DD267807A1 - Schwellenlose vollweggleichrichterschaltung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine schwellenlose Vollweggleichrichterschaltung mit Operationsverstaerkern, die sich aufgrund ausgezeichneter Linearitaet, Symmetrie, Verstaerkung und Nullpunktkonstanz besonders als Praezisionsgleichrichter fuer die elektronische Messtechnik eignet. In jedem der beiden Signalzweige befindet sich ein Eingangsoperationsverstaerker, der ueber eine potentialverschiebende Anordnung aus einem waehrend der Signaluebertragungsphase vom konstanten Strom durchflossenen nichtlinearen Zweipol den fuer beide Signalzweige wirksam und als Impedanzwandler geschalteten dritten Operationsverstaerker ansteuert. Der Impedanzwandler dient zur niederohmigen Signalauskopplung des Vollweggleichrichters und ist gemeinsamer Bestandteil der sich bildenden Regelkreise fuer die Signalanteile unterschiedlicher Polaritaet. Fuer jeden Signalweg ist ein separater Rueckkopplungszweig vom Ausgang des Impedanzwandlers auf die Eingangsoperationsverstaerker angeordnet. Durch die definierte Potentialverschiebung im Signalweg, die ueber die jeweilige Rueckkopplung ausgeregelt wird, entstehen schaltungsintern in Nullpunktnaehe der Eingangsspannung stabile Zustaende. Die Umschaltung der Signalzweige erfolgt in gegenseitig unterstuetzender Art, wenn das Eingangssignal den Nullpunkt mit entgegengesetzter Polaritaet verlaesst in bezug zur vorhergehenden Polaritaet des Eingangssignals. Fig. 1

Description

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Titel der Erfindung

Sohwellenlcse Vollweggleiohriohtersohaltung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen aohwellenlosen Vollweggleiohriohter mit verbesserten Eigenschaften hinBiohtlioh Symmetrie und nutzbarer Bandbreite und ist vorzugsweise für den Einsatz als Präzisionsgleiohriohter in Meßanordnungen der Nachrichtentechnik vorgesehen·

Charakteristik des bekannten Standes der Teohnik

Es ist allgemein bekannt, daß sich in der Meßteohnik inabesondere sohwellenloee Vollweggleiohriohter zur Wandlung von bipolaren Signalen in ein unipolares Signal eignen. In diesen Anordnungen wird bewußt die Wirkung der Flußspannungen der Gleiohriohfcer·* dioden in den Übertragungswegen der Signalkomponenten beider Vorzeichen in der Nahe des Nullpunktes der Eingangssignale unterdrückt. Duroh die DE-AS 2527658 ist eine Vollweggleiohriohtersohaltung mit Operationsverstärkern in voneinander getrennten übertragungswegen, die den EingangsSignalen mit unterschiedlicher Polarität zugeordnet sind, bekannt geworden. Die Zusammensetzung des generierten unipolaren Signals erfolgt erst am Ausgang dea Vollweggleiohriohters.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist die ungleiohe Anzahl von Verstärkern in den Signalwegen des positiven und negativen Eingangssignals· Dies führt zwangsläufig zu unerwünschten Verzerrungen in der Nullpunktnähe bei kleinen Signalspannungen und hohen Frequenzen. Diese Einschränkung der nutzbaren Bandbreite wird zudem nooh darturoh erhöht, daß in der Funktionsweise dieses Vollweggleiohriohtera jeweils ein Operationsverstärker pro Signalweg nioht gegengekoppelt ist und sich somit in der negativen Übersteuerung befindet

