DE2508850C2

DE2508850C2 - Spannungsverstärker

Info

Publication number: DE2508850C2
Application number: DE2508850A
Authority: DE
Inventors: Robert Grenoble Poujois
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1974-03-01
Filing date: 1975-02-28
Publication date: 1983-12-08
Also published as: FR2262884A1; NL160446B; GB1503566A; JPS50159235A; NL160446C; DE2508850A1; FR2262884B1; US3982196A; NL7502383A

Description

^ = AV₂-V₁.

Wenn mit τ die Zeitkonstante jedes Verstärkers bezeichnet wird, die gleich R-C ist, so gilt für den Wert von

,=C,e

■Hr.

mit C₁, C₂ = zwei Integrationskonstanten.

Wenn angenommen wird, daß die Gleichgewichtsstörung (Ungleichgewicht) durch feste Spannung K₀ erzeugt wird, so wird als Anfangsbedingung V₁= V₀UnUdV₁IdI=Q erhallen. Damit können die Werte der Konstanten C₁ und C₂ ermittelt werden, und die allgemeine Lösung des Gleichungssysteme ist gegeben durch:

^K' ^{= i/}°Tr^c"^M+"'-

Die Schalteinrichtung beendet den Einschwingvorgang, wenn die Spannung K₁ die Sättigungsspannung ± V_M des Verstärkers erreicht hat.

Wenn a!s Anfangsbedingung K₁ = — K₀ genommen wird, kippt das System zum Wert — V_M. Dies zeigt also die Möglichkeit des Kippens der Schalteinrichtung mit einer geringen Spannung V₀, wobei das Kippen vom Vorzeichen von V₀ abhängt. Bei dem in der F i g. 1 gezeigten Fall stellt die Spannung V₀ die Anfangsladung einer der Kapazitäten der Schalteinrichtung dar.

In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der oben erläuterten Schalteinrichtung dargestellt. Die beiden identischen Verstärker A _t und A₂ sind insgesamt gegengekoppelt geschaltet, d.h. der eine ist zum anderen gegengekoppelt. Die Kapazitäten C und die Widerstände R stellen die Frequenzbegrenzung der Verstärker dar. Die Differenz-Eingänge sind jeweils mit Schaltern K₁ und K₂ ausgestattet, die eine Einspeisung des Signals in Differenzform in die Schalteinrichtung ermöglichen. Eine der obigen Berechnung analoge Überlegung zeigt, daß die Schalteinrichtung im instabilen Gleichgewicht bleibt, wenn die beiden Kapazitäten mit entgegengesetzten Spannungen - V₀ und + V₀ aufgeladen werden. Bei den gegenwärtig üblichen bistabilen Gliedern haben die Verstärker in Wirklichkeit negative Verstärkungsfaktoren — A, und für identische Spannungen an den Kapazitäten bleibt die Schalteinrichtung im instabilen Gleichgewicht. In diesem Fall bewirkt das Differenzsignal K₀= K₀₁ — K₀₂ (V₀₁ und K₀₂ liegen jeweils an den Differenz-Eingängen des bistabilen Gliedes) eine Gleichgewichtsstörung der Schalteinrichtung zu einem ihrer beiden stabilen Zustände. Indem die Schalter K₁ und K₁ geschlossen werden, sind die Kapazitäten C auf den Spannungen K₀₁ und K₀₂ entsprechende Werte vorgeladen. Sobald die Schalter erneut geöffnet sind, kippt die Schalteinrichtung in einen stabilen Gleichgewichtszustand, der vom Vorzeichen der Differenz der Spannungen abhängt, die an den Kapazitäten des Glieds vorliegen. Entsprechend dem Vorzeichen des Signales K₀, d. h. entsprechend den relativen Werten von K₀₁ und K₀₂, kippt die Schalteinrichtung zu den Sättigungswerten — V_M oder + K_M. Um die Schalteinrichtung in ihrem instabilen Gleichgewichtszustand zu halten oder um sie in diesen Zustand zurückzubringen, ist es am einfachsten, wenn die Ausgänge S₁ und S₂ der Verstärker durch einen Schalter K₁ verbunden werden. Dies wird im folgenden als Sperrsteuerung bezeichnet.

Zwei zusätzliche Eingänge sind so beigefügt, daß die Kondensatoren C während des Sperrens geändert und mit zwei Eingängen hoher Impedanz versehen werden können.

