DE2112723A1

DE2112723A1 - Schaltkreis mit sehr hoher Eingangsimpedanz

Info

Publication number: DE2112723A1
Application number: DE19712112723
Authority: DE
Inventors: Claude Faraguet; Roland Vaillier
Original assignee: Schlumberger Instruments et Systemes SA
Current assignee: Schlumberger Instruments et Systemes SA
Priority date: 1970-03-20
Filing date: 1971-03-17
Publication date: 1971-10-07
Also published as: US3737798A; FR2082601A5; GB1325264A

Description

Die Erfindung betrifft elektronische Schaltkreise mit einem Eingangsschaltkreis sehr hoher Impedanz, d.h. einem Schaltkreis, der dazu bestimmt ist, dafür zu sorgen, daß die richtige Funktion des Systems nicht die Spannungssignale beeinträchtigt, die von einer an das System angeschlossenen Quelle erzeugt werden, beispielsweise um diese Signale messen zu können.

Es sind bereits Verstärkerschaltkreise bekannt, bei denen man von Operationsverstärkern Gebrauch macht, die in Gegenkopplung geschaltet sind. Dj.ese Verstärker haben eine große Bandbreite von Null ausgehend und bei offener Schleife eine sehr hohe negative Verstärkung. Mit einem ersten, in Gegenkopplung geschalteten Widerstand und einem zweiten, an den Eingang angeschlossenen Widerstand vor dem Anschluß-

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punkt des ersten wird die Verstärkung bei geschlossener Schleife im wesentlichen gleich dem Verhältnis der beiden Widerstände; um eine hohe Eingangsimpedanz zu erhalten, kann man diesem zweiten Widerstand einen sehr hohen Wert geben. Diesbezüglich ist man jedoch beschränkt vor allem durch die Tatsache, daß die verwendeten Widerstandsbauelemente eine parasitäre Kapazität besitzen, die umso höher ist, je größer der Ohm'sche Widerstand ist. Dies ist einer der Gründe dafür, daß man mit Operationsverstärkern als solche nur mit großen Schwierigkeiten sehr hohe Impedanzen in einem weiten Frequenzbereich realisieren kann.

Ferner ist auf die klassische Methode zu verweisen, die scheinbare Eingangsimpedanz eines Verstärkerschaltkreises mit der Verstärkung g und dem Eingangswiderstand R dadurch zu vergrößern, daß eine Gegenkopplungsschleife vorgesehen wird,im wesentlichen bestehend aus einem Widerstand und einer diesem parallel geschalteten Kapazität und. angeschlossen zwischen den Verstärkerausgang und den dem Eingang zugekehrten Ende des Eingangswiderstandes. Durch glückliche Auswahl der Werte für den erwähnten Widerstand und die Kapazität und für die Verstärkung des Verstärkungsschaltkreises kann man die Größe der scheinbarenEingangsimpedanz auf einen Maximalwert bringen, der in der Tat sehr hohe Werte zu erreichen gestattet. Bis jetzt schien es jedoch unmöglich, Verstärker mit extrem hoher Eingangsimpedanz zu schaffen, die unter gleich guten Bedingungen, sowohl Wechselspannungen als auch Gleichspannungen zu übertragen gestatteten. Ein Grund dafür liegt darin, daß die Forderung der geringen Verzerrung, die unerläßlich ist für die verlaufgefcreue Übertragung von Gleichspannungen, schwer in Einklang zu bringen ist mit der Forderung nach einem

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breiten Durchlaßband. Der überwiegende Teil von Eingangsschaltkreisen extrem hoher Impedanz, wie sie bisher vorgeschlagen wurden zum Anschluß an Spannungsquellen geringer Belastbarkeit, insbesondere für analog numerische Wandler bei numerischen Voltmetern, war ganz unterschiedlich aufgebaut bezüglich der Konzeption, je nach dem, ob es sich bei den zu übertragenden Werten um Gleichspannungen handelte oder nicht; bei Gleichspannungsübertragern verwandte man eigentlich immer Verstärker mit Modulatoren.

