NL8600193A - Rekenversterker. - Google Patents

Description

, E 30yy-32 Ned hm/hv P & C Si SGS MICROELETTRONICA S.p.A.

Korte aanduiding: Rekenversterker.

De uitvinding heeft betrekking op een rekenversterker.

Zoals bekend vinden rekenversterkers op grote schaal toepassing in 5 diverse takken van de elektrotechniek, dankzij hun inherente eigenschappen, veelzijdigheid en de mogelijkheid om eigenschappen van het uitgangssignaal te verschaffen, die - wat hun configuratie en verbinding betreft - van andere componenten verschillen.

Een typerende (inverterende) configuratie is weergegeven in fig, 1, 10 waar de rekenversterker 1 aan zijn niet-inverterende ingang een spanning V heeft, waarbij zijn uitgang, bij de spanning V_, is teruggekoppeld naar I* o de inverterende ingang van de versterker 1 via de weerstand R^, terwijl het ingangssignaal is aangelegd aan dezelfde inverterende ingang via de weerstand R^. Een dergelijke rekenversterker heeft een bij benadering lineair 15 gedrag binnen een spanningsbereik beperkt door factoren inherent aan de rekenversterker zelf.

Het kan echter nu en dan gewenst zijn het uitgangsbereik te beperken tussen afgestelde waarden, die naar keuze geselecteerd worden.

Ter bereiking van een beperking in het uitgangsbereik, aanvaarden 20 eerdere circuits dikwijls de oplossing van het rangschikken, evenwijdig aan de terugkoppelweerstand, van een paar anti-parallel geschakelde zehner dioden.

Dientengevolge, zolang de uitgangsspanning lager is dan de zehner doorslagspanning, komen de zehners niet tussenbeide en gedraagt de reken-25 versterker zich normaal. Wanneer daarentegen de uitgangsspanning de neiging heeft de doorslagspanning van één of andere zehner te overschrijden, wordt deze onderworpen aan doorslag, waardoor het terugkoppelnetwerk een lage impedantie zal hebben, die de versterking vermindert en een beperking veroorzaakt van de uitgangsspanning tot beneden de waarde van de zehner 30 doorslagspanning.

Deze aanpak heeft echter bepaalde nadelen.

In het bijzonder is het niet mogelijk om de remspanning of -spanningen van het uitgangsbereik nauwkeurig af te stellen en dat om twee verschillende redenen.

35 1. Wanneer men zehners toepast kunnen de begrenzingsspanningen slechts discrete waarde hebben en kunnen niet continu worden gevarieerd in overeenstemming met toevallige behoeften.

Voorts kunnen de begrenzingsspanningen niet nauwkeurig worden afgesteld als gevolg van de spreiding van de doorslagspanningen bij de diode-vervaar-40 diging, en zijn niet constant als gevolg van hun drift met de temperatuur.

s - - ► « · ' *

- ,-· J

ï -2-

Ofschoon circuit-oplossingen bekend zijn die neigen naar een vermindering van de drift van de zehnerdoorslagspanning met de temperatuur, kunnen dergelijke oplossingen niet het eerste probleem oplossen, staan niet 5 toe een nauwkeurige afstelling van de spanningslimieten en introduceren aan de andere kant'een aanzienlijke circuit-ingewikkeldheid in de versterker met evidente nadelen.

Met het oog op deze situatie is het een doelstelling van de uitvinding het verschaffen van een rekenversterker, die de problemen, die men 10 tegenkomt bij eerdere versterkers, op te lossen waarbij in het bijzonder de limietwaarden van het bereik van de uitgangsspanning nauwkeurig kunnen worden afgesteld zonder te worden beperkt tot het vooraf instellen van discrete waarden.

Binnen de bovengenoemde doelstelling is het een bijzonder oogmerk 15 van de onderhavige uitvinding een rekenversterker te verschaffen die eenvoudig is in conceptie en gemakkelijk te vervaardigen is onder gebruikmaking van de gewoonlijk op dit vakgebied toegepaste vervaardigingstechnieken.

En niet het minste oogmerk van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een verbeterde rekenversterker, die de uiterste betrouwbaar-20 heid in bedrijf kan verschaffen.