I η der F i g. 3 ist ein von der oben erläuterten Schalteinrichtung ausgehendes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Verstärker A₁ und A₂ sind insgesamt mit ihren der Frequenzbegrenzung entsprechenden Gliedem R und C gegengekoppelt. Weiterhin sind in gleicher Weise Schalter K₁ und K₂ zum Anlegen der Differenzspannung und der Sperrschalter K₃ vorgesehen. Die Ausgangssignale der Verstärker A₁ und A₂ steuern jeweils Schalter K₄. und K₅. Diese Schalter K₁₁ und K₅ können Quellen von Spannungen + K_M und — V_M mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung 2 verbinden. Zwischen der gemeinsamen Ausgangsleitung 2 und Erde sind jeweils zwei Kapazitäten C, und C₂ vorgesehen. Die gemeinsame Ausgangsleitung 2 hat zwischen den beiden Kapazitäten C₁ und C₂ einen Schalter K₆. Hinter der Kapazität C₂ befindet sich der Ausgang S der Anordnung,
Im folgenden soll gezeigt werden, daß die in der F i g. 3 dargestellte Schaltung einen Verstärker bildet. Die Schalteinrichtung liefert Ja-Nein-Informationen. Wenn die Ausgangsinformationen gemittelt werden, was durch n-maliges Kippen (in der Sekunde) der in der Fig. 3 dargestellten Schaltung unter dem Einnuß des Eingangssignales erfolgt, wird zwischen zwei Kippvorgängen ein Proportionalverstärker gebildet, und die Schaltung durch die Sperrsteuerung in ihre instabile Gleichgewichtsstellung rückgesetzt. Die Quellen für Spannungen + V_M und + K_M dienen zur Kompensation, weil sich der Ausgang einer der Verstärkerstufen (Verstärker A, oder A₂) in genau festgelegten Grenzen nicht ändert, und erzeugen so an den beiden Ausgängen der Schalteinrichtung einen genau festgelegten, im Absolutwert identischen Pegel. Dies wird erreichi, indem mil den Ausgangssignalen der in der Fig. 2 dargestellten Schalteinrichtung die Schalter K₁₁ und K₅ gesteuert werden, die die Quellen der Spannungen + K_M und — V_M mit dem neuen Ausgang (Punkt B) der Schalteinrichtung verbinden.

Die gesamte Schaltung aus den Kapazitäten C₁ und C₂ bildet einen Integrierer Tür das kalibrierte Ausgangssignal, das durch die Schalteinrichtung am Punkts erzeugt wird. Die Spannung + K_M oder — V_M induziert in der Kapazität C₁ Ladungen +AQ oder -AQ bei jedem Kippen in einen der beiden Gleichgewichtszustände. Diese Ladungen werden in der Kapazität C₂ mit großem Wert gesammelt. Die Spannung an den Klemmen dieser Kapazität ändert sich schritt- oder stufenweise. Diese Stufen sind proportional zu + K_M und zum Verhältnis der Kapazitäten C₁ und C₂. Genauer ausgedrückt, eine Δ K-Spannungsstufe ist gleich (+ K_M) C₂IC₁. Diese besondere Integrationstechnik ist sicher nicht unbedingt erforderlich, sie hat aber den Vorteil, daß sie leicht monolithisch herstellbar ist. Ein Integrierer dieser Art, der aus den Kapazitäten C₁ und C₂ besteht, ist gleichwertig einer Zeitkonstanten, die C₇/C,/beträgt, wobei/die Kippfrequenz der Schalteinrichtung darstellt, was zur folgenden Grenzfrequenz des gesamten Verstärkers führt:

Fr =

InC₂

Im folgenden wird der Verstärkungsfaktor des in der Fig. 3 dargestellten Verstärkers ermittelt. Es wird vorausgesetzt, daß die Schalteinrichtung vollständig symmetrisch ist, d.h. daß die beiden Verstärker A₁ und A₂ genau identisch sind, und daß die Schalteinrichtung alternativ im Gleichgewichtszustand durch Sperren (Schalter K₃) und dann unter dem Einfluß des Eingangssignals im Kippzustand ist, was periodisch durchgeführt wird.

Der Ladungsübergang von C₁ nach C₂ erfolgt nur nach einem Kippen, das durch das Signal hervorgerufen wird, das auf einem Schließen des Schalters K₆ beruht. Mit e„ soll die Rauschspannung der beiden Verstärker bezeichnet werden, die die zu einem einzigen Eingang rückgeführte Spannung ist. Mit/(x) soll die Rauschverteilung bezeichnet werden, für die ein zum Eingang gleichmäßiger Gauß-Verlauf angenommen wird. Mit U soll die Eingangs-Differenzspannung bezeichnet werden. Die beobachtete Ausgangsspannung ist der Mittelwert der Spannungen ± K_M, die entsprechend den Wahrscheinlichkeiten ihres Vorliegens gewichtet sind. Es wird immer ein positives Signal erhalten, wenn die Spannung U größer als die Rauschspannung ist. Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch:

f(x)dx

Es wird ein negatives Signal erhalten, wenn das Rauschen viel größer als das Signal ist. In diesem zweiten Fall ist die Wahrscheinlichkeit gegeben durch:

V₀ f JXx) dx

Das mittlere Signal am Ausgang der Anordnung ist die Differenz: ι ο

^s= *M Γϊ /<vKy- f/(.v
Wenn F (χ) das Integral von/(.ν) ist, so gilt:

15

Der Verstärkungsfaktor dV_s/dU ist gegeben durch XU)-]:

G(U)=

e'Jiz

σ]/2π
Für .V = O ergibt sich:

σγΐπ

25

30

Damit hängt der Verstärkungsfaktor lediglich vom thermischen Rauschen am Eingang der Anordnung ab. Beispielsweise beträgt bei K_M = 10V und einer MOS-Transistorschaltung, für die σ in der Größenordnung von 100 μν liegt, der Verstärkungsfaktor G 80000. Bei einer Schaltung mit bipolaren Transistoren, dür die σ in der Größenordnung von 10μν liegt, beträgt der Verstärkungsfaktor dann 800000.

Der oben erläuterte Betrieb des erfindungsgemäßen Verstärkers verdeutlicht, daß bei der verwendeten Schalteinrichtung die beiden getrennten nicht-instabilen Gleichgewichtszustände begrenzte Zeitdauern haben können, wie z. B. bei einem Multivibrator; es genügt, daß das Steuern der Kalibriereinrichtung (Schalter Κ_Λ, K_s) während dieser Zeitdauer durchgeführt wird (Beibehalten des durch die Einspeisung des Eingangssignales hervorgerufenen Gleichgewichtszustandes).