Eine bekannte Schaltung zur Lösung dieses Problems mit Operationsverstärkern ist die Golflberg-Schaltung. Bei dieser Anordnung wird das Eingangssignal bezüglich seiner Energie gefiltert und die Hochfrequenzkomponente wird direkt einem ersten Eingang eines Differentialverstärkers zugeführt, der im allgemeinen mit einer Gegenkopplung versehen ist, während der niederfrequente Anteil des Signals einschließlich der Verzerrungen des Differentialverstärkers einer Anordnung aus Modulator, Wechselspannungsverstärker und Demodulator zugeführt wird, deren Ausgang an den zweiten Eingang des Differentialverstärkers gelegt ist. Diese Anordnung mit negativer Verstärkung realisiert eine Korrektur der Verzerrungen am Ausgang des DifferentialVerstärkers.

Diese Schaltungsanordnung besitzt jedoch verschiedene Nachteile, insbesondere für die Anwendung bei Meßschaltungen; zu nennen ist, daß die Eingangsimpedanz veränderbar mit der Frequenz ist und relativ niedrig ist für noch tiefe Frequenzen, ferner eine ungenaue übertragung von Wechselspannungen in Serienmodus und eine Ansprechzeit für Gleichspannungen, die nicht vernachlässigbar ist.

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In der britischen Zeitschrift "Control", Band 11, Nr. Io6, Seiten 164 - 167, wurde von J.R. Jordan eine Arbeit "PositiveFeed Back Raises Openloop Gain of Operational Amplifiers" veröffentlicht, gemäß der diesen Nachteilen dadurch begegnet werden kann, daß ein Eingangsschaltkreis vorgesehen wird, der - wie in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellt - zwei in Serie geschaltete Operationsverstärker A und ^₂ umfaßt, die inverterartig zwischen bei Klemmen ^N- und .'> geschaltet sind. Eine φ Spannungsquelle ist schematisch angedeutet durch die Serienschaltung eines Generators V und eines Widastandes R zwischen Masse und der Klemae . Der erste Operationsverstärker A ist zwischen der Klemme ^v- und seinem Eingang E₁, dem das Zeichen - zugeordnet ist, mit einem Eingangswiderstand R. versehen. Der andere Eingang E-₂ dieses Operationsverstärkers mit dem Zeichen + is trüber einen Kompensationswiderstand R, an Masse gelegt. Zwischen

den Ausgang S. des Verstärkers A und seinen Eingang E₁₁ ist ein Gegenkopplungswiderstand R~ gelegt. Der Ausgang S₁ ist außerdem über einen Widerstand R₃ an den Eingang E₃₁ mit dem Zeichen - des Verstärkers A₂ gelegt. Der andere Eingang E₃₂ des letzteren mit dem Zeichen + ist über ™ einen Kompensationswiderstand R₇ an Masse gelegt. Zwischen den Ausgang S₂, der an die Klemme ^fj angeschlossen ist, und den Eingang E₃₁ des Verstärkers A₂ ist ein Gegenkopplungswiders tand R. geschaltet. Schließlich ist noch eine positive Rückkopplungsschleife mit dem Widerstand R₅, mit BR bezeichnet, vorgesehen, die zwischen die Eingangs- bzw. Ausgangsklemmen X-bzw. ■"> geschaltet ist.

Die Verstärkungen der Operationsverstärker A und A₂ bei geschlossener Schleife betragen R₂/R_x bzw. R./R₃

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und die Verstärkung g eines äquivalenten Verstärkers beträgt g = R₂/^Ri * ^R4/^R3* ^MeLn ^erkennt leicht, daß, wenn die Bedingung g = 1 + R^/R, erfüllt ist, der Eingangsstrom des Schaltkreises Null ist, und zwar dauernd. Es genügt demgemäß, die Werte der Widerstände R., R₃, R₃, R. und R₁. gemäß dieser Bemessungsvorschrift auszuwählen, nämlich so, daß mindestens häherungsweise die Beziehung R₂ZR₁ . R₄A₃ = R₅ZR₁ + 1 erfüllt ist, damit an j*dem Eingang des Schaltkreises eine scheinbare Eingangsimpedanz mit dem Wert c erscheint oder mindestens bei näherungsweiser Erfüllung der Forderung eine so hohe Eingangs impedanz, daß die Funktion des Schaltkreises nicht die Signale der Spannungsguelle V beeinträchtigen.

