DE2658803B2

DE2658803B2 - Operationsverstärker-Schaltung

Info

Publication number: DE2658803B2
Application number: DE2658803A
Authority: DE
Inventors: Akio Hosaka; Eiji Tsuruta
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-12-27
Filing date: 1976-12-24
Publication date: 1980-03-27
Also published as: CA1102419A; JPS5280760A; DE2658803A1; US4123721A

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

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:

V_x = -/,,,R₇ -r Zr₂R₄ = O.

K_n + K₁ K_h + K₅,

Aus diesen Gleichungen ergibt sich wiederum die zuvor angegebene Gleichung (1):

R₁, R₅ '

¹⁽¹ sowie die Gleichung:
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 = V_x 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-R_n . (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. R_n 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.

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Claims

Patentansprüche:

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.