In der Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des Verstärkers mit einer Korrektureinrichtung für dessen Offset-Spannung dargestellt. Unter Offset-Spannung eines Verstärkers in Differenz-Schaltung wird die Spannung verstanden, die an einen der Eingänge des Verstärkers gelegt werden muß, um am Ausgang eine Nullspannung zu erhalten. Die Offset-Spannung beträgt für einen idealen Verstärker 0. Der erläuterte Verstärker wird so geändert, daß er alternativ zur Verstärkung des Nutzsignals oder der Offset-Spannung eingesetzt werden kann. Während der automatischen Abgleichperiode liegt der Eingang des Signales auf Erde, und der Ausgang ist mit einem zweiten Ladungs-Integrierer verbunden. Dieser zweite Integrierer ist zum Eingang der Verstärkerschaltung rückgeführt.

Jeder Verstärker hat so drei Eingänge (die verschiedene Empfindlichkeiten besitzen können), einen für das Signal, einen zur Rückführung und einen zur Korrektur der Offset-Spannung.

Um dieses Ergebnis zu erhalten, werden an der in der F i g. 3 dargestellten Schaltung folgende Änderungen vorgenommen : Zwischen die Kapazität C₁ und dem Punkt B wird ein Schalter K₁ eingefügt. Parallel zur Kapazität C₂ wird ein zweiter Integrierer aus einer mit einem Schalter A"₈ ausgestatteten Integrationskapazität C₂ geschaltet. Die an den Klemmen der Kapazität C₂ auftretende Spannung wird zum Eingang des Verstärkers A₂ über eine Leitung 4 rückgeführt. Die Eingangsstufe des Verstärkers hat zusätzlich zu den Schaltern K₁ und K₂ Schalter K₉ und K₁₀, die es ermöglichen, die Eingänge der Verstärker A₁ und A₂ auf Erde zu bringen.

Im folgenden wird der Betrieb der oben erläuterten und in der Fig. 1 dargestellten Schaltung näher beschrieben : Vor jedem Betrieb ist die Schalteinrichtung im instabilen Gleichgewichtszustand durch den Sperrschalter K_} gesperrt. Die Schalter K₁ und K₂ sind geöffnet, und die Schalter K₉ und Af₁₀ sind geschlossen. Der Schalter K₂, wird geöffnet. Die Schalteinrichtung kippt in einen Gleichgewichtszustand unter dem Einfluß der Offset-Spannung und des Rauschens. Der Schalter K₁ wird geschlossen, um den Kondensator C₁ mit einer Ladung AQ aufzuladen, und dann ist der Schalter K₁ geöffnet. Der Schalter AT₈ wird geschlossen. Die Ladung AQ korrigiert dann die Spannung an den Klemmen der Kapazität C₂, um die Schalteinrichtung symmetrisch zu machen. Durch die Leitung 4 wird diese Ungleichgewichtsspannung zum Eingang der Schalteinrichtung rückgeführt.

Im folgenden wird der Schalter A₃ erneut leitend gemacht. Das Signal wird in den Eingang der Schalteinrichtung eingespeist, in dem die Schalter K₁ und A'₂ geschlossen und die Schalter K₉ und Ä"₁₀ geöffnet werden. Der Sperrschalter K₃ wird geöffnet. Die Schalteinrichtung kippt unter dem Einfluß des an ihrem Eingang liegenden Signales. Der Schalter K₁ wird geschlossen, um die Kapazität C₁ mit einer Ladung AQ aufzuladen. Anschließend wird der Schalter K₁ geöffnet, und der Schalter K_b wird geschlossen. Die Ladung AQ ändert dann die Spannung an den Klemmen der Kapazität C₂.

Am Ende einer bestimmten Kippanzahl wird die Offset-Spannung sehr gering.

Um die beste mögliche Kompensation der Offset-Spannung zu erzielen, sollte der Kapazität C₂ ein erhöhter Wert gegeben werden.

Selbstverständlich muß bei einer vollständigen Schaltung ein Folge-Taktgeber vorgesehen sein der einen Impuls erzeugt, um jede Betriebsperiode des Verstärkers auszulösen, und in bezug auf diesen Anfangsimpuls versetzte Impulse erzeugt, um das Öffnen oder Schließen der Schalter K₁ und K₂, K₉ und K₁₀, K₃, K₆, K₁, A₈ hervorzurufen.

In den Figuren sind die Schalter zur Vereinfachung der Zeichnung lediglich als Kontakte zum mechanischen Abschalten dargestellt. Bei einem integrierten Ausführungsbeispiel können diese Schalter in vorteilhafter Weise aus MOS-Transistoren bestehen, deren Gate-Anschlüsse die Steuereingänge darstellen.

Die in der F i g. 3 dargestellte Grundschaltung kann auf andere Weise verändert werden. Diese betrifft eine bestimmte Kalibrierart der druch die Schalteinrichtung erzeugten Signale und ist in der Fig. 5 gezeigt. Damit ist es möglich, die auf Ungenauigkeiten der Werte der Spannungen V_n, und — V_m sowie der durch die Schalter K₄. und K₅ hervorgerufenen Streuwerte beruhenden Fehler zu unterdrücken oder wenigstens zu verringern.

