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Verfahren zur Driftkompensation von Gleichspannungsverstärkern Für
viele Zwecke werden Verstärker benötigt, deren Ausgangsspannung auch bei der Frequenz
Null noch ein verstärktes Abbild der Eingangsspannung ist. Die Ausgangsspannung
eines solchen Verstärkers soll Null sein, wenn die Eingangsspannung Null ist. Diese
Forderung läßt sich jedoch bei den üblichen Gleichspannungsverstärkern nur schwer
erfüllen, da die Ausgangsspannung neben der der Eingangsspannung proportionalen
Komponente noch zusätzliche Fehlerspannungen enthält, deren Größe von der Eingangsspannung
unabhängig ist und sich mit der Zeit ändert. Diese Änderung wird im allgemeinen
als Drift bezeichnet. Bei gebräuchlichen Meßverstärkern ist daher meist vor jeder
Messung ein Nullabgleich durchzuführen.
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Verantwortlich dafür ist vor allem die Temperaturabhängigkeit der
elektrischen Daten und die Alterung der Bauelemente, insbesondere bei Verwendung
von Halbleitergeräten.
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Um die beim Bau von Gleichspannungsverstärkern auftretenden Probleme
zu umgehen, hat man bereits vielfach die zu verstärkende Gleichspannung in eine
Wechselspannung umgewandelt und diese mit wesentlich unkritischeren Wechselspannungsverstärkern
verstärkt.
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Dieser Weg ist für manche Anwendungszwecke zu aufwendig. Man hat sich
daher bemüht, die Drift von Gleichspannungsverstärkern zu kompensieren. Dieser Weg
führt aber nur dann zu brauchbaren Ergebnissen, wenn der Verstärkereingang stets
an einer Spannungsquelle mit definiertem Innenwiderstand liegt. Je nachdem, ob es
sich um eine Quelle mit eingeprägtem Strom oder eingeprägter Spannung handelt (sehr
hoher oder sehr niedriger Innenwiderstand), kann eine Kompensation der Spannungs-oder
der Stromdrift des Verstärkers durchgeführt werden. Bisher ist es jedoch nicht gelungen,
in einfacher Weise einen Verstärker so zu kompensieren, daß sich die Ausgangsspannung
weder infolge der Spannungs- noch der Stromdrift ändert. Das bedeutet, daß die bekannten
Kompensationsmethoden nicht zum Ziel führen, wenn der Verstärker je nach Anwendungsfall
mit Spannungsquellen verschiedenen Innenwiderstandes zusammenarbeiten soll. Außerdem
können durch die bekannten Kompensationsmethoden - die ihre Aufgabe nur in einem
begrenzten Temperaturbereich erfüllen - Änderungen der Ausgangsspannung infolge
von Alterung der Bauteile nicht verhindert werden.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Drift der Ausgangsspannung
eines Gleichspannungsverstärkers so zu kompensieren, daß die Drift unabhängig von
der Art der Signalspannungsquelle, von Temperatureinflüssen und von der Alterung
der Bauelemente praktisch Null bleibt.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Driftkompensation von Gleichspannungsverstärkern
nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Verstärkereingang periodisch von der
Signalspannungsquelle getrennt und auf einen dem Innenwiderstand der Quelle entsprechenden
Widerstand geschaltet wird und daß während dieser Zeit ein Gegenkopplungskreis eingeschaltet
wird, über den die Ausgangsspannung in gegenkoppelndem Sinn auf den Verstärkereingang
zurückgeführt wird.
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Zu diesem Zweck kann die Signalspannungsquelle über einen periodisch
betätigten Umschalter mit dem Eingang des Verstärkers verbunden werden. Durch diesen
Umschalter wird abwechselnd entweder die Spannungsquelle oder ein Widerstand an
den Eingang des Verstärkers geschaltet, dessen Wert annähernd dem Innenwiderstand
der jeweils verwendeten Signalspannungsquelle entspricht. Wenn dieser Widerstand
an dem Verstärkereingang liegt, ist die Ausgangsspannung des Verstärkers ein Maß
für die Drift. In dem Gegenkopplungsnetzwerk ist ein weiterer Schalter vorgesehen,
der synchron mit dem im Eingang des Verstärkers liegenden Schalter betätigt wird,
und zwar so, daß der Gegenkopplungskreis immer dann geschlossen ist, wenn der Eingang
des Verstärkers mit dem Widerstand abgeschlossen ist. Dadurch wird erreicht, daß
nur die Driftspannung dem Eingang des Verstärkers zugeführt wird.