Weiterhin wird jeweils eine Diode des Gleichriohters vom Laststrom

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der Anordnung odor vom Eingangastrom des Emitterfolgerb am Ausgang des Gleichrichters durchflossen· Das hat zur Folge, daß der Arbeitspunkt der Dioden vom fließenden Strom und von der Aussteuerung abhängig ist« Diese nachteilige, von der Sohaltungsdlmensionierung abhängige, niohtlineare Gegenkopplung kann nur unterdrückt werden, wenn der Emitterwideratand des Impedanzwandlers relativ groß gewählt ist, woduroh jedooh wiederum der Ausgangswiderstand der Gesamtanordnung unerwünscht steigt· Bei dem weiteren bekannten Vollweggleiohriohter naoh DD-WF 151227 handelt es sioh um eine ausgangsseitige Zusammenschaltung von zwei identisoh aufgebauten Einweggleiohriohtern mit je einem Operationsverstärker· An die beiden Eingänge des Gleiohriohters ist das Signal direkt und mit einer 180-Grad-Fhasenversohiebung angelegt·

Dieser Naohteil kann nur duroh sohaltungsteohnisohe Maßnahmen aufgehoben werden« Um einen Signaleingangspunkt dieses Vollweggleiohriohters zu erhalten, sind der eine Gleiohriohtereingang direkt und der andere Gleiohriohtereingang über einen zusätzlichen phasendrehenden Verstärker zusammenzusohalten· Auf Grund der unterschiedlichen Anzahl der Verstärkerstufen in beiden Signalzweigen ergeben sich wiederum ungünstige dynamische Eigenschaften· Eine andere Möglichkeit einen gemeinsamen Signaleingang für diesen Vollweggleiohriohter zu sohaffen ist eingangsseitig zusätzlich eine Schaltungsanordnung mit gegen* phasigen Ausgängen anzuordnen, wie z. B. Differenzverstärker, Phasenumkehrstufe u« a. m«, was die Qualität der Symmetrie der Gesamtanordnung unerwünscht beeinflußt· Weiterhin ist der Ausgang des Gleiohrichters nioht entkoppelt, so daß in Abhängigkeit vom angesohlossenen Lastwiderstand und der Aussteuerung die Flußspannung der Dioden am Ausgang und damit die Gegenkopplung beeinflußt werden· Dies verschlechtert im Bereioh kleiner Signale die Linearität der Signalübertragung· Beträgt außerdem die Eingangsspannung null Volt, so ist die Gegenkopplung aufgehoben, was sioh negativ auf die Nullpunktstabilität auswirkt· In der DE-OS 3641321 ist ein Vollweggleiohriohter beschrieben,

der aus zwei jeweils an ihrem Eingang und Ausgang zusammen geschaltete Einweggleiohriohter für das negative und positive Eingangssignal besteht· Dieser Vollweggleiohriohter verfügt über gleiche dynamische Bedingungen In leiden Signalzweigen, so daß eine hohe Bandbreite errθloht wird· Naohteilig ist jedooh die unkonstante Gegenkopplung über den Ausst^uerungsbereioh· So weist dieser Vollwegglelohriohter die gleiohei: Mängel bei der Nullpunktstabilität wie die Anordnung naoh DD-WP 151227 auf.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht deshalb darin, mit geringem sohaltungsteohnisohen Aufwand einen integrationsfähigen Präzisionsgleiohriohter für die Meßtechnik zu sohaffen, der sioh duroh hohe Zuverlässigkeit auszeichnet·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Linearität und Symmetrie bei sohwellenloser Vollweggleiohriohtung mit Operationsverstärkern übor den gesamten Aussteuerbereioh zu siohern, wobei hohe Nullpunktstabilität, große Bandbreite und Signalverstärkung gewährleistet sein müssen·

Dabei soll duroh zwei sohaltungsintern stabile Zustände eine im Nullpunkt wirkende Hysterese Kippsohwingungen vermeiden, die duroh die Übertragungskonkurrenz der den Eingangsspannungen unterschiedlicher Polarität zugeordneten Signalwege verursaoht werden. Weiterhin sollen keine RC-Kompensationssohaltungen bei Verwendung intern kompensierter Operationsνerstärker dos VoIlweggleichriohters zum Einsatz kommen, um die Integrationsfähigkeit der Schaltungsanordnung zu siohern· Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe daduroh gelbst, daß am Ausgang der beiden Eingangsoperationsverstärker des Vollweggleichriohters, die der positiven und der jegat^ven Eingangsspannung zugeordnet sind, jeweils ein niohtlinearor Zweipol zur konstan-

