DE1289580B

DE1289580B - Modulator amplifier for measuring purposes

Info

Publication number: DE1289580B
Application number: DE1966S0102445
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Franz; Huml
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1966-03-10
Filing date: 1966-03-10
Publication date: 1969-02-20

Description

Die Erfindung betrifft einen Modulatorverstärker für Meßzwecke mit einer Brückenschaltung, die zwei Siliziumdioden, deren Sperrschichtkapazitäten sich unter Einwirkung der Meßspannung in entgegengesetztem Sinne ändern, in je einem Zweig enthält und in deren eine zu den Siliziumdioden parallel liegende Diagonale eine Wechselspannung eingespeist ist und an deren andere Diagonale ein Wechselspannungsverstärker angeschlossen ist, dessen Eingangsübertrager mit den Brückenkapazitäten einen abgestimmten Parallelresonanzkreis bildet. Derartige Verstärker sind bekannt. Es ist ferner bekannt, die modulierte Gleichspannung nicht über einen Übertrager, sondern über einen Serienresonanzkreis dem Wechselspannungsverstärker zuzuführen. Die Ausgangsspannung des Wechselspannungsverstärkers kann gleichgerichtet werden und die gleichgerichtete Spannung zum Eingang des Verstärkers fückgeführt werden. In derartigen Meßverstärkern spielt die Nullpunltstabilität, welche durch die temperaturabhängigen Parameter der Dioden bestimmt werden, eine entscheidende Rolle. The invention relates to a modulator amplifier for measuring purposes a bridge circuit, the two silicon diodes, whose junction capacitances are under the action of the measuring voltage change in the opposite sense, in each case one Contains branch and in one of the diagonals lying parallel to the silicon diodes an alternating voltage is fed in and an alternating voltage amplifier on the other diagonal is connected, whose input transformer is matched to the bridge capacities Forms parallel resonance circuit. Such amplifiers are known. It is also known the modulated DC voltage is not via a transformer, but via a series resonance circuit to be fed to the AC voltage amplifier. The output voltage of the AC amplifier can be rectified and the rectified voltage to the input of the amplifier be returned. In such measuring amplifiers the zero point stability plays which are determined by the temperature-dependent parameters of the diodes, a decisive role.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Modulationsschaltung zu schaffen, die eine hohe Konstanz des Nullpunktes bei der Messung kleinster Gleichspannungen bzw. Gleichströme gestattet. Zur Lösung dieser Aufgabe wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß die stark temperaturabhängigen Richtströme in Siliziumdioden dem Quadrat der Speisespannung proportional sind und daß daher diese klein gehalten werden muß, indem eine möglichst hohe Kreisgüte angestrebt wird.The invention is based on the object of a modulation circuit to create a high degree of constancy of the zero point when measuring the smallest DC voltages or direct currents permitted. To solve this problem, it is assumed that that the strongly temperature-dependent directional currents in silicon diodes are equal to the square of the Supply voltage are proportional and that this must therefore be kept small, by striving for the highest possible circular quality.

Der Modulatorverstärker gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die den Siliziumdioden gegenüberliegenden Brückenzweige aus symmetrischen Wicklungen eines Differentialtransformators zur Einspeisung der Wechselspannung bestehen und daß zwischen diesen Wicklungen ein Abgleichwiderstand vorgesehen ist. The modulator amplifier according to the invention is characterized by this from the fact that the bridge arms opposite the silicon diodes are symmetrical Windings of a differential transformer for feeding the AC voltage exist and that a balancing resistor is provided between these windings.

An Hand der Zeichnung, die schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert. With reference to the drawing, which schematically shows an embodiment of the Invention shows, the invention and other advantages and additions are described below described and explained in more detail.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben, welche schematisch die Schaltungsanordnung eines Modulatorverstärkers zur Messung sehr kleiner Gleichströme zeigt. An embodiment of the invention is shown below with reference to the Drawing described, which schematically shows the circuit arrangement of a modulator amplifier for measuring very small direct currents.

