DE2658803B2 - Operationsverstärker-Schaltung - Google Patents
Operationsverstärker-SchaltungInfo
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
- H03F1/30—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
- H03F1/302—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters in bipolar transistor amplifiers
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Description
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Operationsveritärker-Schaltung
der im Oberbegriff des Patentanspru- ■ -,
ches I angegebenen Art.
Bei einer solchen, aus der Valvo-Broschüre »Technische
Informationen für die Industrie«; Heft TI 156, Seiten 12-14, Mai 1971, bekannten Schaltung erhalten
bei einer ersten Ausführuiigsform der Schaltung beide mi
Eingänge des Operationsverstärkers Eingangssignale, die von dem Operationsverstärker verstärkt werden.
Beide Eingänge des Operationsverstärkers sind jeweils mit den Widerständen verbunden und erhalten auch die
Eingangssignale. Bei einer anderen Ausführungsform h-,
der bekannten Schaltung werden die Eingangssignale nicht unmittelbar, sondern vielmehr über Widerstände
an die Eingangsanschlüsse gegeben, wobei diese Widerstände die Kompensationseinrichtung bilden. Bei
dieser Ausführungsform fließen also nicht nur die Vorspannungsströme, sondern auch jeweils die Eingangsströme
über die Widerstände, so daß die durch diese Widerstände fließenden Gesamtströme nicht den
Vorspannungsströmen entsprechen. Bei einer dritten Ausführungsform der bekannten Schaltung wird nur ein
Eingang zum Zuführen des Eingangssignais benutzt. Jedoch ist der andere Eingang nicht nur mit einem der
Widerstände, sondern vielmehr auch mit einem weiteren Widerstand verbunden, der an seinem anderen
Anschluß geerdet ist. Der in den Eingang oder aus diesem Eingang fließende Vorspannungsstrom fließt
daher nicht nur über diesen einen Widerstand, sondern vielmehr auch über den weiteren Widerstand. Der über
den einen Widerstand fließende Strom entspricht daher nicht dem Vorspannungsstrom. Bei der bekannten
Schaltung muß daher der Verbindungspunkt der beiden Widerstände mit einer bestimmten Spannungsquelle
oder einer Konstantstrcmqueüe verbunden werden, da
die durch die beiden Widerstände fließenden Ströme jeweils nicht zwangsläufig den Vorspannungsströmen
entsprechen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art so
zu vereinfachen, daß der Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen an ein beliebiges Bezugspotential
gelegt werden kann.
Bei einer Schaltung der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebene
Erfindung gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird sichergestellt, daß die jeweils durch die beiden Widerstände, die
die Vorstrom-Kompensationsschaltung bilden, fließenden Ströme jeweils gleich den ersten und zweiten
Vorströmen gemacht werden, die jeweils in oder aus den ersten und zweiten Eingängen des Operationsverstärkers
fließen. Da die durch dic-.e beiden Widerstände fließenden Ströme gleich den ersten und zweiten
Vorströmen gemacht werden, kann der Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen mit irgendeiner
Potentialquelle verbunden werden, wie z. B. mit Erde oder einem Rückkopplungswiderstand. Die Schaltung
wird daher einfacher.
Ausgestaltungen der Erfindung ·\~.ί. in den Untcransprüchen
angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt
F i g. 1A bis IC herkömmliche Operationsverstärker-Schaltungen,
bei denen die Vorströme der Operationsverstärker nicht kompensiert werden,
Fig. 2 eine Grundschaltung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips,
F i g. 3A bis 3D Schaltungen von verschiedenen Ausführungsformen und
Fig. 4 eine Schaltung einer weiteren Ausführungsform.
Fig. IA zeigt eine herkömmliche, nicht-invertierende
Verstärkerschaltung. Ein Operationsverstärker OP besitzt einen nicht-invertierenden Eingang (-f), der über
einen Widerstand Ro mit einer Signalquelle VmNc,,\s(,
verbunden i«t. Der Ausgang ist über einen Widerstand R, mit dem invertierenden Eingang (-) verbunden, der
seinerseits über einen Widerstand /?2 an Masse liegt.
Wenn ein am nicht-invertierenden Eingang ( + ) des Operationsverstärkers OP anliegender Vorspannungsstrom
bzw. Vorstrom In vernachläsrigbar ist, verursacht
der Vorstrom Iß eine Spannung V0 = Ra χ In, die am
nicht-invertierenden Eingang ( + ) des Verstärkers OP
auftritt, wenn die Signalquellenspannung
Veingang
Null
ist. Der größere Widerstand Rq würde auch dann eine
höhere Eingangsspannung Vo verursachen, wenn der Vorstrom Ia vernachlässigbar klein ist Wenn die
Ausgangsimpedanz der Signalquelle
Veinoasg
sehr
groß ist, läßt sich daher keine genaue, richtige Verstärkung der Eingangssignale erreichen.