Man erkennt sofort, daß mit diesem Schaltkreis außerordentlich hohe Eingangswiderstände zu verwirklichen sind mit Bauelementen, die relativ niedrige Widerstände besitzen und damit auch parasitäre Kapazitäten, die niedrig sind. Die scheinbare Eingangsimpedanz des Schaltkreises kann demgemäß über ein weites Frequenzband sehr hoch gehalten werden. Darüberhinaus wird erlaubt, die Anordnung der beiden Inverterverstärker mit Gegenkopplung, den Einfluß ihrer Eingangskapazität dadurch niedrig zu halten, daß nur ein Bruchteil der letzteren am Ausgang bzw. Eingang erscheint. Neben der sehr hohen Eingangsimpedanz und der hohen Bandbreite besitzt der Schaltkreis den erheblichen Vorteil, daß är am Eingang keinen gemeinsamen Modus erlaubt. Die Serienschaltung der beiden Verstärker gestattet tatsächlich mindestens scheinbar an allen ihren Eingängen ein Potential nahe Massepotential aufrechtzuerhalten derart, daß der Schaltkreis direkt Spannungen zu verarbeiten vermag, die sich manchmal über

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mehrere zehn Volt erstrecken, ohne daß es erforderlich ist, einen Dämpfungsschaltkreis vorzusehen, der die Eingangsdynamik des Systems beeinträchtigen könnte. Schließlich ist es offensichtlich, daß das NichtVorhandensein von Filtern bei Gleichspannungen eine praktisch vernachlässigbare Ansprechzeit zu erhalten gestattet.

Ein solcher Schaltkreis besitzt jedoch den Nachteil, daß keinerlei Steuermöglichkeit für die Stabilität der Funktion vorgesehen ist, so daß er ungeeignet ist als Eingangsschaltkreis für Anordnungen höchster Genauigkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schaltkreis höchster Eingangsimpedanz der vorstehend beschriebenen Gattung zu schaffen, dessen Stabilität der Funktion unter allen Umständen sichergestellt wird, wobei die zusätzlich vorzusehenden Mittel ohne Änderung der Struktur angeordnet werden sollen, die dem Schaltkreis ermöglicht, sowohl Gleichspannungsals auch Wechselspannungssignale zu übertragen.

Zur Lösung dieser Aufgabe bei einem Eingangsschaltkreis mit höhster Impaäanz mit einem Verstärker positiver Verstärkung g, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Operationsverstärker in Inverteranordnung mit einer kaskadewgeschalteten resistiven Rückkopplung und demgemäß mindestens näherungsweise auf Massepotential liegenden Eingängen, ferner mit einem mit einer Klemme an den Eingang des ersten Operationsverstärkers angeschlossenen Eingangswiderstand des Wertes R und einem Widerstand des Wertes R in der Rückkopplungsschleife zwischen dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers und der andern Klemme des EingangswiderStandes, unter Bemessung der ge-

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nannten Werte gemäß g = 1 + Rq/R, zwecks Erhöhung der Eingangsimpedanz auf einen gegen Unendlich gehenden hohen Wert, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß den Operationsverstärkern in Kombination eine erste Stäilisieranordnung, bestehend aus einem in die Rückkopplungsschleife gelegten Kondensator zum öffnen der Schleife für Driftsignale mit einer unter der Frequenz der Signale am Eingang des Eingangsschaltkreises liegenden Frequenz sowie eine zweite Stabilisieranordnung aufweist, die mindestens einen in Gegenkopplung zwischen den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers und einen Eingang des ersten Operationsverstärkers gelegten Spannungsverstärker einen Kommutator zum Abtrennen des Spannungsverstärkers in Wechselphasenbetrieb mit einem zweiten Kommutator zum Anlegen des Eingangssignals, und einen Speicherkondensator umfaßt, dessen einer Belag auf einem Bezugspotential liegt und dessen anderer Belag sowohl an den Ausgang des Spannungsverstärkers als auch an den genannten Eingang des ersten Operationsverstärkers angeschlossen ist, welche beiden Stabilisieranordnungen wechselweise außer Betrieb setzbar sind je nach dem, ob das Eingangssignal ein Gleichoder Wechselsignal ist.