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ten Poten'cialversohiebung über den Aussteuerbereioh der Eingangs spannung bzw« zur Entkopplung angeschlossen ist, daß der Verbindungspunkt der beiden Zweipole an den Eingang eines als Impedanzwandler arbeitenden dritten Operationsverstärker gesohaltet ist und daß der Ausgang des Impedanzwandlers jeweils über einen Rüokkopplungazweig mit den invertierenden Eingängen der Eingangsoperationsverstärker verbunden ist· Daduroh wird erreioht, daß die für Eingangsspannungen untersohiedlioher Polarität zugeordneten Übertragungszweige aus jeweils zwei hintereinanderwirkenden Operationsverstärker weitestgehend gleiohe dyneonlsohe übertragungsbödingungen haben, daß der signalübertrage.nde Zweig von der Eingangs spannung gleich nail bis zu seiner maximalen Aussteuerung duroh einen Regelkreis konstant gagengekoppelt ist· Dieser Regelkreis besitzt auoh im Nullpunkt ausreichende Regelreserven und Stabilität durch eine Potentialveraohiebung, welohe verhindert, daß die regelnde sohaltkrei.sinterne Endstufe des Operationsverstärkers nioht in ihren mit Übernahmeverzerrungen behafteten Umsteuerpunkt kommt· Weiterhin ist der duroh die Eingangsspannung abgeschaltete Zustand das anderen Signalzweiges über sein Gegenkopplungsnetzwerk und den gegenkoppelnüen niohtlinearen Zweipol stabilisiert und die Übersteuerung dieses Operationsverstärkers verhindert·

Die Zweiguraaohaltung erfolgt, wenn das Eingangssignal den Nullpunkt mit entgegengesetzter Polarität verläßt· Der einzuschaltende Operationsverstärker wirkt dabei als beschleunigender Komparator. Dieser Prozeß wird durch beide Signalzweige rolange unterstützt, bis am Sohluß der Umschaltung der andere Regelkreis wirkt. Die Verstärkung des Vollweggleionrichters ist größer als eins und wie die Symmetrie mit den Wideratandsnetzwerken einstellbar, über den Betrag der konotanten Potentialverschiebung ist die Umsohalthysterese und damit die Nullpunktempfindliohkeit bzw. Nullpunktkonstanz beeinflußbar.

Die erfindungageraäße Schaltungsanordnung sichert dem Präzisionsgleiohriohter eine hohe Übertragungsbandbreite, Linearität über den Aussteuerbereioh sowie niederohmige Signalauskopplung ohne

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zusätzliche Kompensationsnetzwerke, da intern kompensierte Operationsverstärker verwendet werden. Die Polarität des gleiohgeriohteten Signals entspricht der, die das Ausgangssignal der Eingangsoperationsverstärker im signalübertragenden Zustand hat und welche über den entsprechenden niohtXinearen Zweipol auf den Eingang des dritten Operationsverstärkers wirkt«

Auaführunffsbeisplel

Nachstehend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden· Dabei sind in der dazugehörigen Zeiohnung gemäß Fig. 1 der erfindungsgemäße sohwellenlose Vollweggleiohriohter dargestellt·

Gemäß Fig· 1 ist der Eingang des erfindungsgemäßen sohwellenlosen Vollweggleiohriohter duroh die Zusammenschaltung der Eingänge des als invertierenden Verstärker arbeitenden Operationsverstärkers OV1 mit dem Spannungsteilerwiderstand R1 und des als niohtinvertierenden Verstärker gesohalteten Operationsverstärkers 0V2 der niohtinvertierende Eingang der Schaltungsanordnung gebildet. Die vom invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV1 ausgehende Gegenkopplung mit dem zweiten Spannungsteilerwiderstand R2 für den Operationsverstärker OV1 sowie die am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV2 wirkende Rückkopplung mit dem Spannungsteilerwiderstand R3 für den Operationsverstärker OV2 sind an den Ausgang dos impedanzwandelnden Operationsverstärker OV3 geführt, der den Ausgang des Vollweggleiohriohters bildet· Die wechselseitig zu bildende Regelsohleife ist vom Ausgang des Operationsverstärkers OV1 über den niohtlinearen Zweipol Z1 und vom Ausgang des Operationsverstärkers OV2 über den niohtlinearen Zweipol Z2 in Abhängigkeit des Eingangsspannungsverlaufes gesteuert· Das Signal beider Verstärkerzweige wirkt über die niohtlinearen Zweipole Z1 und Z2 auf den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV3· Daduroh wird erreioht, daß für den positiven Signalzweig die zwei Operationsverstärker OV1 und OV3 und für den negativen Signalzweig die zwei Operationsverstärker OV2 und OV3 wirksam werden. Durch die gleiche und

geringe Anzahl der Verstärker pro Signalzweig igt eine große Bandbreite und gute Symmetrie bei der Gleiohriohtung hoher Frequenzen gesiohert· Me Symmetrie wird im übrigen Frequenzbereioh nur von der Übereinstimmung des Verhältnisses der Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 des Eingangsoperationsverstärkers OV1 und der Spannung teilerwiderstände R3 und R4 des .^ingangsoperationsverstärkers OV2 bestimmt.

Desweiteren ist an den niohtinvertierenden Eingang des Impedanzwandlers OV3 die Stromsenke S angesohlossen, die im signalübertragenden Zweig mit dem niohtlinearen Zweipol Z1 oder mit dem niohtlinearen Zweipol Z2 eine von der Aussteuerung unabhängige konstante Potentialerhöhung erzeugt. Die Stromsenke ist sowohl ak'tiv als auch passiv ausführbar.

Der nicht an der Signalübertragung beteiligte niohtlineare Zweipol entkoppelt den Eingang des Impedanzwandlers OV3 von den ihm vorgeschalteten Eingangsoperationsverstärkers 0V1 bzw. 0V2. Der dynamische Innenwiderstand der niohtlinearen Zweipole Z1 bzw» Z2 während der Potentialversohiebung ist sehr klein im Verhältnis zum entkoppelnden Betrieb. Die exakte Übereinstimmung der Versohiebepotentiale der Zweipole Z1 und Z2 ist nioht erforderlioh, da sie Bestandteile von Regelkreisen sind« Die beiden Eingangsoperationsverstärker 0V1 und OV2 werden nioht übersteuert, was eine hohe Grenzfrequenz unterstützt. Bei positivem Eingangssignal wird die negative Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OV1 durch die Begrenzerdiode D1 auf den Botrag ihrer Flußspannung begrenzt, wobei ein von der Ausgangsspannung abhängiger und durch den Spannungsteilerwiderstand R2 begrenzter Strom über die Begrenzerdiode D1 in den Ausgang des Eingangsoperationsveratärkers OV1 fließt. Hierbei handelt es sich um eine zustandshaltende Mitkopplung. Eine negative Eingangsspannung führt zur Durchsteuerung der Begrenzerdiode D2 des Eingangsoperationsverstärkers 0V2. Damit iat der Eingangsoperationsveratärker 0V2 mit dem aus der Begrenzerdiode D2 und dem Spannungsteilerwiderstand R3 so gebildeten Spannungsteiler gegengekoppelt und seine negative Ausgangsspannung auf den um die Flußapannung der Begrenzerdiode D2 erhöhten Betrag der Eingangsspannung geregelt. Es fließt ein zu-

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standsstablllslerender und ausg<ingsBi£;nalabhängiger Strom über den Spannungsteilerwideratand R3 und die Begrenzerdiode D2 In den Ausgang des Elngangaoperatlonsveratarkers 0V2· Duroh die niederohmige Signalauskopplung mit dea Impedanzwandler OV3 iat die Bandbreite nioht lastabhängig. PUr die Nullpunktkoustanz ist das hystsresebehaftete, für eine hohe Auflösung das johneHe und empfindliche Umsohalten der Übertragungswege maßgebend. Das Umsohalten der Zweige erfolgt immer dann, wenn der Nullpunkt In Richtung der anderen Polarität übersohritten wird im Bezug auf das Vorzeiohen der Eingangsspannung vor Errelohen des Nullpunktes· Das wesentliche dieser Umschaltung geht aus der prinzipiellen Punktion hervor· Ist die Eingangsspannung null Volt und war das Eingangssignal vorher negativ, regelt der Eingangaoperationaverstärker OV1 über den niohtlinearen Zweipol Z1 und den Impedanzwandler 0V3 das Ausgangssignal des sohwellenlosen Vollweggleiohriohtera auf null Volt, wobei die Auagangaapannung des Eingangaoperationsverstärkera OV1 um den Betrag der Potentialversohiebung größer ist. Duroh das angehobene Ausgangspotential des Eingangsoperationsverstärkers OV1 liegt ein stabil arbeitender Regelkreis vor, welcher ausreichende Regelreserve bei Abweichungen des Ausgangeaignala des Vollweggleiohriohters für beide Polaritäten besitzt, ohne das die schaltkreisinterne Endstufe des regelnden Eingangsoperationsverstärkers OV1 in ihren mit Übernahmeνerzerrungen behafteten Umsteuerpunkt kommt« Wird die Eingangsspannung positiver, folgt über den Eingangsoporationsverstärker OV1 die Untersohreitung des Nullpunktes am Ausgang des Vollweggleiohriohters· Dabei wirken die steigende Eingangsspannung des Vollweggleiohriohters auf den niohtinvertierenden und die fallende Ausgangsspannung des Vollweggleiohriohters über den Spannungsteiler R3 und R4 auf den invertierenden Eingang des noch über den niohtlineoren Zweipol Z2 entkoppelten Eingangsoperationsverstärker 0V2· Bereits im Nullpunkt war die Begrenzerdiode D2 hoohohmig und die Differenzspannung dea Eingangsoperationsverstärkerc OV2 gleich null Volte Die

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Ausgangs spannung des Eingangsoperationsver" -ärkers OV2 erreioht aber nooh nioht den zu überwindenden Betrag der Potentialversohiebung· Dieser Eingangsoperationsverstärker ist im Nullpunkt nioht mehr gegengekoppelt, so daß die nun über beide Eingänge des Eingangsoperationsverstärkero OV2 sioh ergänzende Aussteuerung als Folge der steigenden Eingangs spannung mit der hö'ohsten Verstärkung analog eines !Comparators solange das Ausgangs signal des Eingangsoperationsverstärkers OV2 erhöht, bis über den niohtlinearen Zweipol Z2 und den Impedanzwandler OV3 der Regelkreis geschlossen ist und nun der Eingangsoperationsverstärker OV2 das Ausgangssignal des Vollweggleiohriohters entsprechend dem Eingangssignal des Vollweggleiohriohters ausregelt· Das positive Eingangssignal des Vollweggleiohriohters und die über den nun regelnden Signalzweig ansteigende Ausgangsspannung des Vollweggleiohriohters erhöhen die Differonzspannung des abschaltenden EingangsOperationsverstärkers OV1, so daß dadurch beschleunigt die Ausgangsspannung dea Eingangsoperatlonsverstärkers OV1 kleiner wird· Die Umschaltung erfolgt für beide Zweige in gegenseitig unterstützender Art. was einer hohen Empfindlichkeit und Stabilität dientο Ist die Eingangsspannung gleioh null Volt und war sie vorher positiv, erzeugt der Eingangsoperationsver. stärker 0V2 über don niohtlinearen Zweipol Z2 und den Impedanzwandler OV3 das Ausgangssignal· Auoh dieser Regelkreis arbeitet stabil mit ausreiohender Regelreserve· Der Eingangsoperationsverstärker 0Y1 ist duroh die hoohohmige Begrenzerdiode D1 und mit des entkoppelnden niohtlinearen Zweipol ZI als Komparator gosohaltet. Er schließt mit negativ werdender Eingangsspannung des Vollweggleiohriohters seinen Regelkreis· Die negative Eingangsspannung den Vollweggleiohriohters und die über den sich jetzt bildenden Signalweg ansteigende Ausgangsspannung des Vollweggleiohrichters führt Über die Spannungsteilerwiderstände R3 und R4 zum söhnelien Anschalten des nooh wirksamen Signalzweiges mit dem Eingangeoperationsverstärker OV2·

Die Spannungsteiler aus den Widerständen R1, R2 und R3, R4 bestimmen die Zweigverstärkungen, welohe im allgemeinen Anwendung^fall für symmetrische Gleiohrichtung im Teilungsverhältnis überein-

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stimmen· Es lassen sioh damit in einfacher Art und Weise Verstärkung und Symmetrie beeinflussen.

Die Linearität des Vollwegglelohrlohters ist von der Konstanz der Fotentialversohiebung über den Aussteuerbereioh der Signalamplitude zwlsohen dem regelnden Eingangsoperationsverstärker 0V1 bzw· OV2 und dem Impedanzwandler 0V3 abhängig. Damit kann die Linearität durch den Einsatz von Potentialveraohiebeanordnungen, gebildet duroh die Konstantstromsenke S und dem niohtlinearen Zweipol Z1 bzw. Z2, unterschiedlicher Güte den Forderungen angepaßt werden. Dementsprechend sind die niohtlinearen Zweipole Z1 und Z2 jeweils durch eine Diode oder duroh eine Transistorstufe mit Emitterwiderstand oder anderen geeigneten Sohaltungaanordnungen realisierbar.

Es treten keine Grenzwertübersohreitungen der Bauelementeparameter auf, wenn die Dimensionierung den aus der Meßtechnik bekannten Richtlinien entspricht.

Duroh die Umpolung der Begrenzerdioden D1 und D2, der Änderung der Stromsenke S in eine Stromquelle und der übertragungsrichtung der niohtlinoaren Zweipole erzeugt der Vollweggleiohriohter ein negatives Ausgangssignal.

Im praktischen Anwendungsfall ist es vorteilhaft die exomplarisohen Unterschiede der Eingangsoperationsverstärker selbst auf einem Chip duroh geeignete Kompensatiorismaßnahmen in Übereinstimmung zu bringen.

Claims (1)

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   Patentanspruch

   1· Sohwe.Menloae Vollwegglelohriohteraohaltung mit zwei Eingangaoperationaveratärkern für Eingangaapannungen unteraohiedlioher Polarität, daduroh gekennzeichnet, an die Ausgänge der beiden Eingangaoperationaveratärker (OV1, OV2) jeweils ein niohtlinearer Zweipol (Z1, Z2) zur konatanten Potentialanhebung über den Auaateuerbereioh der Singangaapannung angeaohloaaen iat, daß die Zweipole zuaammengeaohaltet an den Eingang eines dritten, ala Impedanzwandler arbeitenden Operationaveratärkera (0V3) geführt aind und daß der invertierende Eingang beider Eingangaoperationaveratärker jeweils über einen RUokkopplungazweig (R2, R3) mit dem Ausgang dea Impedanzwandler verbunden iat·

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