F i g. Ί B zeigt eine herkömmliche Integrationsschaltung, in der ein Eingangsanschluß mit dem invertierenden Eingang (—) des Operationsverstärkers OP über
einen Widerstand R3, der Ausgang des Operationsverstärkers OP Ober einen Kondensator Q mit dem
invertierenden Eingang ( —) und der nicht-invertierende
Eingang (+) des Verstärkers CP mit Masse verbunden
ist Es soll der Fall betrachtet werden, bei dem der Eingangsanschluß offen gehalten wird, um die Ausgangsspannung
konstant zu halten. Unter der Annahme, daß der Leckstrom des Kondensators Ci vernachlässigbar
klein ist, bewirkt der Vorstrom /a daß die
Ausgangsspannung V am Ausgang verschoben bzw. gedriftet wird, so daß die Gleichung d V/dt = IgIQ gilt,
wobei idie Zeit ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers
OP nimmt daher allmählich ab, so daß das Ausgangssignal nicht für einen längeren Zeitraum konstant sein
wird.
In Fig. IC ist eine Operationsverstärkerschaltung
der herkömmlichen Art dargestellt. Ein Eingangsanschluß ist in dieser Figur mit dem nicht-invertierenden
Eingang ( + ) des Operationsverstärkers OP und mit einem Anschluß eines Widerstandes Ri verbunden,
dessen anderer Anschluß an Masse liegt. Der Ausgang des Verstärkers OPist mit den Widerständen Rj und Rb
verbunden. Der Widerstand R-, steht seinerseits mit dem nicht-invertierenden Eingang ( + ) und der Widerstand
Rb mit dem invertierenden Eingang ( —) sowie einem
Anschluß eines Widerstands Rj in Verbindung, dessen anderer Anschluß an Masse liegt. Bei der in Fig. IC
dargestell.jn Schaltung mit hoher Eingangsimpedanz sei angenommen, daß der Vorstrom In 1 am invertierenden
Eingang (—) und der Vorstrom In 2 am nicht-invertierenden
Eingang ( + ) vernachlässigbar klein sind. Dann ist die am Eingang (-) des Verstärkers OP
anliegende Spannung Vi durch folgende Gleichung gegeben.
«7
K1, + «7
K1, + «7
Γ,
und die Spannung am nicht-invertierenden Eingang ( +)
ist daher durch die Gleichung
gegeben, wobei V1 eine am Ausgang auftretende
Spannung ist. Wenn der Operationsverstärker OP im nicht-gcsä'tigten Zustand arbeitet, sind die Eingangsspannungen Vi und Vi einander im wesentlichen gleich.
Daher ergibt sich aus den zuvor angegebenen beiden Gleichungen:
«7
«4
«5
(I)
Mit anderen Worter die Eingangsspannungen V' und V2 sind einander im wesentlichen gleich, wenn die
Widerstände R,\ bis R? die Gleichung (1) befriedigen.
Wenn eine Signalquelle Veingang die mit einem
Eingangsanschluß über einen Widerstand R» verbunden ist, in Betracht gezogen wird, werden die Zustände, die
die Beziehung Vi = V3 befriedigen, weiter eingeschränkt.
Unter Berücksichtigung der Vorströme Ib 1 und Ir 2 am
invertierenden ( —) bzw. nicht-invertierenden {+) Eingang des Operationsverstärkers OPergeben sich für
die Eingangsspannungen Vj und Vj jetzt:
R7
R1
- Ki + I
κ, =
Wenn die Spannungen Vi und V1 trotz des Wertes der
Ausgangsspannung Vj einander im wesentlichen gleich sind, wird die folgende Gleichung b" 'riedigt:
Vx = -/,,,R7 -r Zr2R4 = O.
Kn + K1
Kh + K5,
Aus diesen Gleichungen ergibt sich wiederum die zuvor angegebene Gleichung (1):
R1, R5 '
1(1 sowie die Gleichung:
R. /„,
R. /„,
Daher sollten beide Gleichungen gleichzeitig befriedigt werden, wenn eine unendlich hohe Atisgangsimpedanz
der Schaltung mil Vorströmen Im und /g>
in Betracht gezogen wird. In der Praxis liegen diese Vorströme jedoch in einer Größenordnung von einigen
zehn oder einigen hundert Nanoampere, und es ist sehr schwierig, den genauen Wert der Vorströne zu messen.