Wenn der Schaltkreis ausschließlich Wechselspannungen zu übertragen hat, ist seine Funktionsstabilität garantiert durch das Vorhandensein des Kondensators C, dank dem die FehIerspannungen, die an den Klemmen des Gegenkopplungswiderstandes infolge Offset-Strömen und Spannungen der Operationsverstärkers auftreten könnten, infolge ihrer tiefen Frequenz nicht über den Widerstand gelangen können und daait auch nicht die übertragenen WechsäLsignale beein-

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trächtigen können. Wenn die zu übertragenden Signale eine Gleichspannungskomponente enthalten, wird die Funktionsstabilität garantiert durch die zweite Steuerschaltung, die während jeder Periode, wenn der Eingang von der Quelle abgetrennt ist, die Fehlerspannung ermittelt, die am Ausgang des Schaltkreises erscheint. Eine Kompensationsspannung wird dem ersten Operationsverstärker zugeführt, um diese Fehlerspannung zu kompensieren derart, daß eine Rückführung dieses Schaltkreises auf Null automatisch bewirkt wird. Diese !Compensationsspannung wird ebenfalls in dem Speicherkondensator festgehalten und kann demgemäß die Korrektur der Eingangssignale während der aktiven folgenden Periode sicherstellen, wenn der Eingang wieder an die Quelle angeklemmt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Anordnung so getroffen werden, daß die zweite Stabilisieranordnung einen Hilfsschaltkreis umfaßt, bestehend aus einem Hilfsspeicherkondensator in Reihe mit dem Eingangskommutator und dem Anschlußpunkt der Rückkopplungsschleife an den Eingangswiderstand und einem Hilfskommutator in Wechselphasenbetrieb mit dem Eingangskommutator, welcher Hilfskommutator zwischen dem Eingangskommutator und dem Hilfsspeicherkondensator angeschlossen ist. Diese zusätzliche Anordnung unterstützt die Stabilität des Schaltkreises, indem außerhalb der aktiven Phasen die Fehlersignale ermittelt werden können, die am Eingang des Schaltkreises auftreten könnten. Diese Signale werden verwendet, um den Speicherkondeeator zu laden, der in jeder aktiven Phase die Spannung am Eingang bezüglich der

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ermittelten Fehlerspannung korrigiert.

Die Erfindung soll nachstehend unter Beaugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden:

Fig. 1 zeigt den Schaltkreis gemäß dem

Stand der Technik, wie oben erläutert ,

J¹Ig. 2 zeigt einen Eingangsschaltkreis

gemäß der Efindung und

Fig. 3 zeigt eine Kurve für die Änderung

der Spannung am Eingang des ersten Operationsverstärkers der Fig.

Der EingangsschalKtkreis mit höchster Eingangsimpedanz gemäß der Erfindung,wie in Fig. 2 dargestellt,umfaßt die Gesamtheit der Schaltkreiselemente, die gemäß dem Stand der Technik nach Fig. 1 bekannt sindj und sie sind in Fig. dementsprechend mit dem gleichen Bezugszeichen versehen; der Schaltkreis gemäß Fig. 2 umfaßt jedoch darüberhinaus die folgenden zusätzlichen Komponenten:

_ einen Eingangskommutator I ,

_ einen Kondensator C zwischen dem Ausgang S. des Verstärkers A und dem Widerstand R-; dieser Kondensator kann kurzgeschlossen werden durch eine Verbindungsleitung L mit Unterbrecher I,

- Io -

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- Io -

einen Korrekturschaltkreis für das Eingangssignal CE; dieser Schaltkreis ist zwischen den Unterbrecher I und die Klemme '>■ geschaltet und mit gestrichelten Linien umrahmt,

einen Korrekturschaltkreis für das Ausgangssignal C , ebenfalls mit gestrichelten Linien umrahmt; dieser Schaltkreis ist zwischen den Ausgang S₂ des Verstärkers A₂ und den Eingang E₂ des Verstärkers R, geschaltet/ und schließlich

einen Unterbrecher I' zwischen Masse und dem Eingang E₁₂ des Verstärkers A₁.

In dem Schaltkreis gemäß der Erfindung sind die Werte des Kompensationswiderstandes R_fi am Eingang E _ des Verstärkers A end des Widerstandes R₇ am Eingang E₃₃ des Verstärkers A«:

R₂ (R₁ + R₅) R₃ R₄

bzw.

R₁ + R₀ + R_c R- + R.
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wojfdurch sichergestellt ist, daß der bestmögliche Abgleich zwischen diesen Eingängen erfolgt.