Die Schalteinrichtung ist durch das Rechteck 7 mit ihren Ausgängen S₁ und S₁ entsprechend den beiden stabilen Zuständen gezeigt. Das durch den Ausgang S₁ ausgesandte Signal steuert einerseits den Schalter K'_A, der zum Verbinden der Quelle der Spannung - V_M mit der

gemeinsamen Leitung 2 dient, und andererseits den Schalter K"₄, der zum Verbinden der Quelle der Spannung — V_M mit einer zweiten gemeinsamen Leitung 2' dient, die die gleiche Rolle wie die Leitung 2 spielt und mit Kapazitäten C₃ und C₄ (identisch zu den Kapazitäten C₁ und C₂) und einen Schalter A^ ausgestattet sind. Auf gleiche Weise steuert das durch den Ausgang S₂ ausgesandte Signal einerseits einen Schalter K'_s, der zum Verbinden der Quelle der Spannung — V_M mit der gemeinsamen Leitung 2 dient, und andererseits einen Schal- ι ο ter K"_s , der zum Verbinden der Quelle der Spannung + V_M mit der gemeinsamen Leitung 2' dient. Zwischen den Punkten S und S' wird ein Differenz-Ausgangssignal erhalten.

Es soll angenommen werden, daß die positive Spannungsquelle nicht genau den Wert + V_M, sondern + V_u +ε hat, und daß die Anordnung von einer Seite so oft wie von der anderen Seite kippt. Das Ausgangssignal S beträgt ε/2, das Ausgangssignal S' beträgt ebenfalls ε/2, und das Differenz-Ausgangssignal hat effektiv den Wert 0. Eine Berechnung zeigt, daß die Impulse der Störgeräusche kompensiert werden, die von den Schaltern K₄ und K"₅ kommen, wenn diese identisch sind.

Eine dritte Abwandlung betrifft die Eingangsstufe der Schalteinrichtung und ermöglicht es, eine Sättigung der Schaltung bei gemeinsamem Betrieb zu verhindern, wenn die Eingangsspannungen groß sind.

In der Fig. 6 ist eine derartige Eingangsstufe gezeigt. Der Eingang der Schaltung besteht aus Klemmen D₁ und D₂, und die Eingangsstufe ist mit den Eingängen der Schalteinrichtung über Klemmen B₁ und B₂ verbunden.

Diese Stufe hat Kapazitäten G₁, G₂, G\,G'₂, die parallel geschaltet und unter sich durch Schalter I₁ und I₂ verbunden sind, wobei alle Schalter /, gemeinsam betätigbar sind. Das gleiche gilt auch für die Schalter I₁. Eingangssignale E₁ und E₂ werden in die Eingangsklemmen D₁ und D₂ eingespeist. Die Schalter Z₁ werden geschlossen, und die Schalter I₂ werden geöffnet. Die Kapazitäten G₁ und G'j laden sich bei der Spannung E₁ auf, und die Kapazitäten G₂ und G₂ laden sich bei der Spannung E₂ auf. Dann werden die Schalter I₁ geöffnet, und die Schalter I₁ werden geschlossen. An der Klemme B₁ wird cmc opannung ^i₁ — E₂ erhalten, und 3n der Klcrrime B₂ wird eine Spannung E₂-E₁ erhalten. Also liegt zwischen den Klemmen B₁ und B₂ eine Spannung U=2 (E₁ — E₂), aber an jedem Eingang der Schalteinrichtung liegen lediglich Spannungen E₁ — E₂ und E₂-E₁, was eine eventuelle Sättigung der Grundverstärker verhindert, die einen Teil dieser Schalteinrichtung bilden.

Die Fig. 7 stellt ein Ausführungsbeispiel eines der Verstärker Λ ■ oder A₂ und deren Eingangsstufe dar. Der Verstärker bestehi aus zwei MOS-Transistoren M₁ und M₂, wobei der Transistor M₂ eine große Eingangskapazität C hat.

Der Transistor M₂ empfängt über den Schalter AT₁ das Eingangssignal und über den Schalter K\ das vom Ausgang des Verstärkers A₂ kommende Rückführsignal. Das Signal wird eingespeist (Schalter K₁), um in einer ersten Zeit die Eingangskapazitäten aufzuladen. Dann wird die Schaltung rückgeführt (Schalter K\), und sie kippt abhängig von den zugeführten anfänglichen Ladungen. Um den Einfluß des Rauschens auf das Kippen möglichst klein zu machen, wird ein Filter F am Ausgang vorgesehen.

Die Fi g. 8 erläutert einen Fall, bei dem eine Kapazität C₃ zur Verbindung zwischen dem Eingang der Verstärkerschaltung und dem Eingang jedes Verstärkers A₁ und A₂ dient. Mit e soll die Offset-Spannung der Stufe bezeichnet werden. Der Ausgang des Verstärkers A₁ ist zu seinem Eingang über einen Schalter K'[ rückgekoppelt (rückgeführt).

Diese Schaltung hat folgenden Zweck: Die Kapazität C₃ wird vorgeladen, indem K₁ und K'[ geschlossen werden. Die Kapazität C₃ lädt sich auf eine Spannung

-S

'4

wenn S die Ausgangsspannung bedeutet. Wenn K₁ und K'l geöffnet werden, liegt eine Stufe mit einer Verbindungskapazität C₃ vor, die auf die Spannung S aufgeladen ist. Die Offset-Spannung, die ursprünglich e war,

wird zu e' = e —= , wodurch die Offset-Span-

nung der Stufe beträchtlich verringert wird (Faktor I+A).

