DE1437943B2 - Verstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker mit einem negativen Rückkopplungsweg von seinem Ausgang zu seinem Eingang und mit einer über einen Gleichrichter an den Rückkopplungsweg angeschalteten Last.

In Schaltungen unter Verwendung von Dioden können Änderungen des Laststromes oder der Lastspannung auf Grund von Impedanzänderungen der Dioden in Durchlaßrichtung auftreten. Solche Impedanzänderungen in Durchlaßrichtung ergeben sich beispielsweise bei Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen und außerdem wegen der nichtlinearen Kennlinien der Dioden. Solche Änderungen sind insbesondere dann unerwünscht, wenn die Last aus einem Meßinstrument besteht.

Durch die USA.-Patentschrift 2147 729 ist eine Meßschaltung mit einem gekoppelten Verstärker bekannt, bei der ein Meßinstrument und Dioden im negativen Rückkopplungszweig liegen. Durch Einschaltung der Dioden in den Rückkopplungszweig sind die an das Meßinstrument angelegten Signale im wesentlichen unabhängig von dem Durchlaßwiderstand der Dioden auf Grund der stabilisierenden Rückkopplungswirkung auf den Verstärker. Durch die Unabhängigkeit der an das Meßinstrument angelegten Signale vom Durchlaßwiderstand der Dioden ist auch die Anzeige des Meßinstruments im wesentlichen unabhängig von Änderungen der Durchlaßwiderstände. Damit jedoch diese Wirkung bei bekannten gegengekoppelten Verstärkern auftritt, muß der Rückkopplungszweig nahezu während der gesamten Periodendauer des zu messenden Signals leitend sein. Da die Rückkopplungssignale sowohl durch die Dioden als auch durch das Meßinstrument schließen müssen, können mit einer solchen Schaltung nur Messungen durchgeführt werden, bei denen eine Stromleitung während der gesamten Periodendauer erforderlich ist. Dies bedeutet, daß die bekannten Schaltungen nicht für Messungen benutzt werden können, bei denen die Dioden nur während eines Teiles jeder Periode leitend sind.

Bei einer weiteren bekannten Anordnung (USA.-Patentschrift 3112 449) ist zur Umsetzung eines Wechselstromsignals in ein proportionales Signal konstanter Polarität ein mit einer Einweggleichrichterstufe verbundener, rückgekoppelter Verstärker vorgesehen. Zur Vermeidung einer Nichtlinearität des Ausgangssignals infolge der durch die Durchlaßspannung des Gleichrichters bedingten Ansprechschwelle der Einweggleichrichterstufe sind in den Rückkopplungszweig des Verstärkers antiparallel geschaltete Kompensationsdioden eingeschaltet. Eine Zweiweggleichrichtung ist bei dieser bekannten Anordnung dadurch ermöglicht, daß parallel zu der Einweggleichrichterstufe ein zweiter rückgekoppelter Verstärker und eine nachgeschaltete zweite Einweggleichrichterstufe angeordnet ist. An Stelle des zweiten Verstärkers kann auch ein mittelangezapfter Übertrager vorgesehen werden, dessen Primärwicklung mit dem Verstärkerausgang verbunden ist und dessen Sekundärwicklung mit ihrem ersten spannungsführenden Anschluß an die erste Einweggleichrichterstufe und mit ihrem zweiten spannungsführenden Ausgang an die zweite Einweggleichrichterstufe angeschlossen ist. Der zweite Verstärker bzw. der mittelangezapfte Übertrager bewirken indessen eine unerwünschte Bandbreitenbegrenzung des Ausgangssignals und erfordern zudem einen nicht unerheblichen räumlichen und wirtschaftlichen Aufwand.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rückkopplungsweg ein in Reihe geschaltetes passives Netzwerk mit zwei parallelen Zweigen auf- j weist, von denen jeder eine erste Diode, die Parallel- ; schaltung einer zweiten Diode mit einem ersten Wider- Ί stand und einen zweiten Widerstand enthält, daß die | Dioden in einem Zweig in einer Richtung und im '

ίο anderen Zweig in entgegengesetzter Richtung gepolt sind, daß die Elemente jedes Zweiges in der angegebenen Reihenfolge verbunden sind, wobei die ersten Dioden dem Verstärkerausgang am nächsten liegen, und daß die Last mit ihrem zugeordneten Gleichrichter zwischen dem Verbindungpunkt der ersten und zweiten Diode eines Zweiges und dem entsprechenden Punkt des zweiten Zweiges liegt.