Es ist hier besonderes darauf hinzuweisen, daß die Beziehung R₂/^Ri · ^R4/^R3 ^{= κ}ς/^κι ⁺ * ^nur dann befriedigt werden kann, wenn die Genauigkeit und die Stabilität der Widerstände über die Zeit sichergestellt ist. Diese Beziehung ist demgemäß so zu fassen:

R₅ 1

-Ξ. χ = 1 +

R₁ g - 1 κ

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Mit den Komponenten üblicher Qualität ist der

4 Wert des Koeffizienten K in der Größenordnung von Io . Unter diesen Bedingungen ist der scheinbare Eingangswiderstand des Schaltkreises abweichend von Unendlich gleich (K + 1). R₁ - KR_ oder K ^R5 . Der scheinbare. Eingangswiderstand ist demgemäß ⁹ ungefähr K mal die Größenordnung der Widerstände R₁ und R₅. Gemäß der Erfindung verwendet man Widerstände R. und R₅ gleichen Wertes, was zu einer Verstärkung g von 2 führt. Mit beispielsweise Widerständen R und R₁- von loo Kilohm und

einem Faktor K in der Größenordnung von Io ist die scheinbare Eingangsimpedanz gleich loo Megohm, was bei weitem genügend ist, um zu verhindern, daß die Funktion des Eingangsschaltkreises nicht die zu übertragenden Signale stört.

Wenn das von der Quelle V , R gelieferte Signal ein reines Wechselsignal ist, kann man den Kommutator I und den Unterbrecher I* dauernd geschlossen lassen, während der Unterbrecher l· dauernd geöffnet ist; auf diese Weise wird die Spannung der Quelle an die Klemme ~" gelegt, nachdem sie ohne Änderung den Korrekturschaltkreis des Eingangssignals CE durchlaufen hat, wie nachfolgend noch zu erläutern ist. Man kann feststellen, und dies bildet einen interessanten Aspekt des erfindungsgemäßen Schaltkreises, daß das Vorhandensein des Kondensators C in der Rückkopplungsschleife genügt, um die Stabilität der Funktion sicherzustellen.

Der Kondensator C läßt das Signal bis zum Punkt durch, der Korrekturschaltkreis des Ausgangssignals

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bleibt unwirksam/ wie nachfolgend noch näher zu erläutern. Die Fehlerspannungen, die an den Klemmen ' und erscheinen könnten infolge Driftströmen und Spannungen der Verstärker A, und A^ können infolge ihrer niedrigen Frequenz über die Rückkopplungsschleife BR nicht das Wechselsignal beeinflussen, das über den Schaltkreis übertragen wird. Der Kondensator C öffnet nämlich die Rückkopplungsschleife zwischen den Klemmen ' und für sehr niedrige Frequenzen. Der Kondensator C könnte an jedem anderen Punkt zwischen " und angeordnet werden, beispielsweise hinter R₃ oder in Serie mit R₅ in der Rückkopplungsschleife BR, wobei nur die Bedingung zu beachten ist, daß das Frequenzspektrum des zu übertragenden Signals sich außerhalb desjenigen Bereichs befinden muß, für den der Kondensator C die Schleife offenhält. Für beispielsweise ein Wechselsignal, dessen niedrigste Frequenz 3o Hz ist, kann der Schaltkreis als eine offene Rückkopplungsschleife aufweisend betrachtet werden, für Störungen und Abweichungen, deren Frequenz 1 Hz nicht übersteigt, wenn ein Kondensator C von 33 F und ein Widerstand von loo Kilohm vorgesehen werden. Der Schaltkreis bleibt vollkommen stabil, und die Übertragung des Signals ist demgemäß außerordentlich gut. Ein solcher Eingangsschaltkreis kann mit Vorteil in Verbindung mit einem numerischen Voltmeter Anwendung finden.