Bovenstaande doelstelling en deze en andere oogmerken, die hierna duidelijk zullen worden, worden verkregen door een rekenversterker, die volgens de uitvinding een ingangsverschiltrap en een uitgangsversterkings-trap bezit, gekenmerkt door tenminste een tweede verschiltrap, waarvan een 25 eerste ingang verbonden is met de uitgang van de versterkingstrap, en een tweede ingang ingesteld op een referentiepotentiaal, alsmede een uitgang verbonden met de ingangstrap zodanig dat deze niet de ingangstrap stoort, wanneer de uitgang van de versterkingstrap in absolute waarde lager is dan de referentiepotentiaal, en deze de ingangstrap toestaat te worden verwij-30 derd en vervangen door de tweede verschiltrap, wanneer de uitgang van de versterkingstrap gelijk is aan de referentiepotentiaal, ongeacht het signaal, dat aanwezig is aan de ingang van de ingangstrap.

De uitvinding zal hieronder aan de hand van een in de figuren der bijgaande tekeningen weergegeven uitvoeringsvoorbeeld nader worden toege-35 licht.

Fig. 1 toont een equivalent elektrisch diagram van een conventionele rekenversterker, in de inverterende configuratie;

Fig. 2 toont de uitgangsspanning als functie van de ingangsspanning verkregen met de rekenversterker volgens de uitvinding; 40 Fig. 3 toont een equivalent blokschema van de rekenversterker volgens •f» -- .-w r v>t *-/ » ν' ί·' 3 -i -3- de uitvinding;

Fig. 4 toont een equivalent elektrisch schema van de versterker volgens de uitvinding; en 5 Fig. 5 toont het equivalente elektrische schema van de versterker van fig. 4 voor werkcondities, die het gevolg zijn van de beperking van'het uitgangsbereik.

Fig. 1 toont een blokschema van de conventionele rekenversterker, waarvoor een beperking van het uitgangsbereik gewenst is, bijvoorbeeld 10 volgens de grafiek van fig. 2, waarbij de uitgangsspanhing Vq beperkt is tussen de waarden van en V +v

L REF L REF

Om dit gedrag van de uitgangsspanhing te verkrijgen bezit volgens de uitvinding een conventionele rekenversterkertrap 1' (weergegeven in fig. 3 en op typerende wijze bevattende een verschil-ingangstrap 10 en een ver-15 sterkings-uitgangstrap 11, die in cascade geschakeld zijn) twee aanvullende verschiltrappen 12 en 13.

In: het bijzonder bezit de verschiltrap 12 een ingang aangesloten op een referentiepotentiaal (bijvoorbeeld V ) en een andere ingang aangesloten op de uitgang Vq van de uitgangstrap 11.

20 Op soortgelijke wijze heeft de verschiltrap 13 een ingang aangesloten op een tweede referentiepotentiaal -V en is de tweede ingang aangesloten

REF

op de uitgang Vq van de versterkings-uitgangstrap 11.

De uitgangen van de verschiltrappen 12 en 13 zijn aangesloten op de verschiltrap 10 van de versterker en sturen deze zo dat de werking ervan 25 niet gestoord wordt, wanneer de uitgangsspanning Vq ligt binnen het bereik gedefinieerd door de referentiespanningen (onder verwijzing naar de spanning V aanwezig op de niet-inverterende ingang van de verschiltrap 10) en de verschiltrap 10 (die aan de ingang van de versterkingstrap 11 de uitgangs- spanning van de verschiltrappen 12 of 13 levert) naarmate de uitgangsspan- 30 ning V de referentiespanning V of -V bereikt.

U REF REF

Na de vervanging daarvan zal de rekenversterker bestaan uit een verschiltrap (12 of 13) en een versterkingstrap 11, die op een totale wijze teruggekoppeld is (in de spannings-volger configuratie), die daarop aan de uitgang de aan de verschiltrap 12 of 13, die op elk tijdstip in bedrijf 35 is, aangelegde referentiespanning zal vasthouden.

Circuitgewijs wordt het blokschema van fig. 3 uitgevoerd zoals weergegeven in fig. 4.

In het bijzonder zijn in die fig. tot uiting gebracht, omcirkeld door een stippellijn, de rekenversterkertrap 1' en verschiltrappen 12 of 13.

40 In bijzonderheden zij vermeld dat de rekenversterkertrap 1' een paar a Έ -4- transistoren 21 en 22 bevat met gekoppelde emitters, vooringesteld door de spanning van de stroombron I.

De basis van de transistor 21 stelt de inverterende ingang voor 5 van de rekenversterker, terwijl de basis van de transistor 22 de niet-inverterende ingang voorstelt van de rekenversterker.