Wie im Zusammenhang mit den herkömmlichen, in den F i g. IA bis IC dargestellten Schaltungen beschrieben
wurde, führen die Vorströme eines Operationsverstärkers bei Schaltungen, in denen ein Operationsverstärker
vorliegt, in der Praxis zu verschiedenen Nachteilen. Natürlich gibt es einige hochklassige. sehr
gute Operationsverstärker mit sehr geringen Vorströmen, die jedoch sehr teuer sind.
In F i g. 2 ist eine Schaltung dargestellt, die der
Erläuterung des erlindungsgemäßen Grundprinzips
dient. In dieser Schaltung sind der invertierende und der
nicht-invertierent'e Eingang 1 bzw. 2 des Operationsverstärkers
OP miteinander über eine aus den Widerständen /?)0 und Rw bestehende Reihenschaltung
verbunden, die Kompensationswiderstände für die zum Operationsversti'/ker OPfließenden Vorströme sind. In
Fig. 2 liegt am invertierenden Eingang 1 die Eingangsspannung V|, am nicht-invertierenden F.ingang 2 die
Eingangsspannung V2. am Ausgang 3 die Ausgangsspannung
V) und an dem Verbindungspunkt 4 der Widerstände Rm und Rw eine Spannung V4 an. An den
Verbindungspunkt 4 kann eine Spannung angeschlossen werden, um eine Vorspannungskompensalion durch
Rückkopplung vom Ausgang .1 zu bewirken. Es sei angenommen, daß die Vorströme /« 1 und /«.-■ irnt/ der
Änderungen der Spannung V, im wesentlichen konstant
sind, da der Operationsverstärker OPnormalerweise im
Konstantstrom-Bereich arbeitet.
Unter der Annahme, daß keine externen Schaltungen mit den Anschlüssen f und 2 in der in Fig. 2
dargestellten Schaltung verbunden sind, gilt:
i', - V4, + /ft Rw .
I2 = Vx f I1 K11 ,
A ':;'. uL-r Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers
OP und V1)/ ist eine Abweichungs-Spannung, die
eine Spannungsdifferenz V2- Vi ist, wenn V1 = OiSt. In π
der Gleichung (5) ist der Verstärkungsfaktor A normalerweise größer als 104, was näherungsweise
unendlich groM ist. Wenn das Ausgangssignal des Operationsverstärkers nicht gesättigt ist, d. h. wenn das
Ausgangssignal V, einen endlichen bzw. bestimmten :n
Weit aufweist,dann gilt
ι, - i; - i,„ = o. «si
Da keine externen Schaltungen mit den Anschlüssen I _>-,
und 2 verbunden sind, ist der über den Widerstand R1,,
fließende Strom /h gleich dem Vorstrom In, am
invertierenden Eingang ( —) des Verstärkers und der über den Widerstand Ru fließende Strom /; ist gleich
dem Vorstrom In: am nicht-invertierenden Eingang jn
( + ). Dann ergibt sich aus den zuvor angegebenen Gleichungen (3),(4) und (6) die folgende Gleichung:
[■ I- 7 J? It?
I' / *71
Nachfolgend soll e'er Fall betrachtet werden, wenn an
einem der Eingangsanschlüsse 1 und 2 eine externe Schaltung angeschlossen ist. Wenn beispielsweise eme
externe Schaltung mit dem Anschluß 2 verbunden ist. dann ist der Strom k gleich dem Vorstrom /«,. und αι
daher gilt:
Γ, = I4+ /,«,o = I4+ /„, «„,. 18)
»: = '4+ I-Rn . (9) j-,
Wenn die in dieser Weise angeschlossene externe Schaltung eine Änderung des Ausgangssignals des
Operationsverstärkers bewirkt, wirkt der Rückkoppelkreis so. daß das Ausgangssignal nicht gesättigt bzw. 5η
nicht übersteuert ist, und daher ergibt sich aus den Gleichungen (6), (8) und (9) die folgende Gleichung:
= In R\\ ~
(10)
Die Abweichungsspannung Korund der Vorstrom Ib 1
sind aufgrund der Konstantstrom-Arbeitsweise des Operationsverstärkers im wesentlichen konstant und
daher führt ein Vergleich der Gleichung (7) mit der Gleichung (10) zu der Beziehung It = Ib 2- Wenn nur am so
Eingangsanschluß 1 eine externe Schaltung angeschlossen ist, kann in entsprechender Weise die Beziehung
A = Ib 1 abgeleitet werden. Oder anders ausgedrückt, die
Widerstände Rm bzw. Ru können so gewählt werden,
daß über sie Ströme fließen, die den Vorströmen im
wesentlichen gleich sind.