Die Meßspannung UM wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel an den Klemmen M1 und -den Eckpunktena, b einer Brückenschaltung zugeführt, in deren Zweigen einerseits die spannungsabhängigen Siliziumdioden Dt und Da und andererseits die symmetrischen Wicklungen W1 und W., liegen. Die symmetrischen Wicklungen W1 und W2 sind Bestandteile des Transformators T, dessen Wicklung Ws die Brückenspeisespannung Us aus dem Oszillator 0 zugeführt wird. Zum Abgleich der Kapazitätsdifferenzen in der Brückenschaltung dient ein Differentialkondensator Ct. Die Verlustwiderstände werden durch den Abgriff auf dem WiderstandR von Hand abgeglichen oder automatisch durch eine weitere Diodenbrücke Be, die eine Regelspannung von einem Gleichrichter G2 erhält. The measurement voltage UM is applied in the illustrated embodiment the terminals M1 and -den Eckpunktena, b fed to a bridge circuit, in whose Branches on the one hand the voltage-dependent silicon diodes Dt and Da and on the other hand the symmetrical windings W1 and W. lie. The symmetrical windings W1 and W2 are components of the transformer T, the winding Ws of which is the bridge supply voltage Us is supplied from the oscillator 0. To adjust the capacity differences in a differential capacitor Ct is used for the bridge circuit. The loss resistances are adjusted manually or automatically by tapping on the resistor R through another diode bridge Be, which receives a control voltage from a rectifier G2 receives.

Dieser erhält aus dem Oszillator eine gegenüber der Spannung an dem Gleichrichter G1 um 90° phasenverschobene Spannung, seine Ausgangsspan- nung ist proportional der Verstimmung der Widerstände in der Brücke Bt. This receives a voltage from the oscillator compared to the voltage on the Rectifier G1 voltage phase-shifted by 90 °, its output voltage tion is proportional to the detuning of the resistors in the bridge Bt.

Die vorstehend geschilderte BrückenschaltungBt, an der die Meßspannung UM liegt, ist ihrerseits an die Primärwicklung Wp des Transformators T. angeschlossen, dessen Sekundärwicklung Ws mit dem Eingang des Wechselspannungsverstärkers V verbunden ist. Der Kondensator C ist ein Kopplungskondensator, der verhindert, daß die Meßspannung UM über die Wicklung Wp kurzgeschlossen wird. The bridge circuit Bt described above, at which the measuring voltage UM is in turn connected to the primary winding Wp of the transformer T. its secondary winding Ws is connected to the input of the AC voltage amplifier V. is. The capacitor C is a coupling capacitor that prevents the measurement voltage UM is short-circuited across the winding Wp.

Ein WiderstandRv verhindert den Kurzschluß der Wechselspannung über die Meßquelle. Auf den Verstärker 1 folgt ein phasenempfindlicher Gleichn.dter G1, dem in üblicher Weise eine Steuerschwingung mit der Frequenz des Oszillators 0 zugeführt wird.A resistor Rv prevents the short circuit of the AC voltage across the measurement source. The amplifier 1 is followed by a phase-sensitive equivalent of the G1, which is supplied with a control oscillation at the frequency of the oscillator 0 in the usual way will.