Die Fig. 9 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, das gleichzeitig eine Verringerung der Spannung bei gemeinsamem Betrieb und der Offset-Spannung ermöglicht. Wie leicht einzusehen ist, vereinigt dieses Ausführungsbeispiel die in der Fig. 6 gezeigte Eingangsstufe und die Schaltung der Fig. 8.

Es werden die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in der Fig. 8. Die Erde ist jeweils durch die Ausgangsspannung S₁ des Verstärkers A₁ und die Ausgangsspannung S₂ des Verstärkers A₂ ersetzt.

Wenn die Schalter I₁ geschlossen und die Schalter I₂ geöffnet sind, laden sich die Kapazitäten G₁, G₂, C₁ und G₂ auf die folgenden Werte auf:

für G',: -E₁ +

•4"

für G₁: E₁-

•4

für G₂: —^- - E₂ und für G₂: E₂ ■

■4

Nach dem Öffnen der Schalter I₁ werden zwei Verstärker (G₁, C₁, A₁) und (G₂, G₂, A₂) erhalten, die eine Offset-Spannung von genau 0 besitzen, wenn Schalt-Störgeräusche der Schalter vernachlässigt werden.

Wenn E₁ =0 angenommen wird, liefert die auf

-4

aufgeladene Kapazität G, am Eingang des Verstärkers

A _i eine Spannung H — (A j hat einen Verstärkungsfak-

1 +A

tor —A). Diese Spannung wird der Spannung an den Klemmen der Kapazität C₁ beigefügt, die

beträgt.

Die Summe dieser Spannungen gibt eine Spannung 0.

Die Fig. 10 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem die Spannung bei gemeinsamem Betrieb mittels eines Differenz-Einganges verringert ist Der Eingang hat einen Verstärker A₄. in Differenz-Schaltung und zwei Kondensatoren C₄ und C₄ zum Speichern der Spannung in gemeinsamem Betrieb, die auf den vorhergehenden Stufen, einschließlich K₄., beruht. Den Verstärkern A₁ und

A2 wird die in der F i g. 10 dargestellte Schaltung zugeordnet, wobei die Indizes 1 dem Verstärker A _l und die Indizes 2 dem Verstärker A₂ entsprechen. Die Schalter I₃ ermöglichen das Anlegen einer Polarisationsspannung ^₀, die zum Einstellen der Spannung für gemeinsamen Betrieb dient, die beim Kippen an den Verstärkern A_x und A₂ liegt. Wenn die Schalter /'₃. K₁, K'[, K₂ und K'₂ geschlossen sind, werden C₄, C₄, C₃ und C₃ aufgeladen. Wenn der Eingang U den Wert 0 hat, kompensieren die Kapazitäten C₄ und C₄ den auf den vorhergehenden Stufen beruhenden gemeinsamen Betrieb, und die Kapazitäten C₃ und C₃ kompensieren ihrerseits die Offset-Spannung, wie dies oben anhand der Fig. 8 erläutert wurde.

Die Fig. 11 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel des gesamten Verstärkers dar. Dieses Ausführungsbeispiel vereinigt die in der Fig. 9 gezeigte Verstärkerstufe mit der anhand der Fig. 5 erläuterten Kalibrierung.

Der Verstärker hat eine Eingangsstufe .Z₁, eine zu der Fig. 9 identische Verstärkerschaltung, die in der Fig. 5 gezeigte Kalibrierstufe mit im wesentlichen den Quellen für Spannungen + V_n, und — V_m und dem Doppel-Integrierer und eine Ausgangsanpaßstufe J₂.

Die Fig. 12 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Verstärkers, bei dem der Schaltung der Fig. 10 eine einfache Kalibrier- und Integrierstufe und eine Ausgangsanpaßstufe J₁ beigefügt sind.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß die in den Fig. 8,9,10, 11 und 12 dargestellten Schaltungen, die Verbindungskapazitäten aufweisen und alternative Verstärker sind, eine Schalteinrichtung verwenden, die nicht mehr ein bistabiles Glied, sondern ein Multivibrator ist: Dies stört nicht, wenn, wie oben erläutert wurde, die Kalibrierstufen angesteuert sind, bevor der Multivibrator nicht von selbst kippt.

In den F i g. 13a, 13b und 13c sind andere Ausführungsbeispiele der Sperrstufe als der Schalter A'₃ dargestellt.

Bei dem in der Fig. 13a dargestellten Beispiel ist ein Schalter (jeweils /₃ und /₄) in jeder Beschallung 15 und 15' der Verstärker A₁ und A₂ vorgesehen, die die Schalteinrichtung bilden. Damit kann die Schaltung nicht mehr kippen. Es ist nicht erforderlich, diese im Zustand eines insiabiien Gleichgewichtes zu hallen, und die Eingänge haben eine hohe Impedanz. Dies ist die bei den Schaltungen der Fig. 7, 8, 9, 10, 11 und 12 verwendete Sperrart.

Bei dem in der Fig. 13b dargestellten Beispiel sind lediglich Schalter K₁ und K₂ vorgesehen. Zur Einspeisung des Signals wird eine Spannungsquelle mit geringer Impedanz verwendet, was die Sperrstufe ersetzt. Wenn K₁ und K₂ geschlossen sind, sind die Eingänge und die Ausgänge der Verstärker A, und A₂ kurzgeschlossen. Wenn K₁ und K₂ geöffnet werden, tritt ein Kippen des bistabilen Glieds von der Seite des Einganges auf, der den höheren Pegel hat.