Wegen der Art der Anschaltung der Anzeigeschaltung und des Meßinstruments an den Rückkopplungsweg ist das an die Anzeigeschaltung angelegte (verstärkte) Abbild des Eingangssignals von seinem Nullwert aus nach beiden Richtungen um einen Betrag verschoben, der gleich dem Spannungsabfall an den Dioden im Rückkopplungsweg ist, wenn diese leitend sind. Mit anderen Worten, zu den positiven und negativen Teilen des (verstärkten) Abbildes des Eingangssignals sind positive bzw. negative Bezugsspannungen addiert, die gleich dem Spannungsabfall an den Dioden des Rückkopplungsweges sind, wenn diese leiten. Diese durch die Dioden des Rückkopplungsweges eingeführte zusätzliche Spannung kompensiert im wesentlichen den Spannungsabfall an der Diode der Anzeigeschaltung. Änderungen des Spannungsabfalls an der Diode der Anzeigeschaltung auf Grund von Temperatur- oder Feuchtigkeitsänderungen oder auf Grund von Änderungen der Betriebseigenschaften der Diode werden daher im wesentlichen durch gleiche Änderungen der Rückkopplungsweg-Dioden kompensiert.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen; es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 2 ein Schaltbild zur Erläuterung der Funktion des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1,

F i g. 3 A bis 3 C Kurvenformen an bestimmten Punkten des Schaltbildes nach F i g. 2 unter bestimmten Bedingungen.

Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 weist einen Verstärker 10 mit einem Rückkopplungsweg auf, der einen Kondensator 11, ein passives Parallelnetzwerk und zwei Widerstände 12 und 13 enthält. Der Ausgang einer Quelle 14, deren Spannung gemessen werden soll, ist an den Verstärker 10 angeschaltet, und die gemessene Spannung wird von einem in den Rückkopplungsweg eingeschalteten Meßinstrument 15 angezeigt.

Ein Zweig des in dem Rückkopplungsweg liegenden passiven Parallelnetzwerks enthält zwei Dioden 16 und 17 und einen Widerstand 18, welche in Reihe geschaltet sind, wobei die Dioden in Richtung vom Ausgang des Verstärkers 10 weg in Durchlaßrichtung gepolt sind. Parallel zur Diode 17 ist ein Widerstand 19 geschaltet. Der zweite Zweig des Parallelnetzwerks enthält zwei Dioden 20 und 21 und einen Widerstand 22, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Dioden

in Richtung zum Ausgang des Verstärkers 10 in Durchlaßrichtung gepolt sind. Parallel zur Diode 21 ist ein Widerstand 23 geschaltet.

Zwischen dem Verbindungspunkt der Dioden 16 und 17 und dem Verbindungspunkt der Dioden 20 und 21 liegt eine Anzeigeschaltung und ein Meßinstrument 15. Genauer gesagt, die Anode einer Diode 24 ist an den Verbindungspunkt zwischen den Dioden 16 und 17 angeschaltet, während die Kathode der Diode 24 mit dem Meßinstrument 15 verbunden ist, das wiederum an den Verbindungspunkt zwischen den Dioden 20 und 21 angeschaltet ist. Über Schalter 27 bzw. 28 sind ein Widerstand 25 und ein Kondensator 26 parallel zu dem Meßinstrument 15 geschaltet. Es zeigt sich, daß das Meßinstrument 15 bei geöffneten Schaltern 27 und 28 eine Anzeige für den Mittelwert der Spannung, bei geöffnetem Schalter 27 und geschlossenem Schalter 28 eine Anzeige für die Spitzenspannung und eine Anzeige für den Quasieffektivwert einer Spannung liefert, wenn beide Schalter geschlossen sind.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 soll zunächst an Hand des schematischen Schaltbildes nach F i g. 2 erläutert werden. Die Schaltung nach F i g. 2 weist einen Verstärker A mit einem Rückkopplungsweg auf, der einen in Reihe mit einem passiven Parallelnetzwerk geschalteten Widerstand Rf enthält. Das Parallelnetzwerk enthält zwei Dioden d₁ und d₂ und einen Schalter S₁, die in drei parallelen Zweigen angeordnet sind. Die Dioden sind mit Bezug aufeinander entgegengesetzt gepolt. Wenn der Schalter S₁ geschlossen ist, sind die Dioden im Rückkopplungsweg ohne Wirkung. An den Ausgang des Verstärkers A ist eine Last Rl angeschaltet, und eine Quelle G mit einem Innenwiderstand Rg liegt am Eingang des Verstärkers. Die Spannung der Quelle G ist mit Eein und die Spannung an der Last Rl mit E_aus bezeichnet.