Wenn das zu übertragende Signal eine Gleichkomponente umfaßt, kann man den Kondensator C nicht mehr wirksam werden lassen; er wird kurzgeschlossen, indem der Unterbrecher I. geschlossen wird und der Unterbrecher I¹ geöffnet wird. Die Korrekturschaltkreise CS und CE gestatten die Steuerung und die für die Stabilität des Schaltkreises erforderlichen

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Kompensationen anstelle des Kondensators C, insbesondere dann, wenn der an den erfindungsgemäßen Schaltkreis angeschlossene Verarbeitsschaltkreis intermittierend arbeitet. Ein Beispiel für einen solchen Schaltkreis ist ein numerisches Voltmeter mit Doppelrampe, wie es in der französischen Patentschrift 1 444 343 beschrieben ist. Dieser Voltmetertyp erfaßt kontinuierlich das Eingangssignal, aber intermittierend während einer vorgegebenen Integrationsperiode, nach welcher der Schaltkreis zeitweilig von der Quelle abgeklemmt wird, während man eine Bezugsspannung entgegengesetzt der Polarität wirken\läßt, um den Integrator wieder auf das ursprüngliche Potential zu heben.

Die Schaltkreise CE und CS verwirklichen die Erfassung und Kompensation eines Fehlersignals während derjenigen Perioden, während denen das Eingangssignal nicht am Eingangsschaltkreis liegt. Zwei Fehlerspannungen sind zu korrigieren: Einerseits die Fehlerspannung, die am Ausgang des Eingangsschaltkreises auftritt mit Hilfe des Korrekturschaltkrefees für die {Ausgangsspannung CA, und andererseits die Fehlerspannung an der Klemme >-mit Hilfe des Schaltkreises CE.

Der Schaltkreis C^ besteht im wesentlichen aus einem Differentialverstärker A_ mit einem Kondensator C₃. Der Verstärker A₃ ist in Gegenkopplung zwischen den Ausgang S₂ des Verstärkers A_ und^den Eingang E., des Verstärkers A. geschaltet; zu diesem Zweck ist der Ausgang S des Verstärkers A₂ an einen Eingang E₃. des Differential-

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Verstärkers R angeschlossen und mit dem Vorzeichen + versehen. Ein Kommutator I₃₃ ist zwischen die vorbeschriebene Verbindung gelegt.· Der Verbindspunkt 39 des Kommutators I₃₃ mit dem Eingang E₃₁ ist über einen Widerstand R₃₃ an Masse gelegt. Der andere Eingang E₃₂ des Verstärkers A₃ mit dem Vorzeichen - ist gleichermaßen an Masse über einen Widerstand R₃₈ gelegt, der den gleichen Wert besitzt wie der Widerstand R₃₇* Der Verstärker A₃ ist mit einer Nullregelung RZ versehen, mit da:en Hilfe man anfänglich die Spannung am Ausgang S, auf Null bringen kann, wenn der Kommutator I₃₃ offen ist. Der Ausgang S₃ des Verstärkers A₃ ist über einen Kommutator 34 und einen Verbindungspunkt 36 einerseits an einen Belag eines Kondensators C₃ gelegt _r dessen anderer Beig bei 35 an Masse liegt, und andererseits mit dem Eingang Ei₂ des Verstärkers A₁ über dessen Kompensationswiderstand verbunden.

Die Rückkopplungsschleife, in der der Verstärker A liegt, sorgt für die Kompensation der Drift der Verstärker^ A. und A₉, selbst dann, wenn das Eingangssignal ein Gleichsignal ist. Für diesen Zweck arbeiten die Kommutatoren I₃₃ und I₃₄ in Phasenwechsel bezüglich des Kommutators am Eingang I : Wenn der letztere geschlossen ist, sind I₃₃ und I₃4 offen und umgekehrt. Wenn der Eingangsschaltkreis von der Quelle abgetrennt ist, wird die gesamte verbleibende Spannung an der Klemme ^:> auf den Eingang des Differentialverstärkers A₃ übertragen, dieser liefert eine Kompensationsspannung und wirkt auf den Eingang E,_? des Verstärkers A₁ derart, daß das Fehlersignal am Ausgang des Schaltkreises auf Null gebracht wird oder, genauer gesagt, auf einen niedrigeren Wert, je nach der Auslegung der Schaltung.

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Gleichzeitig wird die Kompensationsspannung des Verstärkers A- mittels des Kondensators C_ gespeichert. Auf diese Weise wird automatisch auch der Eingangsschaltkreis auf Null gebracht, während der Ruhezeit des Meßorgans. Wenn I geschlossen wird, öffnen sich I_, und I_. gleichzeitig unter der Wirkung einer nicht dargestellten Steueranordnung, so daß der Differentialverstärker A_ von dem Eingangsschaltkreis abgetrennt wird. Die gespeicherte Kompensationsspannung auf dem Kondensator C₃ stellt die Korrektur des Eingangssignals während der aktiven Phase sicher. *

Es ist festzuhalten, daß, wenn dem Eingangsschaltkreis ein weiterer Verstärker folgt, beispielsweise ein Verstärker mit variabler Verstärkung, es vorzuziehen ist, den Eingang E des Verstärkers A_ mit dem Ausgang des letzeren derart zu verbinden, daß auch dessen Drift in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur korrigiert wird.

