og utgangen fra den andre operasjonsforsterker (26), samtidig som de andre kretsorganer (22) omfatter en motstandsbane som forbinder den ikke-inverterende inngang hos den første operasjonsforsterker (25) og en felles jord, samtidig som de tredje kretsorganer (23) omfatter en motstandsbane som forbinder den inverterende inngang og utgangen fra den andre operasjonsforsterker (26), samtidig som de fjerde kretsorganer (24) omfatter én motstandsbane som forbinder utgangen fra den første operasjonsforsterker (25) og den inverterende inngang til den andre operasjonsforsterker (26), samtidig som forholdet mellom motstandsverdiene hos de andre og første kretsorganer er hovedsakelig lik forholdet mellom motstandsverdiene for de fjerde og tredje kretsorganer.

2. Krets som angitt i krav 1, karakterisert ved at hvert kretsorgan (21, 22, 23, 24) omfatter bare en eller flere motstandskompo-nenter.

3. Krets som angitt i krav 1, karakterisert ved at et eller flere enn ett av de nevnte kretsorganer (21, 22, 23, 24) omfatter en kombinasjon av komponenter, innbefattende i det minste en kondensator og en induktor.

4. Krets som angitt i krav 1, karakterisert ved at de første og andre mottatte signaler (V-|, V2) er vekselstrømskoblet til respektive forsterkere (25, 26).

5. Krets som angitt i krav 4, karakterisert ved at de første og andre elektriske mottatte signaler (Vq, V2) er forbundet med den respektive forsterker (25, 26) ved hjelp av en seriekondensator (30), samtidig som en motstand (31) er forbundet mellom forsterkersiden for denne kondensator (30) og en felles jord (ov).

6. Krets som angitt i krav 4, karakterisert ved at utsignalet fra kretsen er forbundet med utgangen fra den første operasjonsforsterker (25) ved hjelp av en seriekondensator.