Mit A1 und A4 sind die Ausgangsklemmen bezeichnet, an denen die verstärkte Eingangsspannung UM abgenommen werden kann. Durch den Widerstand RG ist eine Gegenkopplung angedeutet Um den von der Temperaturabhängigkeit der Kapazität der Dioden, und D2 abhängigen Nullpunktfehler möglichst gering zu halten, ist die Schaltungsanordnung derart getroffen, daß die Primärwicklung Wp des Transformators T2 zusammen mit der Parallelkapazität C. und der zwischen den Punkten a und b liegenden Wink- und Blindwiderstände einen Schwingungskreis hoher Güte bildet. Auf diese Weise läßt sich die an den Dioden Di und D. liegende Speisespannung U5 sehr klein halten. Die den Oszillator 0 entnommene Spannung erhält zweckmäßig eine Frequenz oberhalb von 500 kHz. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß bei einer wirkungsvollen Modulation der angelegten Meßspannung die an sich stark temperaturabhängigen Richtströme in den Dioden Dt und D., die dem Quadrat der Speisespannung proportional sind, sehr klein bleiben.The output terminals at which the amplified Input voltage UM can be removed. There is negative feedback through the resistor RG indicated around the temperature dependence of the capacitance of the diodes, and D2 The circuit arrangement is to keep dependent zero point errors as low as possible taken such that the primary winding Wp of the transformer T2 together with the Parallel capacitance C. and the angular and reactive resistances between points a and b forms an oscillation circuit of high quality. In this way the on the diodes Keep Di and D. supply voltage U5 very low. The one taken from oscillator 0 The voltage expediently has a frequency above 500 kHz. That way lets achieve that with an effective modulation of the applied measuring voltage the in itself strongly temperature-dependent directional currents in the diodes Dt and D., the are proportional to the square of the supply voltage, remain very small.

Um eine hohe Güte des Resonanzkreises zu erreichen, ist der einstellbare Widerstand R zum Abgleich der Wirkwiderstände möglichst klein gehalten. In order to achieve a high quality of the resonance circuit, the adjustable Resistance R for balancing the effective resistances is kept as small as possible.

Der Wert für die Kreisgüte Q soll möglichst größer sein als 100. Um eine temperaturabhängige Verstimmung des Kreises und die dadurch bewirkte Phasenänderung zu kompensieren, wählt man für den Kondensator C., einen Kondensator mit einem geeigneten Temperaturkoeffizienten aus, welcher die temperaturabhängigen Änderungen der Kapazitäten der Dioden Dt und D. kompensiert. Die Dioden Dt und D sind zweckmäßig passend zueinander ausgesucht.The value for the circular quality Q should be greater than 100 if possible a temperature-dependent detuning of the circuit and the resulting phase change To compensate, one chooses for the capacitor C., a capacitor with a suitable one Temperature coefficient, which shows the temperature-dependent changes in the capacities the diodes Dt and D. compensated. The diodes Dt and D are expediently matched to one another select.

Günstige Ergebnisse liefern Dioden mit kleinen Bahnwiderständen.Diodes with low rail resistances deliver favorable results.

Der Koppelkondensator Ca besitzt zweckmäßig einen Wert, der mindestens doppelt so groß wie die Kapazität der Dioden ist, der Vorwiderstand Rv muß größer sein als der Resonanzwiderstand des Kreises. The coupling capacitor Ca expediently has a value that is at least twice as large as the capacity of the diodes, the series resistor Rv must be larger than the resonance resistance of the circle.

Infolge der hohen Kreisgüte des durch die Primärwicklung des Transformators T2, den Kondensator C2 und die Brückenschaltung zwischen den Diagonale punkten a und b mit den Dioden Dt und D2 (die Wicklungen W1 und WO auf dem Transformator T1 sind für den Kreisstrom gegensinnig und wirken nicht) gebildeten Schwingungskreises läßt sich ein ausreichender Wirkungsgrad bei der Umsetzung der angelegten Meßspannung UM bereits mit einer dem Oszillator 0 entnommenen Steuerspannung U5 in Größenordnung von einigen Millivolt erreichen. Die angelegte sehr kleine Meßspannung UM bewirkt eine Verstimmung der durch die Dioden und D. und die Wicklungen W1 und W2 des Transformators Ti gebildeten Wechselstrombrücke. Infolge der geringen dabei auftretenden Richtströme 1D in den Dioden D1 und D2 läßt sich in einem Temperaturbereich bis etwa 500 C ein Stromfehler iD in Größenordnung von 10-@ A A erreichen. Dieser Stromfehler ergibt sich aus i@ # A e@T T ist die abs. Temperatur, A und B sind Konstanten, die von der Größe der Restströme der Dioden und von der tlbereinstimmung der Strom-Spannungs-Temperatur-Kennlinien abhängen. As a result of the high circular quality of the primary winding of the transformer T2, the capacitor C2 and the bridge circuit between the diagonal points a and b with diodes Dt and D2 (the windings W1 and WO on transformer T1 are in opposite directions for the circulating current and do not act) formed oscillation circuit can be a sufficient efficiency in the implementation of the applied measuring voltage UM already with a control voltage U5 taken from the oscillator 0 in the order of magnitude of a few millivolts. The applied very small measuring voltage UM causes a detuning of the by the diodes and D. and the windings W1 and W2 of the transformer Ti formed AC bridge. As a result of the low occurring Directional currents 1D in the diodes D1 and D2 can be in a temperature range up to A current error iD in the order of magnitude of 10- @ A A can reach about 500 C. This power failure results from i @ # A e @ T T is the abs. Temperature, A and B are constants that on the size of the residual currents of the diodes and on the correspondence of the current-voltage-temperature characteristics depend.