Wenn die Widerstände Rw und Ru also so gewählt
sind, daß die Gleichung Vi — Vi = Vqf, d. h. die
Forderungen einer Übersteuerung des Operationsverstärkers befriedigt werden, dann sind die durch die
Widerstände R10 bzw. Rn fließenden Ströme im
wesentlichen gleich den Vorströmen /β ι bzw. In2. ohne
daß die Vorströme zu den externen Schaltungen gelangen. Es sei bemerkt, daß die externe Schaltung an
einem der beiden Eingangsklemmen angeschlossen ist. Dadurch treten die durch die Vorströme in einem
Operationsverstärker verursachten Nachteile nicht auf.
In den Fig. 3A bis 3D sind verschiedene Ausführungsformen
dargestellt. In diesen Figuren sind die Widerstände Rw und Ru dieselben wie die in F i g. 2
dargestellten Widerstände, die zur Kompensation der Vorströme eines Operationsverstärkers dienen. In jeder
der in den F i g. 3A bis 3D dargestellten Schaltung liegt der Verbindungspunkt 4 zwischen den Widerständen
Rw und Ru auf einem vorgegebenen Potential, beispielsweise
auf Massepotential, und die Widerstände Rw und /?i 1 sind so ausgewählt, daß dadurch eine Spannungsdifferenz
zwischen dem nicht-invertierenden (+) und dem invertierenden (-) Eingang des Operationsverstärkers
OP auftritt, die im wesentlichen gleich der Abweichungsspannung
des Operationsverstärkers ist.
Fig. 3A zeigt eine invertierende Verstärkerschaltung,
bei der eine externe Schaltung einen Widerstand Rin umfaßt, der den Eingangsanschluß und den
inveicierenden Eingang ( —) des Operationsverstärkers
verbindet. Ein Widerstand R\2 verbindet den invertierenden
Eingang (—) und den Ausgang eines Operationsverstärkers OP. wobei die Eingangssignale zwischen
Masse und dem invertierenden Eingang (--) angelegt werden.
Fig. 3B zeigt eine nicht-invertierende Verstärkerschaltung,
bei der ein Schaltpunkt 4 mit einer Spannung beaufschlagt wird, die von einem aus den Widerständen
Ru und Rm bestehenden Spannungsteiler bereitgestellt
wird, wobei der nicht-invertierende Eingang des Verstärkers mit den Eingangssignalen beaufschlagt
wird. Wenn die Widerstände Rw und Ru in der zuvor beschriebenen Weise ausgewählt werden, wird die
Eingangsimpedanz der Schaltung unendlich groß. Zwischen dem nicht-invertierenden Eingang ( + ) und
Masse kann ein Widerstand R-^ liegen, um die
Eingangsimpedanz gleich dem Widerstand /?h zu
machen.
Fig. 3C zeigt eine Integrationsschaltung, bei der ein
Kondensator C\ den invertierenden Eingang ( —) und den Ausgang eines Operationsverstärkers OP verbindet,
wobei die Eingangssignale an den invertierenden Eingang ( —) über einen Widerstand R^ angelegt
werden. Während die Eingangsanschlüsse offen gehalten bzw. nicht angeschlossen sind, wird die Ausgangsspannung oder das integrierte Ausgangssignal konstant
gehalten, da kein Strom vom Kondensator Q zum invertierenden Eingang (—) oder zum Widerstand R10
fließt Daher tritt bei dieser Integrationsschaltung keine Drift bzw. keine Verschiebung auf.
F i g. 3D zeigt eine Spannungs-Folgerschaltung bzw.
eine Spannungs-Nachlaufsteuer- bzw. Regelschaltung, bei der die am Schaltpunkt 4 auftretende Spannung vom
Ausgang des Operationsverstärkers OP über einen Widerstand Rm rückgekoppelt wird, wobei die Eingangssignale am nicht-invertierenden Eingang (+) des
Operationsverstärkers anliegen.
Wie aus den in den Fig.3A-3D dargestellten
Schaltungen zu ersehen ist, ist die Leitung, die normalerweise mit einem der Eingänge (—) und (+) des
Operationsverstärkers verbunden ist, mit dem Schalt-
punkt 4 zwischen den Widerständen Rw und R11
verbunden. Beispielsweise ist in Fig. 3B der dem Ausgang des Verstärkers OPabgewandte Anschluß des
Widerstandes Rn, der bei der in Fig. IA dargestellten
Schaltung in der üblichen Weise mit dem invertierenden F.inganp (-) des Operationsverstärkers verbunden ist.
in diesem Falle mit dem Verbindungspunkt 4 der Fleihenwiderstände /?mund Rw verbunden.