Beim letzten, in der Fig. 13c dargestellten Beispiel steuert das Ausgangssignal des Verstärkers A j einen Verstärker A₃ des Verstärkungsfaktors — 1, dessen Ausgang mit dem Eingang des Verstärkers A₁ über einen Schalter /₅ verbunden ist, wobei der Ausgang des Verstärkers A j direkt mit dem Eingang des Verstärkers A₂ über einen Schalter I₆ verbunden sein kann.

Die Erfindung betrifft in gleicher Weise die Verwendung des Verstärkers zur Herstellung eines Analog-Digital-Umsetzers.

In der Fig. 14 ist ein Beispiel eines derartigen Umsetzers dargestellt. Es beruht auf dem Verstärker zur Kompensation der Offset-Spannung (Fig. 4). Die Schalteinrichtung ist vereinfacht durch ein Rechteck 7 gezeigt, wobei die Kalibrierspannungen + V_M und — V_u für die beiden Integrierstufen im wesentlichen aus den Kapazitäten C₂ und C₂ bestehen. Das durch den Kondensator C₂ erzeugte Signal ist zum Korrektureingang des bistabilen Gliedes 7 rückgeführt. Der Umsetzer hat zusätzlich eine Rückführleitung 8 vom Ausgang des Verstärkers zum »Signal«-Eingang der Schalteinrichtung, die im wesentlichen aus Widerständen R₁ und R₂ besteht. In gleicher Weise ist ein Zweirichtungszähler 10 vorgesehen, der durch die vom Folge-Taktgeber H des Verstärkers erzeugten Signale fortgeschaltet wird. Jeder Impuls des Taktgebers entspricht dem Beginn jeder Betriebsperiode des oben anhand der Fig. 4 erläuterten Verstärkers. Der Aufwärts-Abwärts-Zählbefehl des Zählers 10 wird durch das logische Signal -I- V_M oder — V_M angesteuert, das am Ausgang B des Verstärkers erzeugt wird, wobei das Signal -1- V_M das Aufwärtszählen und das Signal — V_M das Abwärtszählen auslösen. Das Signal des Taktgebers schaltet in gleicher Weise einen zweiten Zähler 12 fort.

Der Umsetzer arbeitet auf die folgende Weise: Die Rückführleitung 8 des Verstärkers ermöglicht es, daß dessen Verstärkungsfaktor genau linear gemacht wird. Sobald die Ausgangsspannung K_x ihren Gleichgewichtswert erreicht hat, sind die positiven und negativen Ladungen im Gleichgewicht, und es gilt:

(-K_M-K_s) C₁ =0

Daraus folgt, wenn mit V_s der Mittelwert von V_s bezeichnet wird:

7Γ_Σ+^m-I-K_M
^Vs- Jj

mit N = Gesamtzahl der Impulse des Signals vom Taktgeber.

Wenn die Anzahl der positiven Impulse N₁ (+ V_M) und die Anzahl der negativen Impulse N₂ (- V_M) ist. gilt:

Der Zähler des Bruches wird durch den Zweirichtungszähler 12 und der Nenner durch den Zähler 14 bestimmt.

Die in der Fig. 4 dargestellte Schaltung kann leicht umgewandelt werden, um einen Spannungsvergleicher mit Kompensation der Offset-Spannung zu erhalten. Es genügt, wenn der Zweig mit Jem Kondensator C₂ und dem Unterbrecher K₆ weggelassen wird. Die beiden logischen Ausgänge des Vergleichers sind die Ausgänge der Verstärker A₁ und A₂. In gleicher Weise kann als Ausgang der Punkt B verwendet werden, der entsprechend den relativen Werten der an den beiden Eingängen der Schalteinrichtung liegenden Spannungen die Spannung + V_M oder — V_M erzeugt. Die Kompensation der Offset-Spannung erfolgt immer, indem der Ausgang der Integrierstufe zum Eingang des Verstärkers A₂ rückgeführt wird.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Spannungsverstärker, gekennzeichnet durch

— eine Eingangsstufe, die an zwei Eingängen (D₁, D₂) innerhalb einer gegebenen Zeitdauer Eingangssignale erhält,

— eine Schalteinrichtung (7), die zwei getrennte, zumindest quasi-stabile Gleichgewichtszustände, die für eine gegebene Zeitdauer gehalten werden und einen unstabilen Gleichgewichtszustand hat,

— eine Einrichtung, die die Schalteinrichtung periodisch in den unstabilen Gleichgewichtszustand zurücksetzt und diese dann freigibt, wodurch diese einen der zumindest quasi-siabilen Gleichgewichtszustände einnimmt, wobei

— die Schalteinrichtung vom unstabilen Gleichgewichtszustand zu einem der zumindest quasistabilen Gleichgewichtszustände abhängig davon übergeht, ob zum Freigabezeitpunkt die Amplitude der Differenz zwischen den an den Eingängen anliegenden Signalen größer oder kleiner als die Amplitude des Rauschsignals der Schalteinrichtung ist,

— eine Kalibriereinrichtung, die in Abhängigkeit von den zumindest quasi-stabilen Gleichgewichtszuständen der Schalteinrichtung mit deren Ausgängen verbunden wird und deren Ausgangssignale auf eine Spannung + V_m oder eine Spannung — V_m abhängig davon, welchen der beiden getrennten Gleichgewichtszustände die Schalteinrichtung einnimmt, kalibriert und

— einen Integrierer, der das kalibrierte Ausgangssignal der Schalteinrichtung während einer vorbestimmten Zeitdauer integriert.

2. Spannungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Schalteinrichtung eine bistabile Schaltung ist und daß die zwei getrennten Gleichgewichtszustände stabile Gleichgewichtszustände sind.

3. Spannungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung zwei Ausgänge (S₁, S₂) besitzt, die jeweils mit einer Kalibriereinrichtung versehen sind, die einen Ausgang auf die Spannung + V_m und den anderen Ausgang auf die Spannung - V_m kalibrieren.

4. Spannungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung aus zwei Verstärkern (A₁, A₁) besteht, deren Ausgänge jeweils zum Eingang des anderen Verstärkers gegengekoppelt sind.

5. Spannungsverstärker nach einem der Ansprüehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die KaIibriereinrichtung jeweils aus zwei Spannungsquellen für Spannungen + V_M und + V_M besteht, die jeweils über einen entsprechend dem Zustand der Schalteinrichtung gesteuerten Schalter (Κ'_Λ, K₄; K'₅, K"_s) mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung (2, 2') verbunden sind (Fig. 5).

6. Spannungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrierer aus zwei parallel zwischen die gemeinsame Leitung (2, 2') und Erde geschalteten Kapazitäten (C₁, C₂; C₃, C₄) besteht, wobei die gemeinsame Leitung (2, 2') einen Schalter (Κ,,,Κ',,) zwischen den Abzweigpunkten der Kapazitäten (C₁, C₂; C₃, C₄) zur gemeinsamen Leitung (2, 2') hat.

7. Spannungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die KaIibriereinrichtung aus einer Spannungsquelle für die Spannung + V_M und einer Spannungsquelle für die Spannung - V_M besteht, und daß der Integrierer (C₁, C₂) aus einer ersten und zweiten Integrierstufe besteht, wobei

— die Spannung + V_M und die Spannung — V_M mit der ersten Integrierstufe über ein erstes Schalterpaar und mit der zweiten Integrierstufe über ein zweites Schalterpaar verbunden sind, wobei die Schalter desselben Schalterpaars durch die verschiedenen Zustände der Schalteinrichtung gesteuert sind und wobei ein gegebener Zustand der Schalteinrichtung zwei Schalter in jedem Schalterpaar steuert, die den Quellen für die Spannung V_M unterschiedlichen Vorzeichens zugeordnet sind.

8. Spannungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe für jeden Eingang der Schalteinrichtung einen Schalter und eine Kapazität in Reihe hat, daß der Ausgang jedes die Schalteinrichtung bildenden Verstärkers (A₁, A₂) zum Eingang des anderen Verstärkers (A₂, A₁) über einen Schalter (A", K") rückgeführt ist und daß jeder Verstärker (A ₁ , A₂) eine Rückkopplungsschleife von seinem Ausgang zu seinem Eingang jeweils über einen Schalter (K\, K₂) aufweist.

9. Spannungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Eingang der Schalteinrichtung einerseits mit dem Eingang des entsprechenden, die Schalteinrichtung bildenden Verstärkers (A, bzw. A₂) über einen ersten Schalter und eine erste Koppelkapazität und andererseits mit dem Ausgang des Verstärkers (A₁ bzw. A₂) über einen zweiten Schalter und eine zweite Koppelkapazität verbunden ist, daß jeder, die Schalteinrichtung bildende Verstärker (A₁, A₂) direkt von seinem Ausgang zu seinem Eingang über einen Schalter eine Rückkopplungsschleife aufweist und daß der Eingang jeder ersten Koppelkapazität, die einem Verstärker (A ι bzw. A ₂) zugeordnet ist, über einen Schalter mit dem Ausgang der zweiten Koppelkapazität verbunden ist, die dem anderen Verstärker (A₂ bzw. A₁) zugeordnet ist.

10. Spannungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Eingang über einen Schalter ein Erdungsschalter vorgesehen ist und daß ein zweiter, zum ersten Integrierer (C₁, C₂) paralleler Integrierer (C₂) vorgesehen ist, dessen Ausgang zu einem der beiden Eingänge der Schalteinrichtung (7) rückgeführt ist.

11. Verwendung des Verstärkers nach Anspruch 10 für einen Analog-Digital-Umsetzer, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Integrierer (C₁, C₂) zum anderen Eingang der Schalteinrichtung rückgeführt ist und daß ein Synchronisier-Taktgeber (H) einen ersten Zweirichtungszähler (10) fortschaltet, dessen Zählrichtung durch das Vorzeichen des kalibrierten Signales gesteuert ist, das durch die Schalteinrichtung und einen zweiten Zähler (17) erzeugt wird.

12. Verwendung des Verstärkers nach Anspruch 10 für einen Spannungsvergleicher mit Kompensation der Offset-Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu vergleichenden Spannungen an den

beiden Eingängen des Verstärkers (A₁, A₂) liegen und daß das logische Vergleichs-Ausgangssignal im Ausgang der Schalteinrichtung erhöht ist.

Die Erfindung betrifft einen Spannungsverstärker mit einer Schalteinrichtung, die zwei stabile und einen insta- ίο bilen Gleichgewichtszustände hat, wobei die Verstärkerschaltung einen niedrigen Eingangspegel, einen erhöhten Verstärkungsfaktor und eine große Bandbreite hat und leicht in integrierter Technik ausgeführt werden kann.