Oie bewirkte Kompensation am Eingangspegel E₁₂ des Verstärkers A durch den Schaltkreis C berücksichtigt die Drift der beiden Verstärker A und K , hindert jedoch nicht das Auftreten einer eventuellen Fehlerspannung „-" ., i wenn die Klemme " unabgeschlossen ist (Kommutator I offen). Diese Spannung könnte zu einer Arbeitspunktverschiebung von A führen, die über BR übertragen wird, und es die Aufgabe des Schaltkreises CE, diesen Fehler zu beseitigen. Dieser Schaltkreis besteht im wesentlichen aus einem Kondensator C. in Serie mit dem Kommutator I und der Klemme ; ein Kommutator Iji&b zwischen die Klemme 4ο vor dem Kondensator C und Masse gelegt und arbeitet in umgekehrter Phasenlage zu I , bildet also mit dem letzteren

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einen Onterbrecherkreis Serie-parallel» Diese Kommutatoren können beispielsweise durch Feldeffekt-Transistoren gebildet werden, ebenso wie auch diejenigen des Schaltkreises es. Wenn der Kommutator I geöffnet wird, ist die Klemme \ automatisch über I^ und den Kondensator C₄ an Masse gelegt, so das dieser sich automatisch auf die Fehlerspannung _v- ^ auflädt. Wenn I_e geschlossen ist, öffnet sich X, und die Eingangsspannung V wird unmittelbar auf die Klemme "" über den Kondensator C, übertragen, der V im Hinblick auf die Fehlerspannung , ,, die bei

- vorliegt _r korrigiertj der Eingangsstrom ist praktisch istull. Man erkennt, daß die Funktion?? des erfindungsgemäßen Schaltkreises nicht die Aufladung des Kondensators C. erfordert, was zu einer sehr kurzen Ansprechzeit bei Gleichspannungen führt. Man versucht im Gegenteil zu verhindern, daß die Ladung des Kondensators C . nicht den Wert der Spannung an der Klemme ^v des Schaltkreises beeinträchtigt. Deshalb wird die Kapazität des Kondensators C₄ in Funktion der Zeit /A t bestimmt, während der der Kommutator I geschlossen bleibt derart, daß die Spannungsänderung an

kleiner ist als die Auflösung des Systems. Wenn man mit · V diese Auflösung bezeichnet, kann man die vorbeschriebene Beziehung ausdrücken als:

. ---Λ—- χ Jk-. yd ν

C₄

Fig. 4 erläutert die Änderung dier Spannung V *-^v am Punkt ^ von dem Augenblick des Schiießens von I an in Funktion der Zeit t. In dieser Kurve ist die Änderung

A ν * der Spannung V '* während der Zeit ^ t aufgetragen. Die Zeit der unterbrechung A-. t ist ver-

knüpft mit der Funktionszeit des Systems, das an den erfindungsgemäßen Schaltkreis angeschlossen ist. Um die Koramutationen auf niedrigem Niveau während der Funktionszeit oder Meßzeit zu vermeiden, wird der Kommutator I so gesteuert, daß das Eingangssignal immer angelegt ist während des Beginns der Meßzeit und am Ende derselben unterbrochen wird. Auf diese Weise läßt

angegebene

sich die oben Beziehung relativ leicht befriedigen, dadurch dal die Größe 1/KR. sehr klein ist wegen der sehr hohen scheinbaren Eingangsimpedanz KR. des Schaltkreises.

Wie oben angegeben, ist die Impedanz des Schaltkreises erheblich und bleibt so ebenso wie seine Verstärkung in einem breiten Frequenz-band; es erfolgt keine Unterbrechung während der Meßzeit, was zu einer guten Übertragung des Eingangssignals beiträgt. Das erfaßte Signal während der Meßzeit wird nicht moduliert. Die Wechselspannungen des Serienmodus werden in perfekter Form übertragen. Darüberhinaus ist die Ansprechzeit bei Gleichbetrieb sehr kurz, insbesondere im Vergleich mit klassischen Eingangsverstärkern mit Filtern, die eine nicht vernachlässigbare Zeitkonstante aufweisen.

Schließlich ist die Stabilität des Schaltkreises, sowohl für reine Wechselsignale als auch für Gleichsignale, durch zusätzliche Mittel zu steuern, die einfach sind und gleichermaßen die Korrektur der Drift der Verstärker zu korrigieren erlauben, sowohl bezüglich der Zeit als auch der Temperatur.

Gemäß der Erfindung wird demgemäß ein Eingangsschaltkreis vorgeschlagen mit einer Eingangsimpedanz von

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etwa looo Megohm und einer Elngangskapazxtät von etwa^ 2o Pikofarad zwischen .1 Hz und loo Hz, wobei die übertragung der Eingangsspannung mit einer Genauigkeit von besser als lo~ erfolgt. Man kann den Schaltkreis gemäß der Erfindung sowohl speziell ausbilden für Gleichsignalübertragung als auch für Wechselsignalübertragung oder, wie oben beschrieben, für beide Signalarten gleichermaßen.

- Patentansprüche - 19 -

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Claims

2117723

Patentansprüche

(IJ Eingangsschaltkreis mit höchster Impedanz mit einem Verstärker positiver Verstärkung g, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Operationsverstärker in Inverteranordnung mit einer kaskadegeschalteten re-

sistiven Rückkopplung und demgemäß mindestens näherungs- "

weise auf Massepotential liegenden Eingängen, ferner mit einem mit einer Klemme an den Eingang des ersten Operationsverstärkers angeschlossenen Eingangswiderstand des Wertes R. und einem Widerstand des Wertes R₅ in der Rückkopplungsschleife zwischen dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers und der anderen Klemme des Eingangswiderstandes, unter Bemessung der genannten Werte gemäß g = 1 + Rc/Rj zwecks Erhöhung der Eingangsimpedanz auf einen gegen Unendlich gehenden hohen Wert, dadurch gekennzeichnet, das den Operationsverstärkern (A,_# A₂) in Kombination eine erste Stabilisieranordnung (C, I, L), bestehend aus einem in die Rückkopplungsschleife gelegten ^ Kondensator (C) zum öffnen der Schleife für Driftsignale mit einer unter der Frequenz der Signale am Eingang des Eingangsschaltkreises liegenden Frequenz sowie eine zweite Stabilisieranordnung aufweist, die mindestens einen in Gegenkopplung zwischen den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers CA₂) und einen Eingang (Ejj) *^^{es ers1ten} Operationsverstärkers (A.) gelegten Spannungsverstärker (A_), einen Kommutator (I₃₃) zum Abtrennen des Spannungsver-

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stärkers in Wechselphasenbetrieb mit einem zweiten Kommutator (I ) zum Anlegen des Eingangssignals, und einen SepicherköndettsatOr (G₃) umfaßt, dessen einer Belag auf einem Bezugspotential (35) liegt und dessen anderer Belag sowohl an den Ausgang des Spannungsverstärkers als auch an den genannten Eingang (E₁₂) des ersten Opaationsverstärkers angeschlossen ist, welche beiden Stabilisieranordnungen weichselweise außer Betrieb setzbar sind, je nach dem, ob das Eingangssignal ein Gleich- oder Wechselsignal ist.
2. Eingangsschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stabilisieranordnung einen Hilfsschaltkreis umfaßt, bestehend aus einem Hilfsspeicherkondensator (C₄) in Reihe mit dem Eingangskommutator (I ) und dem Anschluß^unkt ( T-- ) der Rückkopplungsschleife (BR) an den Eingangswiderstand und einem Hilfskommutator (I₄) in Wechselphasenbetrieb wit dem Eingangskommutator, welcher Hilfskommutator zwischen dem Eingangskommutator und dem Hilfsspeicherkondensator angeschlossen ist.
3. Eingangsschaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Hilfsspeicherkondensators derart bezüglich der Zeitdauer, während der der Eingangskommutator das Eingangssignal durchverbindet, bemessen ist, daß die Potentialänderungen an den Klemmen des Kondensators während dieser Zeitdauer klein sind gegenüber der Auflösung des Schaltkreises.

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