Bei der Schaltung nach F i g. 2 ist der Gewinn des Verstärkers A verhältnismäßig groß, und die Widerstände Rf und Rl sind im Vergleich zu dem Widerstand ,Rg verhältnismäßig groß. Es läßt sich leicht zeigen, daß bei geschlossenem Schalter S₁ die Spannung Eaus etwa gleich der Spannung E_ein mal dem Wert des Widerstandes Rf geteilt durch den Wert des Widerstandes Rg ist. Wenn der Schalter S₁ offen ist, ist der Rückkopplungsweg so lange geöffnet, bis die Spannung Eaus den Wert erreicht, der erforderlich ist, damit eine der Dioden d_x oder d₂ leitet. Während der Zeit, in der der Rückkopplungsweg geöffnet ist, wird die gesamte Eingangsspannung E_ein um den Gewinn des Verstärkers A verstärkt. Das führt dazu, daß die positiven und negativen Teile der Spannung Eaus von ihrem Nullwert nach beidenRichtungen um Spannungen verschoben werden, die gleich dem Spannungsabfall an den Dioden d_x und d₂ ist, wenn diese Dioden leiten. Mit anderen Worten, die Spannung E_ams ist jetzt gleich dem Spannungsabfall an der leitenden Diode zuzüglich der Spannung Eetn, multipliziert mit dem Wert des Widerstands Rf, dividiert durch den Wert des Widerstandes Rg. Das läßt sich besser an Hand der F i g. 3 A bis 3 C erkennen, die in zeitlicher Ausrichtung untereinander angeordnet sind.

Fig. 3A zeigt die Kurvenform der Eingangsspannung Eein- F i g. 3 B zeigt die Kurvenform der Ausgangsspannung Eaus, wenn der Schalter S₁ geschlossen ist, während F i g. 3 C die Kurvenform der Ausgangsspannung E_aUs darstellt, wenn der Schalter S₁ geöffnet ist. Aus F i g. 3 C ist zu ersehen, daß der positive und negative Teil der Kurvenform nach Fig. 3B von der Nullachse um den Spannungsabfall Vd₁ bzw. Va₂ der Dioden in Durchlaßrichtung verschoben sind. Diese Verschiebung tritt wegen der hohen Verstärkung der Gesamtschaltung während der Zeit, in der der Rückkopplungsweg geöffnet ist, im wesentlichen sofort auf.
Die Dioden (I₁ und d₂ der F i g. 2 entsprechen den

ίο Dioden 17 bzw. 21 in F i g. 1. Die Dioden 16 und 20 der F i g. 1 erfüllen dagegen abwechselnd Trennfunktionen. Im einzelnen leitet die Diode 16 nur während der positiven Abschnitte der Ausgangsspannung des Verstärkers 10, während die Diode 20 nur während der negativen Abschnitte der Ausgangsspannung des Verstärkers leitet. Der Gewinn des Verstärkers 10 ist wie bei dem Verstärker A in F i g. 2 verhältnismäßig groß. Für eine Kurvenform am Eingang entsprechend F i g. 3 A ist die Kurvenform am Verbindungspunkt der Dioden 16 und 17 daher identisch mit dem positiven Abschnitt der Kurvenform in F i g. 3 C, während die Kurvenform am Verbindungspunkt der Dioden 20 und 21 mit dem negativen Abschnitt der Kurvenform nach Fig. 3C identisch ist.