Der Modulatorverstärker nach der Erfindung hat den Vorteil, daß bereits bei sehr kleinen Wechselspannungen Us an den Dioden ein ausreichender Umsetrungswirkungsgrad (etwa 1) erreicht wird, wobei die in den Dioden fließenden Richtströme klein bleiben und die durch ihre Temperatuabhängigkeit verursachten Nullpunktfehler klein bleiben. The modulator amplifier according to the invention has the advantage that already with very low alternating voltages Us at the diodes a sufficient conversion efficiency (about 1) is achieved, the directional currents flowing in the diodes remaining small and the zero point errors caused by their temperature independence remain small.

Als weiterer Vorteil ist hervorzuheben, daß der Innenwiderstand der die Brücke speisenden Quelle (Oszillator 0) und die Ausgangswechselspannung den Briickenabgleich nicht beeinflussen. Another advantage that should be emphasized is that the internal resistance of the the bridge feeding source (oscillator 0) and the output alternating voltage the Do not influence bridge adjustment.

Bei einem Modulatorverstärker nach der Erfindung wird ferner erreicht, daß auß den sehr kleien Wechselspannungen us und der im Betrieb anliegenden sehr kleinen Meßspannung an den Dioden keine weiteren Spannungen liegen, die Nullpunktfelller verursachen können. In a modulator amplifier according to the invention it is also achieved that apart from the very small alternating voltages us and the very low voltage during operation small measuring voltage at the diodes no further voltages lie, the zero point fellers can cause.

Claims

Claims: 1. modulator amplifier for measuring purposes with a bridge circuit, the two silicon diodes whose junction capacitance changes under the action the measuring voltage change in the opposite sense, contains in each one branch and one of which is parallel to the silicon diodes Diagonal an alternating voltage is fed and connected to the other diagonal an AC voltage amplifier is whose input transformer with the bridge capacitances a tuned parallel resonance circuit forms, characterized in that the silicon diodes (D, D2) opposite Block branches from symmetrical windings (W1, W2) of a differential transformer (T) to feed the alternating voltage (U5) exist and that between these windings (Wl, W,) a balancing resistor (R) is provided.

2. Amplifier according to claim 1, characterized in that in parallel to the diodes (D1, D2) there is a differential capacitor (C) for capacitance equalization.

3. Amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that A phase-dependent rectifier is connected to the output of the AC voltage amplifier (V) (G.2) is connected, which with an alternating voltage against the modulator by 90 phase-shifted reference voltage is controlled and its output is a bridge circuit (B.2) feeds the modulator bridge (B) in the sense of reducing the output voltage of the rectifier (G l) out of tune.

4. Amplifier according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the input transformer (T2) a capacitor (C2) is connected in parallel, which the temperature response of the capacitance diodes (D, D. a) and the transformer inductance having compensating temperature drift.

5. Amplifier according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the modulation frequency is greater than 500 kHz.