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Die Gegenkopplung kann in einfacher Weise mit Hilfe eines Kondensators
durchgeführt werden, der über den erwähnten Schalter und einen niederohmigen Begrenzungswiderstand
periodisch dem Verstärkerausgang parallel geschaltet wird. Dieser Kondensator ist
über einen hochohmigen Widerstand mit
dem Eingang des Verstärkers
verbunden, so daß die Kondensatorspannung am Verstärkereingang wirksam werden kann.
Die Zeitkonstante des Entladekreises ist dabei vorzugsweise so zu bemessen, daß
sich die Kondensatorspannung während einer Schaltperiode kaum meßbar verändert.
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Als Schalter können periodisch betätigte Relais mit möglichst kurzen
Schaltzeiten oder auch unterbrechungsfrei umschaltende Einrichtungen verwendet werden.
Sie sollen einen geringen Reststrom bzw. eine geringe Spannung besitzten (Idealer
Schalter). Vorzugsweise werden elektronische Schalter verwendet. Dabei empfiehlt
es sich, zwei Transistoren zu verwenden, deren Emitter-Kollektor-Strecken invers
hintereinander geschaltet sind. Diese Anordnung hat eine wesentlich geringere Restspannung
bzw. Reststrom als ein einzelner Transistor und den zusätzlichen Vorteil, daß diese
Restwerte kaum mehr temperaturabhängig sind. Der Schalter im Gegenkopplungskreis
kann vorzugsweise durch einen symmetrischen Transistor realisiert werden.
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Bei der vorgeschlagenen Lösung liegt die Steuerspannung nicht ständig
am Verstärker. Trotzdem ist das Ausgangssignal ein gutes Abbild der Steuerspannung,
wenn die Schaltzeiten wesentlich kürzer als die schnellsten Änderungen des Eingangssignales
gewählt werden. Die Schaltfrequenz läßt sich nach dem Abtasttheorem bestimmen, wenn
die kürzeste, in Frage kommende Änderung des Eingangssignales bekannt ist.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in der Figur dargestellt. Dort ist mit
1 der Verstärker und mit 2 die Signalspannungsquelle bezeichnet. Sie
besitzt einen Innenwiderstand 21 und ist über einen Kontakt 31
eines
Umschalters 3 mit dem Eingang 11 des Verstärkers verbunden. An den
anderen Kontakt 32 des Schalters 3 ist ein Widerstand 4 angeschlossen, dessen Wert
etwa dem Innenwiderstand der Spannungsquelle 2 entspricht. Der Schalter
3 wird periodisch betätigt, so daß an dem Eingang des Verstärkers
1
abwechselnd die Spannungsquelle 2 und der Widerstand 4 liegen. Der
Ausgang 12 des Verstärkers ist über einen Schalter 6 und ein RC-Glied
5 mit dem Eingang 11 verbunden. Das RC-Glied besteht aus einem niederohmigen
Begrenzerwiderstand 51 und einem Kondensator 52, der über den Widerstand
51
und den Schalter 6 periodisch dem Ausgang des Verstärkers parallel geschaltet
wird. Der Kondensator 52
liegt außerdem über einen hochohmigen Widerstand
53 an dem Eingang 11 des Verstärkers, so daß sich der Kondensator
über den Widerstand 53 und den Verstärkereingang entladen kann. Der Schalter 6 wird
gleichzeitig und im gleichen Takt mit dem Schalter 3 periodisch geöffnet, und zwar
so, daß der Gegenkopplungskreis immer nur dann geschlossen ist, wenn der Eingang
des Verstärkers mit dem Widerstand 4 abgeschlossen ist. In diesem Falle liegt am
Verstärkerausgang 12 die Driftspannung, deren Höhe von verschiedenen Einflußgrößen
und von der Zeit abhängig ist. Am Kondensator 52 entsteht somit eine der Driftspannung
proportionale Spannung, die zugleich in gegenkoppelndem Sinn am Eingang des Verstärkers
11 liegt. Der Gegenkopplungskreis bildet somit praktisch einen zusätzlichen Regelkreis,
der die Tendenz hat, die Ausgangsspannung des Verstärkers zu Null zu machen, wenn
der Eingang des Verstärkers mit dem Widerstand 4 abgeschlossen ist.
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Der besondere Vorzug dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß sich
in allen Fällen eine von allen Beschränkungen freie Driftkompensation erreichen
läßt und diese Kompensation bei jedem Verstärker ohne Eingriff in dessen inneren
Aufbau durchgeführt werden kann.