Unter der Voraussetzung, daß die Beziehung V'.< - Γ; = V1H irilt. kann der Widerstand /?m lortgclasscn
werden, da die am nieht-invertierenden Fingang ( + )
.inliegende Spannung um die Abweichungsspannung V1Ii hoher als die am invertierenden F.ingang (-)
anliegende Spannung V1 ist. während der Vorstrom In;
vom nicht-invcrtiercndcn F.ingang ( + ) über den
Widerstand Kr fliei3t. Daher ist bei der in F i g. 4
dargestellten Schaltung der Widerstand R ■ fortgelassen.
Diese Schaltung is» ein nichl-invertierender Verstärker, der der in Fig. 3B dargestellten Schaltung
entspricht. In F i g. 4 ist die geteilte Spannung, die zwischen den in Reihe geschalteten Widerständen R\*
und R\« auftritt, direkt an den invertierenden Eingang (-) eines Operationsverstärkers OPgelegt, wobei der
Widerstand Rw die beiden Eingänge (-) und ( + ) des
Verstärkers verbindet und die Eingangssignale an den nicht-inveriierenden Eingang (+) angelegt werden, wie
dieses in Fir 4 dargestellt ist. Wenn daher sowohl das
Vorzeichen als auch die Größe der Abweichungs-Spanming
V,)i sowie die Stromrichtungen der Vorströme /« ι
und In .·. deren Stromrichtungen von den Polaritäten der
im Operationsverstärker enthaltenen Transistoren abhängen, mit in Betracht gezogen werden, kann einer
der Kompcnsationswidcrstandc R^und Rw fortgelassen
werden.
llieizu 2 HI.ill /.eichuimeen
Claims (8)
1. Operationsverstärker-Schaltung mit einem Operationsverstärker mit einem ersten und einem
zweiten Eingang sowie einem Ausgang und mit einer Reihenschaltung aus einem ersten und einem
zweiten Widerstand, die zwischen den ersten und zweiten Eingang geschaltet sind und an deren
Verbindungspunkt ein bestimmtes elektrisches Po- ι ο tential angelegt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß nur einer der Eingänge ein Eingangssignal erhält und der andere der Eingänge mit nur einem
der Widerstände (R 10, R 11) verbunden ist.
Z Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verbindungspunkt (4) mit Erde verbunden ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
daß der Verbindungspunkt (4) über einen Rückkopplüiigswiderständ (R 17} mit dnrn Ausgang iv,
des Operationsverstärkers (OP) verbunden ist.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (R 14) zwischen den
Verbindungspunkt (4) und Erde geschaltet ist.
5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- j>5
zeichnet, daß ein Widerstand (R 15) zwischen dem einen der Eingänge und Erde geschaltet ist, der das
Eingangssignal erhält.
6. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, <1aß ein Rückkopplungswiderstand (R 12) jm
über einen der ersten und zweiten Eingänge und den Ausgang des Operationsverstärkers (OP) geschaltet
ist und daß ein Widerstand (R'2Q) mit seinem einen Anschluß mit dem einen der ersten und zweiten
Eingänge verbunden ist, der das Eingangssignal r> erhält.
7. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückkopplungskondensator (C \)
über einen der ersten und zweiten Eingänge und den Ausgang des Operationsverstärkers (OP) geschaltet w
ist und daß ein Widerstand (R 16) an seinem einen Anschluß mit dem einen der ersten und zweiten
Eingänge verbunden ist, der das Eingangssignal erhält.
8. Schaltung nach Anspruch 1. dadurch gekenn- 4·,
zeichnet, daß einer der ersten und zweiten Widerstände (R 10, R 11) durch einen Leiter ersetzt
ist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP50155773A JPS5280760A (en) | 1975-12-27 | 1975-12-27 | Circuit for correcting bias current of operational amplifier |
Publications (2)
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---|---|
DE2658803A1 DE2658803A1 (de) | 1977-07-14 |
DE2658803B2 true DE2658803B2 (de) | 1980-03-27 |
Family
ID=15613084
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2658803A Ceased DE2658803B2 (de) | 1975-12-27 | 1976-12-24 | Operationsverstärker-Schaltung |
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Families Citing this family (2)
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-
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- 1976-12-24 CA CA268,713A patent/CA1102419A/en not_active Expired
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JPS5280760A (en) | 1977-07-06 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OD | Request for examination | ||
OF | Willingness to grant licences before publication of examined application | ||
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