De collector van de versterker 21 is verbonden met een diode 23, terwijl de collector van de transistor 22 verbonden is met de collector van een transistor 24, verbonden aan de basis met de anode van de diode 23 en 10 bij de collector eveneens met een transistor 25 en een condensator 26.

De rekenversterker wordt voltooid met de transistoren 27, 28 en 30, diode 29 en stroombronnen.

Deze opstelling is algemeen bekend aan een deskundige op dit vakgebied en behoeft geen verder commentaar.

15 Wat de verschiltrappen 12 en 13 betreft, zijn deze eveneens conven tionele typen en hebben zij elk een paar transistoren, die emitter gekoppeld zijn en ingesteld zijn door stroombronnen 21.

In het bijzonder is de transistor 31 van de verschiltrap 13 met zijn collector geaard, terwijl de basis ervan geplaatst is bij een eerste 20 referentieDOtentiaal, in het bijzonder -V.

- Rnr

De eerste transistor 12 van het paar, dat de verschiltrap 13 vormt, wordt gestuurd aan de hasis met de uitgangsspanning V , terwijl de collector ervan verbonden is met de collector van de transistor 21 en de anoden van de dioden 23,alsmede met de basis van de transistor 24.

25 De transistor 33 van de verschiltrap 12 is eveneens met zijn col lector geaard en met zijn basis verbonden met de basis van de transistor 32 en met de uitgang van de versterkingstrap en derhalve van de rekenversterker zelf.

De andere transistor 34 van het paar, dat de verschilversterker 12 30 vormt, is met zijn basis geplaatst bij een tweede ref eren tiepotenti aal terwijl de collector ervan verbonden is met de collectors van de transistor 22 en de transistör 24 van de trap 1', met de.basis van de transistor 25 en met de condensator 26.

Dankzij deze verbinding, zijn, zo Icing de uitgangsspanning Vq zich 35 tussen -V en V bevindt, de begrenzertrappen bestaande uit de

REF REF

verschiltrappen 12 en 13, inactief, aangezien volgend op de bestaande instel-spanning, de transistoren 32 en 34 worden uitgeschakeld en de transistoren 31 en 33 de instelstroom/geleverd door de bronnen 21 aan aardefontladen.

Laat ons nu veronderstellen dat de uitgangsspanning de bovengrens- 40 waarde van v benadert.

REF

· v n ^ “n s’ -5-

Bij het bereiken van de grensspanning, wordt de transistor 34 ook in de normale doorlaatrichting vooringesteld en begint te geleiden, en indien de uitgangsspanning V nog toeneemt en 50-60 mV bereikt boven V___, 5 schakelt de transistor 33 uit en geleidt de transistor 34 de voorinstel-stroom 21 door de verschilingangstrap.

In deze situatie sluit de verschiltrap 12 de ingangsverschiltrap uit en vormt zelf de stuurverschiltrap voor de rekenversterker,

In deze fase kan de ingangsverschiltrap, bestaande uit het paar 10 transistoren 21 en 22, weergegeven worden door een stroombron, die een constante stroom met waarde I absorbeert, zoals uitgezet is in het equivalente circuit van fig. 5, waar in feite de oorspronkelijke ingangsverschiltrap (gevormd door transistoren 21 en 22) vervangen is door de bron 40, en waar de verschiltrap 13 verwaarloosd is, die in deze fase niet in actie 15 komt.

Als gevolg van deze uitsluiting en de functionele vervanging door de verschiltrap 12, blijkt de equivalente schakeling (zoals weergegeven in fig. 5) die te zijn van een rekenversterker, waarbij de verschiltrap samengesteld is uit de transistoren 33 en 34 en welke blijken te worden terug-20 gekoppeld op een totale wijze met de spanning V aan de niet-inverterende ingang. Dientengevolge geeft dit circuit als uitgang een constante spanning gelijk aan V (onder verwijzing naar de spanning V ).

REF Σι

Een soortgelijk gedrag vindt plaats, indien de uitgangsspanning Vq daalt tot beneden de waarden van -V . In dat geval wordt in feite de ver-25 schiltrap, gevormd door de transistoren 21 en 22, uitgesloten en vervangen door de verschiltrap 13 ter verkrijging van een equivalent circuit gelijk aan dat van fig. 5, met het verschil dat de referentiespanning gelijk is aan -V , welke daarom eveneens de constante uitgangsspanning voorstelt.

Zoals men kan zien uit de voorafgaande beschrijving, bereikt de 30 uitvinding volledig de gestelde doeleinden.