Bei geöffneten Schaltern 27 und 28 fließt der Strom für positive Ausgangsspannungen des Verstärkers 10 von diesem über die Dioden 16 und 17 (wegen der kleinen Impedanz der Diode 17 im leitenden Zustand fließt kein Strom durch den Widerstand 19) und den Widerstand 18 zu dem Verbindungspunkt der Widerstände 12 und 13. Da der Widerstand 13 wesentlich kleiner ist als der Widerstand 12, fließt der größere Teil des Stromes zu und von dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände durch den Widerstand 13. Außerdem fließt ein Strom durch die Diode 24, das Meßinstrument 15, den Widerstand 23 (durch die Diode 21 fließt kein Strom, da sie nichtleitend ist und daher eine verhältnismäßig hohe Impedanz hat) und den Widerstand 22 zum Verbindungspunkt der Widerstände 12 und 13. Während der negativen Abschnitte der Ausgangsspannung des Verstärkers 10 fließt ein Strom vom Verbindungspunkt der Widerstände 12 und 13 durch den Widerstand 22, die Diode 21 (durch den Widerstand 23 fließt im wesentlichen kein Strom wegen der kleinen Impedanz der leitenden Diode 21) und die Diode 20 zum Verstärker 10. Während der negativen Abschnitte der Ausgangsspannung des Verstärkers 10 fließt außerdem ein Strom durch den Widerstand 18, den Widerstand 19 (durch die Diode 17 fließt im wesentlichen kein Strom, da sie nichtleitend ist und daher eine verhältnismäßig hohe Impedanz hat), die Diode 24, das Meßinstrument 15 und die Diode 20 zum Ausgang des Verstärkers 10.

Die Widerstände 19 und 23 stellen daher Stromwege für das Meßinstrument 15 dar, wenn die Dioden 17 bzw. 21 durch die Ausgangsspannung des Verstärkers 10 in Sperrichtung vorgespannt sind.

In der Diode 24 tritt ein Spannungsabfall in Durchlaßrichtung auf. Dieser Spannungsabfall kann, wie oben erläutert, sich beispielsweise als Funktion der Temperatur, der Feuchtigkeit oder des Stromes durch die Diode ändern. Solche Änderungen beeinflussen die Anzeige des Meßinstrumentes 15. Wie im einzelnen weiter unten erläutert, werden diese Änderungen durch den Einfluß der Dioden 17 und 21 im Rückkopplungsweg im wesentlichen beseitigt.

Claims (1)

1. 5 6

   Wie oben angegeben, hat die zwischen dem Ver- der zu einer Anzeige führt, die dem Spitzenwert der

   bindungspunkt der Dioden 16 und 17 und Erde Eingangsspannung entspricht. Der Grund dafür, daß

   während der positiven Abschnitte der Ausgangs- diese Anzeigewerte dem Mittelwert und Spitzenwert

   spannung des Verstärkers 10 einen Wert, der durch der Eingangsspannungen entsprechen, ist dem Fach-

   den positiven Abschnitt der Spannung entsprechend 5 mann bekannt.

   F i g. 3 C dargestellt wird. Der Wert der zwischen Wenn die Schalter 27 und 28 beide geschlossen dem Verbindungspunkt der Dioden 20 und 21 und sind, liefert das Meßinstrument 15 eine Anzeige, die Erde während der negativen Abschnitte der Ausgangs- dem Quasieffektivwert der Eingangsspannung entspannung des Verstärkers liegenden Spannung wird spricht. Das wird durch Auswahl der Werte für den durch den negativen Abschnitt nach Fig. 3 C dar- io Widerstand 25 und den Widerstand der wirksamen gestellt. Die über der Anzeigeschaltung und dem Quelle für die Anzeigeschaltung erreicht. Beispiels-Meßinstrument 15 liegende Spannung ist daher ein weise ist das Verhältnis des Wertes für den WiderAbbild der Eingangsspannung zuzüglich einer zu dem stand 25 zur Summe der Werte des Widerstandes 25 positiven Abschnitt addierten positiven Spannung, und der wirksamen Quelle etwa gleich 0,8 für die die gleich dem Spannungsabfall der Diode 17 in 15 Messung des Quasieffektivwertes von sinusförmigen Durchlaßrichtung ist, und zuzüglich einer negativen Signalen und weißem Rauschen. Bei einem Aus-Spannung, die gleich dem Spannungsabfall an der führungsbeispiel entsprechend der Schaltung nach Diode 21 in Durchlaßrichtung ist, addiert zu dem F i g. 1 wurden beispielsweise die folgenden Widernegativen Abschnitt. Mit Hilfe üblicher Verfahren standswerte benutzt, um ein Verhältnis von 0,8 zu können die Dioden 17, 21 und 24 leicht so ausgewählt 20 erzeugen:
   werden, daß der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung „,., ,„ .„ _nnn _,

   an den Dioden 17 und 21 im wesentlich gleich dem Widerstand 25 42 000 Ohm

   Spannungsabfall in Durchlaßrichtung an der Diode 24 Widerstand 18, 22 1 700 Ohm

   ist. (Die Diode 24 führt beispielsweise einen kleineren ^^erstan^ }⁹' ^{21 7} *5 ⁰J"*

   Strom als die Dioden 17 und 21.) Es kann beispielsweise 25 Widerstand 13 100 Ohm

   zweckmäßig sein, an Stelle der Diode 24 zwei in Ausgangsimpedanz

   Reihe geschaltete Dioden zu verwenden, wobei eine ^{des Verstarkers 10} 26 000 Ohm

   der Dioden einen verhältnismäßig kleinen, konstanten

   Spannungsabfall in Durchlaßrichtung hat. Der zu- Patentanspruch:

   sätzliche Spannungsabfall dieser Diode kompensiert 30

   den Unterschied des Spannungsabfalls in Durchlaß- Verstärker mit einem negativen Rückkopplungsrichtung an der mit ihr in Reihe geschalteten Diode weg von seinem Ausgang zu seinem Eingang und und den Dioden 17 und 21. Der gegengekoppelte mit einer über einen Gleichrichter an den RückVerstärker und die Dioden 17 und 21 im Gegen- kopplungsweg angeschalteten Last, dadurch kopplungsweg wirken daher so zusammen, daß die 35 gekennzeichnet, daß der Rückkopplungsan die Anzeigeschaltung angelegten Halbwellen- weg ein in Reihe geschaltetes passives Netzwerk spannungen um feste Werte erhöht werden, die aus- mit zwei parallelen Zweigen aufweist, von denen reichen, um den Spannungsabfall an der Diode der jeder eine erste Diode (16,20), die Parallelschaltung Anzeigeschaltung in Durchlaßrichtung im wesent- einer zweiten Diode (17, 21) mit einem ersten liehen zu kompensieren. 40 Widerstand (19, 23) und einen zweiten WiderWenn die Schalter 27 und 28 offen sind, fließt ein stand (18, 22) enthält, daß die Dioden in einem Strom im wesentlichen während der Gesamtzeit jeder Zweig in einer Richtung und im anderen Zweig Periode der Eingangsspannung durch die Diode 24. in entgegengesetzter Richtung gepolt sind, daß Unter diesen Betriebsbedingungen liefert das Meß- die Elemente jedes Zweiges in der angegebenen instrument 15 eine Anzeige, die dem Mittelwert 45 Reihenfolge verbunden sind, wobei die ersten der Eingangsspannung entspricht. Wenn der Schalter28 Dioden dem Verstärkerausgang am nächsten geschlossen ist, liegt der Kondensator 26 über dem liegen, und daß die Last (15) mit ihrem zugeordneten Meßinstrument 15 und wird in Abschnitten jeder Gleichrichter (24) zwischen dem Verbindungs-Periode aufgeladen. Da die Schaltung eine volle punkt der ersten und zweiten Diode eines Zweiges Ladung des Kondensators 26 aufrecht zu erhalten 50 und dem entsprechenden Punkt des zweiten sucht, fließt ein Strom durch das Meßinstrument 15, Zweiges liegt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen