DE3151082A1 - Schaltungsanordnung zur erweiterung des linearitaetsbereiches eines steuerbaren widerstandes - Google Patents

Description

• Schalturlgsanordrlung zur Erweiterung des Linearitsts-
• ~bereiches eines steuerbaren Widerstandes Beim Erfindungsgeyenstand handelt es sich um eine Schaltungsanordnung zur Erweiterung des Linearitätsbereiches eines steuerbaren Widerstandes. Steuerbare Widerstände werden u.a. in elektrischen Regelkreisen gebraucht, um z. B. einen Signalpegel konstant zu halten. Dabei ist es wichtig, daß der steuerbare Widerstand in einem möglichst großen Spannungsbereich linear bleibt - d.h. sich wie ein ohmscher Widerstand verhält -um die Regelung verzerrungsfrei durchführen zu können.
• Ein Beispiel für einen steuerbaren Widerstand, der sich in der Nähe kleiner Spannungswerte wie ein ohmscher Widerstand verhält und dessen Widerstandswert sich in weiten Grenzen verändern lädt, ist der Feldeffekt-Transistor (FET). Um den Linearitätsbereich des Widerstandes der durch die Drain-Source-Strecke des FET gebildet wird, zu vergrößern, verwendet man einen Spannungsteiler. Durch ihn wird ein Teil der Spannung, die über dem steuerbarem Widerstand liegt, auf die Steuerelektrode (Gate) gegeben (U. Tietze u. Ch. Schenk Halbleiterschaltungstechnik, 5. Auflage, Springer Verlag 1DB0, Seite 92, Abbildung 3.20).
• Der so beschaltete FET kann als ausreichend linear argesehen werden, solange über ihm keine größere Spannung als etwa 1 Volt abfällt. Sein Widerstandswert ist durch die Gate-Source-Spannung veränderbar.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegebenen steuerbaren Widerstand durch eine Beschaltung zu einer Anordnung mit einem steuerbaren Eingangswiderstand zu ergänzen, dessen Linearitätsbereich wesentlich größer ist als der des gegebenen steuerbaren Widerstandes.
• Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine weitere Lösung ist im Kennzeichenteil des Anspruches 2 angegeben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen; Es zeigen: Figur 1 ein erfindungsgemäßes ächaltungsprinzip, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Nach Figur 1 werden zur Lösung der gestellten Aufgabe zwei steuerbare Stromquellen 14 und 16 verwendet, die den Strom durch die Eingangsklemmen 11 und 12 der Anordnung steuern.
• Die Steuerung erfolgt durch eine Steuerschaltung 15, die zwischen zwei ihrer Anschlüsse den steuerbaren Widerstand R enthält und der die Ausgangsspannung eines Differenzverstärkers 13 zugeführt wird. Die beiden Eingänge des Differenzverstärkers 13 sind mit den Eingangsklemmen 11,12 der Anordnung verbunden.
• Die Steuerschaltung 15 steuert den Strom durch die Eingangsklemmen 11,12 derart, darv er proportional zur Spannung wird, die über den Eingangsklemmen 11,12 abfällt und umgekehrt proportional zum eingestellten Widerstand des steuerbaren Widerstandes R.
• Bei der zweiten Lösung der gestellten Aufgabe werden statt der Stromquellen steuerbare Spannungsquellen verwendet. Diese Lösung mit ihren vorteilhaften Ausgestaltungen soll anhand eines Ausführungsbeispieles; das in Figur 2 dargestellt ist, näher erläutert werden.
• Es sei angenommen, dal: zwischen den Eingangsklemmen 11 und 12 der Anordnung nach Figur 2 eine Eingangsspannung abfällt. Zum besseren Verständnis wird diese Eingangsspannung als Spannungsdifferenz dargestellt, und zwar als Differenz einer Spannung U1 zwischen der Eingangsklemme 11 und dem Bezugspunkt der Anordnung und einer Spannung U2 zwischen der Klemme 12 und dem Bezugspunkt.
• Wie die Figur 2 zeigt, liegt die Spannung U1 am nicht invertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers 21 an, der als Spannungsfolger geschaltet ist.
• Entsprechendes gilt für die Spannung U2 und einen zweiten Operationsverstärker 22. Im folgenden sollen alle Operationsverstärker als ideal angesehen werden, das heiflt u. a., daß keine Eingangsströme fliesen.
• Die Spannungsfolger -21 und 22 setzen demnach die Spannungen U1 und U2 leistungslos in gleich große Spannungen an ihren Ausgängen um. Diese Ausgänge führen nun über Widerstande R1, R2 auf die beiden Eingänge eines dritten Operationsverstärkers 23, der in bekannter. Weise weiteren Widerständen R3 und R4 beschaltet ist Kennzeichnet man die Widerstandswerte der Widerstände durch einen Strich über dem Symbol für das Bauteil, so schreibt sich die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 23 als (U1-U2) x R4/R2, vorausgesetzt, es wird R1 = R2 und R3 = R4 gewählt. Weiß man, in welchem Spannungsbereich sich die Eingangsspannung U1-U2 bewegt, so läßt sich das Verhältnis R4/R2 immer so wählen, daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 23 in den Linearitätsbereich eines gegebenen steuerbaren U'aderstandes R fällt. In Figur 2 ist ein Feldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand R eingezeichnet.
• Die Sorce-Elektrode dieses Feldeffekttransistors ist mit dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers 23 verbunden, während die Drain-Elektrode an den invertierenden Eingang eines vierten Operationsverstärkers 24 führt, der als Umkehrverstärker mit dem steuerbaren Widerstand R und einem Widerstand R7 beschaltet ist. Die Ausgangsspannung des Umkehrverstärkers bemißt sich sie ist (U1-U2); sie ist zum Kanalstrom R-R1 des Feldeffekttransistors proportional Mit dieser Spannung wird nun der Strom gesteuert, der über einen Widerstand R5 von der Eingangsklemme 11 zu einem fünften Operationsverstärkter 25 flieht und der Strom, der von einem sechsten Operationsverstärker 26 über einen weiteren Widerstand R6 zur Klemme 12 fließt. Die Beschaltung der Operationsverstärker 25 und 26 ist derart, daß die Ströme über die Widerstände R5 und R6 entgegengesetzt gleich groß sind. Zu diesem Zweck müssen die Spannungsteiler R12/R13 und R14/R15, mit denen der Operationsverstärker 26 beschaltet ist, und die Spannungsteiler R8/R9 sowie R10/R11, mit denen der Operationsverstärker 25 beschaltet ist und die Widerstände R5 und R6 folgendermaBen bemessen werden: R5 = 196 = 198 = R11 = R13 = R14, R9 = R10 = R12 = R15.
• Im Falle der angegebenen Bemessung nimmt der Eingangswiderstand der Schaltung den Wert (R2 x R9 x R) (R4 x R7) an. Erfüllt man noch zusätzlich die Bedingung (R9 x R2) : g4 x R7) = 1, so wird der Wert des Eingangswiderstandes gleich nach dem des steuerbaren Widerstandes R.
• Die maximal zulässige Eingangsspannung gängiger Operationsverstärker liegt bei etwa 10 Volt; ihr maximal zulässiger Ausgangsstrom beträgt rund 20 mA.
• Daher läßt sich der Linearitätsbereich eines unbeschalteten FET bei diesen Werten mit der erfindungsgemäßen Schaltung etwa um den Faktor 10 vergrößern.
• Werden die angegebenen Grenzen durch bessere Technoloyien nach oben hin verschober, so ergibt sich daraus auch eine praktische unbegrenzte Erweiterung des Linearitäsbereiches dns steucrbaren Widerstandes.

Claims (4)

1. Patentansprüche 1,)Schaltungsanordnung zur Erweiterung des Linearitätsbereiches eines steuerbaren Widerstandes (R), gekennzeichnet durch folyende Schaltungsmerkmale: a) die Eingangsklemmen (11, 12) der Anordnung sind an die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers (13) mit hohem Eingangsuiderstand geführt, b) einer Steuerscheltung (15), die zwischen zwei ihrer Anschlüsse den steuerbaren Widerstand (R) enthält, wird die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers (13) zugeführt; c) die Eingangsklemmen (11, 12) der Anordnung sind über eine Beihenschaltung zweier steuerbarer Stromquellen (14, 16) miteinander verbunden; d) die beiden Stromquellen werden von der Steuerschaltung derart gesteuert, da sie entgegengesetzt gleiche Ströme liefern und daX jeder der beiden Ströme proportional zur Ausgangsspannung des Differenzverstärkers (13) und umgekehrt proportional zum eingestellten Wert des steuerbaren Widerstandes (R) ist.
2. 2 Schaltungsanordnung zur Erweiterung des Linearitätsbereiches eines steuerbaren Widerstandes (R), gekennzeichnet durch folgende Schaltungsmerkmale: a) die Eingangsklenmen (11, 12) der Anordnung sind an die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers (D) mit hohem Eingangswiderstand geführt; b) einer Steuerschaltung (St), die zwischen zwei ihrer Anschlüsse den steuerbaren Widerstand (n) enthält, wird die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers (D) zugeführt; c) die Serienschaltung zweier steuerbarer Spannungsquellen (S1, S2) ist über je einen Widerstand (R5, RE) mit den Eingangsklemmen (11, 12) der Anordnung verbunden; d) die steuerbaren Spannungen (S1, S2) werden von der Steuerschaltung (St) so gesteuert, daß über die mit den Eingangsklemmen verbundenen Widerstände (R5, R6) entgegengesetzt gleiche Ströme fließen und daß jeder der beid Ströme proportional zur Ausgangsspannung des Differenzverstärkers (D) und umgekehrt proportional zum eingestellten Wert des steuerbaren Widerstandes (R) ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (D) aus einem in bekannter Weise mit Widerständen (R1, R2, R3, R4) beschalteten dritten Operationsstärker (23) besteht, dessen Eingänge über jeweils einen der Beschaltungswiderstände (R1, R2) mit den Ausgängen zweier als Spannungsfolger verwendeten ersten und zweiten Operationsverstärker (21, 22) verbunden sind.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daf der Ausgang des dritten Operationsverstärkes (23) an die eine Klemme des stauerbaren Widerstandes (R) führt, während die andere Klemme an den invertierenden Eingang eines als UmkehrverstHrker beschalteten vierten Operationsverstärkars (24) gekopelt ist.