In feite is een rekenversterker gerealiseerd, waarvan het uitgangs-bereik kan worden beperkt naar keuze tussen twee waarden, door op geschikte wijze de grenswaarden +V , -V te selecteren.

REF REF

Uiteraard is het weergegeven geval, waarbij de twee grenswaarden 35 identiek zijn en van tegengesteld teken, maar één voorbeeld, en de bovenen ondergrens van de uitgangsspanning kan asymmetrisch zijn ten opzichte van de spanning V bij de niet-inverterende ingang van de rekenversterker.

De rekenversterker volgens de uitvinding is bovendien uiterst simpel en gemakkelijk te vervaardigen, en kan in het bijzonder zonder problemen 40 worden geïntegreerd.

^ -7

3 T

-6-

De onderhavige uitvinding is ontvankelijk voor vele wijzigingen en veranderingen, die alle vallen binnen de beschermingsomvang van de uitvinding.

5 In het bijzonder, indien slechts de bovenste of onderste begrenzing van de uitgangsspanning gewenst is, zal het voldoende zijn om één begren-zingsverschiltrap op te stellen in plaats van de twee weergegeven in het voorbeeld.

Voorts kunnen alle details worden vervangen door de technische equi-10 valenten ervan.

15 20 25 30 35 40 , : · -¾

Claims (3)

9' "λ· ζ -7-

1. Rekenversterker met een eerste verschiltrap (10) en een versterkings- 3 trap (11), die met elkaar in cascade geschakeld zijn, gekenmerkt door tenminste één als bereikbegrenzing werkzame verschiltrap (12, 13), voorzien van een eerste ingang verbonden met de uitgang (V ) van de versterkings-trap (11) en van een tweede ingang geplaatst op een referentiepotentiaal (V , -V _), van een uitgang verbonden met de uitgang van de eerste ver-REF REF ^ schiltrap (10), waarbij de als bereik begrenzing werkzame verschiltrap inactief is, wanneer de uitgang van de versterkingstrap in absolute waarde lager is dan de referentiepotentiaal, en na inschakeling een constante stroom levert aan de versterkingstrap, waarbij de eerste verschiltrap gedwongen wordt "ijdel" te werken en de versterkingstrap wordt ge- 1 c handhaafd op een constante uitgangswaarde, gelijk aan de referentiepotentiaal, wanneer de uitgang van de versterkingstrap gelijk is aan de referentiepotentiaal.

2. Rekenversterker volgens conclusie 1, gekenmerkt door een eerste en een tweede als bereikbegrenzing werkzame verschil trappen (13, 12), die elk 20 met een eerste ingang verbonden zijn met de uitgang (V ) van de versterkingstrap (11) en elk met een tweede ingang verbonden zijn met een andere referentiepotentiaal (-V , V___), welke referentiepotentialen (-V , isEF REF REF V ) de onder- en bovengrens vormen van het uitgangssignaal van de reken-REF versterker.

^ 3. Rekenversterker volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de eerste verschiltrap (10) een eerste paar transistoren (21, 22) bevat met gekoppelde emitters, waarbij de collector van een eerste transistor (21) in het eerste paar verbonden is met een diode (23) en de collector van een tweede transistor (22) in het eerste paar verbonden is met een verdere tran- sistor (24), en de eerste en tweede als bereikbegrenzing werkzame verschil- trappen (13, 12) een tweede resp. een derde paar transistoren (31, 32; 33, 34. bevatten met gekoppelde emitters, met het kenmerk, dat de collector van een eerste transistor (31) in het tweede paar geaard is, de basis van de eerste transistor (31) in het tweede paar verbonden is met een eerste 33 referentiepotentiaal (-V......), de basis van de tweede transistor (32) in het - BEF tweede paar verbonden is met de uitgang (V ) van de versterkingstrap (11) en de collector van de tweede transistor (32) in het tweede paar verbonden is met de collector van de eerste transistor (21) in het eerste paar, en doordat de collector van een eerste transistor (33) in het derde paar geaard ^ is, de basis van de eerste transistor (33) in het derde paar verbonden is s - ^ -8- met de uitgang (Vq) van de versterkingstrap (11) , de basis van een tweede transistor (34) in het derde paar verbonden is met een tweede referentie-potentiaal (+V ) en de collector van de tweede transistor (34) in het 5 derde paar verbonden is met de collector van de tweede transistor (22) in het eerste paar. 10 15 20 25 30 35 40 .. , _ . J j