Eine Einrichtung ist vorgesehen, um die Schalteinrichtung so lange im instabilen Zustand zu halten, wie die Einrichtung einwirkt. Diese Einrichtung wird im allgemeinen als Sperreinrichtung bezeichnet. Wenn kein Eingangssignal vorliegt, bleibt die im instabilen Zustand gehaltene Schalteinrichtung in diesem Zustand. Dagegen bewirkt ein zum Eingang der Schalteinrichtung gespeistes Signal eine Zustandsveränderung in einen seiner beiden stabilen Zustände. Diese stabilen Zustände sind vorzugsweise in bezug auf den instabilen Zustand symmetrisch.

Oft wird ein Verstärker mit erhöhtem Verstärkungsfaktor für ein Eingangssignal mit sehr niedrigem Pegel benötigt. In gleicher Weise muß dieser Verstärker oft ein sehr breites Durchlaßband haben.

Es sind schon Verstärker für Eingangssignale mit sehr niedrigem Pegel entwickelt worden. Hierzu kann insbesondere auf Zerhacker-Verstärker verwiesen werden. Bei diesen Verstärkern wird die zu verstärkende Gleichspannung durch Zerhacken oder periodisches Modulieren der Spannung auf eine beliebige Frequenz in eine Wechselspannung umgewandelt. Der Gleichspannungszerhacker oder -modulator ist gewöhnlich eine Diode oder ein Transistor. Derartige Verstärker haben den Nachteil, daß sie bei gleicher Leistung etwa lOmal teurer sind als der erfindungsgemäße Verstärker. Weiterhin ist <to ihre Bandbreite aufgrund der großen Anzahl von Stufen (über 6 Stufen), die erforderlich sind, um einen erhöhten Verstärkungsfaktor zu erzielen, sehr klein.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Verstärker anzugeben, der die oben aufgezeigten Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Eingangsstufe, die an zwei Eingängen innerhalb einer gegebenen Zeitdauer Eingangssignale erhalten, eine Schalteinrichtung, die zwei getrennte, zumindest quasi-stabile Gleichgewichtszustände, die für eine gegebene Zeitdauer gehalten werden und einen unstabilen Gleichgewichtszustand hat, eine Einrichtung, die die Schalteinrichtung periodisch in den unstabilen Gleichgewichtszustand zurücksetzt und diese dann freigibt, wodurch diese einen der zumindest quasi-stabilen Gleichgewichtszustände einnimmt, wobei die Schalteinrichtung vom unstabilen Gleichgewichtszustand zu einem der zumindest quasistabilen Gleichgewichtszustände abhängig davon übergeht, ob zum Fi eigabezeitpunkt die Amplitude der Differenz zwischen den an den Eingängen anliegenden Signalen größer oder kleiner als die Amplitude des Rauschsignals der Schalteinrichtung ist, eine Kalibriereinrichtung, die in Abhängigkeit von den zumindest quasi-stabilen Gleichgewichtszuständen der Schalteinrichtung mit deren Ausgängen verbunden wird und deren Ausgangssignale auf eine Spannung + V_1n oder eine Spannung - V_n, abhängig davon, welchen der beiden getrennten Gleichgewichtszustände die Schalteinrichtung einnimmt, und einen Integrierer, der das kalibrierte Ausgangssignal der Schalteinrichtung während einer vorbestimmten Zeitdauer integriert.

Nachfoigend wird die Erfindung anhand der Zeichung nähei erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Schalteinrichtung mit einem instabilen Gleichgewichtszustand,

Fig. 2 die Schalteinrichtung der Fig. 1 mit einem Differenz-Eingang,

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Verstärker,

Fig. 4 einen Verstärker mit einer Kompensiereinrichtung für die Offset-Spannung,

Fig. 5 einen Verstärker mit einer Kalibriereinrichtung, die von den Ausgangsspannungen angesteuert ist, Fij». 6 ein Beispiel einer Eingangsstufe,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der Eingangsstufe,

Fig. 8 ein Prinzipschaltbild mit einer Kompensiereinrichtung für die Offset-Spannung,

Fig. 9 und 10 Ausführungsbeispiele für die Kompensation der Offset-Spannung nach dem anhand der F i g. 8 erläuterten Prinzip,

Fig. 11 und 12 zwei Ausführungsbeispiele des Verstärkers mit Offset-Kompensation,

Fig. 13a, 13b und 13c Ausführungsbeispiele für die Sperr- oder Inhibitionssteuerung, und

Fig. 14 ei.i Ausführungsbeispiel eines Analog-Digital-Umsetzers mit einem erfindungsgemäßen Verstärker.

In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung mit einem instabilen Zustand und zwei stabilen Zuständen gezeigt. Das Glied besteht aus zwei identischen Verstärkerstufen A, und A₂, die insgesamt rückgeführt sind, d.h., der Ausgang jedes Verstärkers ist zum Eingang des anderen Verstärkers rückgeführt.

Durch Widerstände R und Kapazitäten C ist die Frequenzbegrenzung jeder Verstärkerstufe angedeutet. An den Eingängen der Verstärker A₁ und A₂ liegen jeweils Spannungen V₁ und V₁. Es ist ein instabiles Gleichgewicht vorhanden, wenn V₁ und V₂ Null sind, und somit ist die Beziehung A₂XV₂=V₂ erfüllt (A = gemeinsamer Verstärkungsfaktor der Verstärker). Es kann im Gegenteil gezeigt werden, daß die Schalteinrichtung in eine ihrer beiden stabilen Gleichgewichtszustände kippt, wenn die Spannungen nicht Null oder identisch sind. Die Schalteinrichtung wird durch die beiden folgenden Differentialgleichungen beschrieben: