DE2163441A1 - Gleichrichterschaltung - Google Patents
GleichrichterschaltungInfo
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Description
Western Electric Company Incorporated Dammann, C. L. 1-9
Die Erfindung betrifft Gleichrichter schaltungen und insbesondere
sogenannte Präzisionsgleichrichter mit Dioden-Widerstandsreihenschaltungen in zwei Rückkopplungswegen.
Im Gegensatz zu Leistungsgleichrichtern sollen Präzisionsgleichrichter
ein genaues, gleichgerichtetes Abbild von Eingangs Signalen liefern. Ihr Einsatzort sind Signalverarbeitungsanlagen. Besonders
vorteilhaft können sie in Codierstufen von PCM-Anlagen benutzt werden.
Eine typische Gleichrichterschaltung dieser Art ist im "Handbook
of Operational Amplifiers Applications" der Applications Engineering
Section of Burr-Brown Research Corporation, 1963, Seite 73 beschrieben. Die bekannte Gleichrichterschaltung erzeugt ein genaues,
gleichgerichtetes Abbild der Eingangs spannung aber nur dann, wenn das Eingangssignal nicht plötzlich auf Null geschaltet wird. Tritt
dieser Fall auf, so werden die Dioden-Widerstands-Rückkopplungswege
geöffnet, was zur Folge hat, daß sich der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers erhöht, wodurch sich wiederum
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r, O mm
eine entsprechende Verringerung der Bandbreite des Verstärkers ergibt. Diese Verringerung der Bandbreite führt zu einem schlechten
Impulsansprechen, das die Genauigkeit der Gleichrichtung beeinträchtigt. Frühere Versuche zur Behebung dieses Nachteils
sahen eine Vorspannung der Rückkopplungsdioden in Durchlaßrichtung vor, um ihren maximalen Rückkopplungswiderstand zu
begrenzen. Dadurch wird zwar verhindert, daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers auf einen Wert ansteigt, bei dem
die Zeitkonstante ungünstig beeinflußt wird, aber es tritt dann eine Krümmung der Gleichrichterkennlinie mit entsprechenden
Ungenauigkeiten für die Gleichrichtung auf.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Gleichrichterschaltungen
mit verbesserter Genauigkeit und Bandbreite über den Gesamtbereich der Eingangs spannungen einschließlich von
Signalen zu schaffen, deren Amplitude nahe Null liegt.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Gleichrichterschaltung mit einem Operationsverstärker, dessen
Eingang über einen ersten Eingangswiderstand mit dem Eingang der Schaltung verbunden ist, mit einer ersten Rückkopplungsdiode,
deren Anode mit einem Verstärkerausgang und der Kathode der zweiten Rückkopplungsdiode verbunden ist, mit
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qinem ersten und einem zweiten Rückkopplungswiderstand, die zwischen die Kathode der ersten Diode bzw. die Anode
der zweiten Diode und den Verstärker eingang geschaltet sind,
mit einem ersten Ausgangswiderstand zwischen dem Ausgang der Schaltung und dem Verbindungspunkt einer der Dioden mit
dem zugeordneten Rückkopplungswiderstand und mit einem zweiten Ausgangswiderstand, der den Schaltungsausgang mit
dem Schaltungseingang verbindet. Die Lösung ist gekennzeichnet durch einen dritten Rückkopplungswiderstand zwischen
dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers, der dessen Verstärkung verringert, wenn die erste und zweite Diode nicht
leiten, und durch Schaltmittel, die zwischen dem Verstärkerausgang und dem Ausgang der Schaltung liegen und einen hohen
Widerstand darstellen, wenn das Signal am Schaltungseingang
eine Polarität aufweist, und einen niedrigen Widerstand darstellen, wenn das Signal entgegengesetzte Polarität aufweist,
wodurch Fehler im Ausgangs signal der Schaltung aufgrund des dritten Rückkopplungswiderstandes ausgeglichen werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel im Ausgangskreis einen weiteren Operationsverstärker
umfassen, dessen Eingang über einen zweiten Eingangs wider stand mit dem Ausgang des ersten Operations-
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Verstärkers verbunden ist, ferner eine dritte Rückkopplungsdiode, deren Anode mit einem Ausgang des weiteren Verstärkers
und der Kathode einer vierten Rückkopplungsdiode verbunden ist, einen vierten und einen fünften Rückkopplungswiderstand,
die zwischen die Kathode der dritten Diode bzw. die Anode der vierten Diode und den Eingang des weiteren Operationsverstärkers
geschaltet sind, einen dritten Ausgangswiderstand zwischen dem Ausgang der Schaltung und dem Verbindungspunkt
der dritten oder vierten Diode mit dem zugeordneten Rückkopplungswiderstand, und einen vierten Ausgangswiderstand,
der den Ausgang des ersten Verstärkers mit dem Schaltungsausgang verbindet.
Dabei kann vorgesehen sein, daß der erste Ausgangswiderstand zwischen den Ausgang der Schaltung und die Kathode der
ersten Diode geschaltet ist und daß der dritte Ausgangswiderstand zwischen dem Ausgang der Schaltung und der Kathode der
dritten Diode liegt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei·=
spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 das Schaltbild eines bekannten Gleichrichters;
Fig. 2A, 2B, 2C und 2D Kennlinien für den Gleichrichter
nach Fig. 1;
Fig. 3A und 3B den frequenzabhängigen Abfall der Kennlinie für den Gleichrichter nach Fig. 1;
Fig. 4A3 4B und 4C den Einfluß eines zusätzlichen Rückkopplungswiderstande
s bei einem bekannten Gleichrichter;
Fig. 5 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 6 das Schaltbild für das Ausführungsbeispiel
nach Fig. 5 unter Verwendung eines bekannten Halbwellengleichrichters, der den Schalter und
den Widerstand in Fig. 5 ersetzt;
Fig. 7 A, 7B und 7 C die Betriebskennlinien der Schaltung
nach Fig. 6.
Fig. 1 zeigt eine bekannte Gleichrichterschaltung mit einer
Eingangsklemme 15, die an dem Verbindungspunkt 11 liegt,
welcher über den Widerstand 21 (R01) mit dem Verbindungspunkt am Eingang des Operationsverstärkers 20 gekoppelt ist.
Der Ausgang dey Operationsverstärkers 20 liegt am Verbindungspunkt 28, an den auch die Anode einer Diode 24 und die Kathode
Eingangsklemme 15, die an dem Verbindungspunkt 11 liegt,
welcher über den Widerstand 21 (R01) mit dem Verbindungspunkt am Eingang des Operationsverstärkers 20 gekoppelt ist.
Der Ausgang dey Operationsverstärkers 20 liegt am Verbindungspunkt 28, an den auch die Anode einer Diode 24 und die Kathode
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- ο
einer Diode 25 angeschlossen sind. Die Kathode der Diode 24 liegt an einem Verbindungspunkt 29, der über einen Widerstand
22 (R00) mit dem Verbindungspunkt 12 verbunden ist.
Die Anode der Diode 25 liegt über einen Widerstand 23 (Ro„)
am Verbindungspunkt 12. Ein Widerstand 26 (Ro„) ist zwischen
26
den Verbindungspunkt 29 und den Ausgangsanschluß 13 der Schaltung gelegt. Ein Widerstand 10 (R ) koppelt den Verbindungspunkt
11 mit dem Ausgangsanschluß 13. Die Widerstände 10, 21 und 26 sind gleich groß; desgleichen die Widerstände
22 und 23. Der ..Widerstand 10 hat den halben Wert wie
der Widerstand 22. Der in Fig. 1 gezeigte Gleichrichter wird als Codierstufe in einer PCM-Anlage benutzt. Daher ist der
Ausgangsanschluß 13 mit dem Summierpunkt des Operationsverstärkers ι der nächsten Stufe verbunden.
Der über den Widerstand 10 fließende Strom I ist in Fig. 2A
dargestellt. Fig. 2B zeigt den durch den Widerstand 26 fließenden Strom I . Bei positiver Eingangs spannung ist die Spannung E
2t
xJ
am Verbindungspunkt 28 negativ, und die Diode 24 sperrt. Daher ist der Strom I immer dann Null, wenn die Eingangs spannung
2t
positiv ist. Wenn die Eingangs spannung negativ ist, wird die Spannung am Verbindungspunkt 29 positiv und folgt der Eingangsspannung entsprechend der Darstellung in Fig. 2B mit einem
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Gewinn von -2. Die Beiden Ströme I und I liefern dann in
Kombination den in Fig. 2C dargestellten Ausgangs strom. Fig. 2D zeigt den Stromverlauf am Ausgang des Operationsverstärkers,
wenn die Eingangs spannung in die Nähe von Null abfällt. Wie Fig. 2D zeigt, liegt der Verstärkungsfaktor des
Operationsverstärkers sehr hoch, wenn keine der Dioden 24 und 25 leitet. Nach dem leitentwerden der Dioden folgt die
Ausgangs spannung des Operationsverstärkers der Eingangsspannung mit einem Gewinn von -2.
Fig. 3A stellt die Auswirkung dieser Verstärkungsänderung auf die Bandbreite des Operationsverstärkers dar. Bei leitenten
Dioden arbeitet die Schaltungsanordnung mit einem Verstärkungsfaktor A für geschlossene Schleife von 6 dB. Die Zeit-
bekonstante des Operationsverstärkersfträgt in diesem Fall T
Bei geöffneten Rückkopplungsschleifen nähern sich der Verstärkungsfaktor
dem Wert A für offene Schleife und die Zeitkonstante dem Wert T für offene Schleife. Die Auswirkung
auf den Gleichrichtungsvorgang zeigt Fig. 3B. Bei Annäherung der Ausgangsspannung des Verstärkers an Null geht die Zeitkonstante
von T auf T über. Dies führt zu einer die Ungenauigkeit des Gleichrichtungsvorgangs wiedergebenden Rückflanke.
Diese Ungenauigkeit bereitet dann Schwierigkeiten,
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wenn die Schaltungsanordnung als Codierstufe in PCM-Anlagen verwendet wird.
Zur Verringerung oder Beseitigung des Bandbreitenverlustes ist ein Rückkopplungswiderstand R _ (Fig. 5) zwischen die Ver-
Δ i
bindungspunkte 12 und 28 geschaltet. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers
bei geöffneten Dioden-Widerstandsrückkopplungswegen auf einem Wert gehalten werden, der kleiner ist als der in Fig. 3A angegebene
Wert. Der Einfluß dieses hinzugefügten Widerstandes zeigt sich bei einem Vergleich der Fig. 4A mit Fig. 2D. Der Verstärkungsfaktor
oder Gewinn in demjenigen Bereich, in welchem das Eingangssignal nahe Null ist, hat sich beträchtlich verringert,
wodurch der sich in Fig. 4B angegebene Strom I ergibt. Die Abrundung der Kurve wird durch die Diodenkennlinie verursacht
und die Verschiebung nach links beruht auf der Verringerung des Verstärkungsfaktors für ein Signal mit einer im Bereish von
Null liegenden Amplitude und dem über den Rückkopplungswiderstand vom Ausgang abgeleiteten Strom. Die Summierung der
Ströme I und I am Ausgang ergibt die Kennlinie gemäß Fig.
X dt
4C. Diese Kennlinie zeigt den beträchtlichen Fehler im Ausgangsstrom
des Gleichrichters. Der Fehler könnte teilweise durch eine Vorspannung auf den Punkt V verbessert werden,
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aber dieser Punkt hängt von der DiodenkennÜnie ab und
ändert sich daher mit der Temperatur.
Die Verringerung oder Beseitigung des aufgezeigten Fehlers für den Ausgangsstrom wird nachfolgend in Verbindung mit
Fig. 5 beschrieben, wobei für Elemente gleicher Funktion die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet werden. Wie
bereits erwähnt, verringert der Widerstand 27 den Verstärkungsfaktor
der Schaltung dann, wenn die Dioden-Widerstandsrückkopplungswege geöffnet sind. Eine Möglichkeit zur Beseitigung
des Fehlers im Ausgangsstrom besteht in der Einschaltung des Widerstandes 31 (R01) und eines Schalters 40, der
in Reihe zwischen dem Verbindungspunkt 28 und dem Ausgangsanschluß 13 liegt. Der Schalter 40 wirdgeschlossen, wenn
die Spannungam Verbindungspunkt 28 größer als Null ist, und geöffnet, wenn sie kleiner als Null ist. Bei dieser Schaltungsanordnung
sind folgende Widerstandsverhältnisse gegeben: R10 = R21 s H26; R22 = R23J R22 β 2R10; R27 =
R ^JyR . Diese Anordnung gewährleistet eine Präzisions-27 22
gleichrichtung ohne Bandbreitenverlust und mit einer Kompensation des durch den Widerstand 27 hervorgerufenen Fehlers
im Ausgangs strom. Die Korrektur läßt sich darstellen, wenn man annimmt, daß der über den Widerstand 21 für eine Ein-
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gangs spannung -E. fließende Strom der den Wert I und der über den Rückkopplungswiderstand 27 abgeleitete Szrom den
Wert ΔI hat. Da die in den Summierpunkt 12 eintretenden
und aus ihm herausfließenden Ströme gleich sein müssen, beträgt der über den Widerstand 22 fließende Strom I- ZkI. Daher
führt der durch die Widerstände 26 und 22 bestimmte Stromgewinn mit dem Wert Zwei für diese Schaltung zu einem über
den Widerstand 26 zum" Ausgang fließenden Strom von 2(1 -£3).
Der Fehlerstrom 2 Δ I wird dann am Ausgang durch Zuführen eines Stromes über einen Widerstand (Ro1) ausgeglichen, der
den halben Wert des Rückkopplungswiderstandes 27 hat.
Der Schalter 40 und der Widerstand 31 können aus einem weiteren Gleichrichter gebildet sein. Fig. 6 zeigt eine solche Anordnung.
Auch in Fig. 6 werden für diejenigen Elemente, die die gleiche Funktion wie in den Fig. 1 und 5 haben, die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zwischen dem Verbindungspunkt 28 und dem
Ausgangsanschluß 13 liegt ein Widerstand 37 (R0J. Außerdem
ist ein Widerstand 31 in Reihe mit einem Halbwellengleichrichter des Gewinns Eins zwischen die Punkte 28 und 13 gelegt.
Der Halbwellengleichrichter enthält einen Widerstand 36 (Rgg)
der zwischen den Verbindungspunkt 28 und den Eingang eines
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Operationsverstärkers 30 geschaltet ist, dessen Ausgang mit der Anede einer Diode 34 und der Kathode einer Diode 35 verbunden
ist. Die Kathode der Diode 34 ist über einen Widerstand 32 (Rq9) mit dem Eingang des Verstärkers 30 und über einen
Widerstand 31 (R . mit dem Ausgangsanschluß 13 verbunden.
Die Anode der Diode 35 liegt über einen Widerstand 33 (R.,.,)
am Eingang des Verstärkers 30. Die Widerstandswerte verhalten sich hier wie folgt: R__ = R„_ = R„_; R,_ = RQr7 = 1/2R .
άΔ
άά
ob al
οι
6l
Fig. 7 zeigt die Betriebsverhältnisse der Schaltungsanordnung
nach Fig. 6. Der über den Widerstand 37 fließende Strom I'
ist in Fig. 7A dargestellt. Fig. 7B zeigt den über den Widerstand 31 fließenden Strom I". Fig. 7B läßt erkennen, daß, wenn
die Spannung am Verbindungspunkt 28 positiv ist, die Diode 34 öffnet und kein Strom I11 vorhanden ist. Wenn dagegen die
3
Spannung am Verbindungspunkt 28 negativ ist, hängt der Strom
Spannung am Verbindungspunkt 28 negativ ist, hängt der Strom
I1 vom Widerstand 31 ab. Eine Kombination der Ströme I' und
O
ö
I" führt zu dem in Fig. 7C angegebenen Strom I . Diese Arbeits-
<5 3
weise istidentisch mit dem Fall, daß der Schalter 40 in Fig. 5 offen ist, wenn die Spannung am Verbindungspunkt 28 kleiner
als Null ist, und daß der Schalter geschlossen ist, wenn die Spannung größer als Null ist. Der Halbwellengleichrichter in
Fig. 6 wird zwar von dem oben erwähnten Problem bezüglich
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des Impulsansprechens beeinflußt; da dies aber nur zu einem Fehler für den Korrekturstrom und nicht für das Gleichrichter-Hauptsignal
führt, ist eine Vernachlässigung in den meistern Fällen zulässig.
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Claims (8)
- PATENTANSPRÜCHE1,1 Gleichrichterschaltung mit einem Operationsverstärker, dessen Eingang über einen ersten Eingangswiderstand mit dem Eingang der Schaltung verbunden ist, mit einer ersten Rückkopplungsdiode, deren Anode mit einem Verstärkerausgang und der Kathode einer zweiten Rückkopplungsdiode verbunden ist, mit einem ersten und einem zweiten Rückkopplungswiderstand, die zwischen die Kathode der ersten Diode bzw, die Anode der zweiten Diode und den Verstärkereingang geschaltet sind, mit einem ersten Ausgangswiderstand zwischen dem Ausgang der Schaltung und dem Verbindungspunkt einer der Dioden mit dem zugeordneten Rückkopplungswiderstand und mit einem zweiten Ausgangswiderstand, der den Schaltungsausgang mit dem Schaltungseingang verbindet, gekennzeichnet durcheinen dritten Rückkopplungswiderstand (27) zwischen dem Eingang (12) und dem Ausgang (28) des Verstärkers (20), der dessen Verstärkung verringert, wenn die erste und zweite Diode (24, 25) nicht leiten, und durch Schaltmittel (31, 40), die zwischen dem Verstärkerausgang (2 8) und dem Ausgang (13) der Schaltung liegen und einen hohen Widerstand darstellen, wenn das Signal am Sehaltungseingang209828/069?(11) eine Polarität aufweist, und einen niedrigen Widerstand darstellt, wenn das Signal entgegengesetzte Polarität aufweist, wodurch Fehler im Ausgangs signal der Schaltung auf Grund des dritten Rückkopplungs wider Standes ausgeglichen werden.
- 2. Gleichrichter schaltung nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß die Schaltmittel im Ausgangskreis einen weiteren Operationsverstärker (30) umfassen, dessen Eingang über einen zweiten Eingangs wider stand (36) mit dem Ausgang (28) des ersten Operationsverstärkers (20) verbunden ist, ferner eine dritte Rückkopplungsdiode (24), deren Anode mit einem Ausgang des weiteren Verstärkers und der Kathode einer vierten Rückkopplungsdiode (35) verbunden ist, einen vierten und einen fünften Rückkopplungswiderstand (32, 33), die zwischen die Kathode der dritten Diode bzw. die Anode der vierten Diode und den Eingang des weiteren Operationsverstärkers geschaltet sind,einen dritten Ausgangs wider st and (31) zwischen dem Ausgang der Schaltung und dem Verbindungspunkt der dritten oder vierten Diode mit dem zugeordneten Rückkopplungswiderstand, und einen vierten Ausgangswiderstand (37), der den Ausgang (28) des ersten Verstärkers mit dem Schaltungsausgang verbindet.209828/069?
- 3. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgangswiderstand (26) zwischen den Schaltungsausgang und die Kathode der ersten Diode (24) geschaltet ist und daß der dritte Ausgangswiderstand zwischen dem Schaltungsausgang und der Kathode der dritten Diode (34) liegt.
- 4. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Rückkopplungswiderstand einen wesentlich größeren Wert als der erste Rückkopplungswiderstand (22) besitzt.
- 5. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingangs wider stand (21), der erste Ausgangswiderstand (26) und der zweite Ausgangswiderstand (10) im wesentlichen den gleichen We rt haben.
- 6. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Rückkopplungswiderstand (22, 23) im wesentlichen den gleichen Wert besitzen und im wesentlichen gleich dem doppelten We rt der ersten Eingangswiderstandes (21) sind.209828/0697
- 7. Gleichrichterschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Eingangswiderstand und der vierte und fünfte Rückkopplungswiderstand im weeentlichen den gleichen Wert haben.
- 8. Gleichrichters chaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und vierte Ausgangswiderstand im wesentlichen den gleichen Wert besitzen und im wesentlichen gleich dem halben Wert des dritten Rückkopplungswiderstandes sind.0 98287 06 9
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