DE2401771B2

DE2401771B2 - Rc-impedanzwandler mit mehreren wheatstone-bruecken

Info

Publication number: DE2401771B2
Application number: DE19742401771
Authority: DE
Inventors: Gennadij Pavlovitsch Simin Evgenij Fedorovitsch Gaev Valentin Pavlovitsch Moskau Gaev
Original assignee: Moskovskij Ordena Lenina Energetitscheskij Institut, Moskau
Priority date: 1974-01-08
Filing date: 1974-01-15
Publication date: 1977-07-07
Also published as: IT1006795B; FR2260225B1; DE2401771A1; US3913008A; FR2260225A1; GB1456134A

Description

Die Erfindung betrifft einen /?C-Impedanzwandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger ÄC-Impedanzwandler dient insbesondere zur Zwischenkopplung bei nachrichten- oder funkelektronischen Nieder- und Infraniederfrequenz-Geräten.

RC-Impedanzwandler der eingangs genannten Art gibt es bereits (vgl. dazu auch M a c h ο η i η G. M., ho L i s j a k 1. IC, K a r t a s c h e w K. I., »Passive ÄC-Vierpole mit Übertragungsmaß größer Eins«, Arbeiten des Radiotechnischen Instituts von Taganrog, 1970, Heft 29, S. 52-57).

Nachteilig ist bei den erwähnten ßC-Impedanzwand- <>> lern, daß sie den Wert des Spannungsübertragungsmaßes bei einer vorgegebenen Frequenz lediglich um 10 bis 20% über Eins sichern, also nicht gestatten, die höchstmögliche Verstärkung bei vorgegebener Ordnung des Polynoms der Übertragungsfunktion zu realisieren.

Es sind zwar für sich einfache flC-lmpedanznetzwerke bekanntgeworden ( F i a I k ο w A. D. und G e r s t I., »The Maximum Gain of an RC Network«, Proceedings of the IRE, Bd. 41, Nr. 3, März 1953, S. 392-395), die einen Verstärkungsfaktor von ca. 1,5 aufweisen, doch ist dort kein Zusammenbau eines KC-lmpedanzwandlers aus mehreren Wheatstone-Brücken vorgesehen.

Der andere Nachteil der eingangs erwähnten üblichen flC-Impedanzwandler besteht in der Notwendigkeit einer größeren Anzahl von Bauelementen, da zur Erhöhung des Spannungsübertragungsmaßes eine Kaskadenschaltung verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beseitigung der obengenannten Mängel einen solchen ÄC-Impedanzwandler zu schaffen, daß bei einer möglichst geringen Anzahl von Bauelementen eine größtmögliche Spannungsverstärkung für vorgegebene Frequenz bei einem festen Wert der Ordnung des Polynoms der Übertragungsfunktion möglich wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem /?C-Impedanzwandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung wird vorteilhaft ausgestaltet durch den /?C-Impedanzwandler nach dem Patentanspruch 2.

Der RC- Impedanzwandler kann auch als eine Einrichtung für die Zwischenstufenkopplung bei Selektivverstärkern und selbsterregten Niederfrequenzgeneratoren eingesetzt werden.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen RC-lmpedanzwandlers gestattet es, die Schaltung zu vereinfachen und die qualitativen Eigenschaften der Selektivverstärker zu verbessern, wobei die Stabilität der Kennlinien des Verstärkers bei Einwirkung äußerer stabilitätsstörender Einflüsse durch Verringerung der Zahl der aktiven Bauelemente der Stabilität dei passiven Schaltungs-Bauelemente näherkommt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des ftC-Impedanzwandlers gemäß der Erfindung,

F i g. 2 das Prinzipschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des KC-Impedanzwandlers gemäß der Erfindung,

Fig.3 das Prinzipschaltibld eines dritten Ausführungsbeispiels des ftC-Impedanzwandlers gemäß der Erfindung,

F i g. 4 ein Vektordiagramm zur Erläuterung des Betriebs des ßC-Impedanzwandlers von Fig. 1,

Fig.5 ein Vektordiagramm zur Erläuterung de; Betriebs des /?C-Impedanzwandlers von F i g. 2,

F i g. 6 ein Vektordiagramm zur Erläuterung de: Betriebs des ÄC-Impedanzwandlers von F i g. 3.

Betrachtet sei die Prinzipschaltung des in Fig.! dargestellten ÄC-Impedanzwandlers. Der /?C-lmpe danzwandler besteht aus fünf Wheatstone-Brücken 1,2 3, 4 und 5. Iede Brücke 1, 2, 3, 4 und 5 weist eint Meßdiagonale mit Eckpunkten 6 und 7 und eim Speisediagonale mit Eckpunkten 8 und 9 auf. Dit gegenüberliegenden Zweige jeder der Brücken 1, 2,3, ' und 5 sind durch (kennlinienmäßig) gleichartig! Bauelemente gebildet, d. h. ein Paar gegenüberliegende Zweige durch Widerstände 10 und das andere Paa gegenüberliegender Zweige durch Kondensatoren 11

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sämtliche Brücken I, 2, 3, 4 und 5 sind miteinander 1ιΐΓ(Λ die Eckpunkte 8 und 9 der Speisediagonale verbunden. In die Speisediagonale der Ausgangsbrücke } ist eine Eingangsspannungsquelle 12 geschultet, und liese Ausgangsbrücke 3 ist an die oenachbarten Brücken 2 und 4 derart angeschlossen, daß die Nachbarzweige der Brücken 2, 3 und 4 durch gleichartige Bauelemente gebildet sind. Alle übrigen Brücken (Brücken I und 5) sind zu den benachbarten Brücken in der Weist; geschaltet, daß die Nachbarzweige durch (kennlinienimüßig) ungleichartige Bauelemente, d. h. je einen Widerstand 10 bzw. je einen Kondensator 11, gebildet sind. Die Eckpunkte 6 und 7 der Meßdiagonalen der für die Ausgangsbrücke 3 benachbarten Brücken 2 und 4 sind mit den Eckpunkten

6 bzw. 7 der Meßdiagonale der ersteren mit Hilfe den Bauelementen der Nachbarzweige ungleichartigen Bauelementen, d. h. mit Hilfe von Widerständen 13 und Kondensatoren 14, verbunden, jeder der Eckpunkte 6 und 7 der Meßdiagonalen der anderen nachfolgenden Brücken 1 und 5 ist durch ein Bauelement, das dem jeden dieser Eckpunkte 6 und 7 mit dem Eckpunkt 8 der Speisediagonale der vorhergehenden benachbarten Brücke (der Brücke 2 für die Brücke 1 bzw. der Brücke 4 für die Brücke 5) verbindenden Bauelement ungleichartig ist, mit dem Eckpunkt 6 und 7 der Meßdiagonale der genannten vorhergehenden Brücken 2 und 4 gekoppelt, der vorher mit der Mctldiagonale der Ausgangsbrücke 3 durch ein gleichartiges Bauelement gekoppelt ist. Beispielsweise ist der Eckpunkt 6 der Meßdiagonale der Brücke 1, der mit dem Eckpunkt 8 der Speisediagonale der vorhergehenden Brücke 2 durch den Kondensator 11 gekoppelt ist. zusätzlich durch einen Widerstand 15 mit dem Eckpunkt der Meßdiagonale der Brücke 2 verbunden, der vo^rher mit dem Eckpunkt 6 der Meßdiagonale der Ausgangsbrücke 3 durch den Widerstand 13 gekoppelt war. Hierbei ist der Eckpunkt

7 der Meßdiagonale derselben Brücke 1, der mit dem Eckpunkt 8 der Speisediagonale der vorhergehenden Brücke 2 durch den Widerstand 10 gekoppelt ist, zusätzlich durch einen Kondensator 16 mit dem Eckpunkt 7 der Meßdiagonale der Brücke 2 verbunden, der vorher mit dem Eckpunkt 7 der Meßdiagonale der Ausgangsbrücke 3 durch den Kondensator 14 gekoppelt war. In ähnlicher Weise sind die Eckpunkte 6 der Meßdiagonalen der Brücke 4 und 5 durch den Kondensator 16 und die Eckpunkte 7 dieser Brücken 4 und 5 durch den Widerstand 15 verbunden. Der Ausgang des flC-Impedanzwandlers ist durch die Eckpunkte 8 und 9 der Speisediagonalen der Biucken 1 bzw. 5 gebildet.

F i g. 2 zeigt die Prinzipschaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels des fJC-lmpedanzwandlers, wo im Unterschied zu der in Fig. 1 wiedergegebensn Prinzipschaltung der Eckpunkt 6 der Meßdiagonale der Brücke 1 durch den Widerstand 15 mit dem Eckpunkt 6 der Ausgangsbrücke 3, der Eckpunkt 7 der genannten Brücke 1 mittels eines Kondensators 16 mit dem Eckpunkt 7 der Ausgangsbrücke 3 und die Eckpunkte 6 und 7 der Brücke 5 durch den Kondensator 16 bzw. Widerstand 15 mit den Eckpunkten 6 und 7 der Meßdiagonaie der Ausgangsbrücke 3 gekoppelt sind.

Die Prinzipschaltung eines dritten Ausführungsbeispiels des RC-lmpedanzwandlers ist in Fig. 3 dargestellt. In dieser Schaltung sind im Unterschied zu den in Fig. 1 und 2 wiedergegebenei; Schaltungen die Zweige der Brücken 1, 2, 4 und 5, ausgenommen der Aiiseanesbrüeke 3. die mit dem Eckpunkt 8 der Speisediagonale der vorhergehenden benachbarten Brücke verbunden sind, durch zwei in Reihe liegende gleichartige Bauelemente — und zwar Widerstände 17 und 18. Kondensatoren 19 und 20 — gebildet. Die

s Verbindungspunkte 21 der Widerstände 17 und 18 und die Verbindungspunkte 22 der Kondensatoren 19 und 20 der Brücken 1, 2, 4 und 5 sind mit den Eckpunkten der Meßdiagonalen der vorhergehenden Brücken ebenso wie auch die entsprechenden Eckpunkte der Meßdiagonalen der Brücken 1, 2, 4 und 5 verbunden, beispielsweise der Verbindungspunkt 21 der Widerstände 17 und 18 der Brücke 1 mit dem Eckpunkt 7 der Brücke 2 mittels eines Kondensators 23 und der Verbindungspunkt 22 der Kondensatoren 19 und 20 der

is Brücke 1 mit dem Eckpunkt 6 der Brücke 2 mit Hilfe eines Widerstandes 24.
Der RC-Impedanzwandler arbeitet wie folgt:
An die Eckpunkte 8 und 9 (F ig. 1) der Speisediagonale der Ausgangsbriicke 3 ist die Eingangsspannung von

ao der Spannungsquelle 12 angelegt.

Falls die Bauelemente der nachfolgenden RC-Brükken derart gewählt sind, daß sie keine Nebenschlußwir kung auf die vorhergehenden Brücken ausüben, wird der Spannungsabfall über dem Kondensator 11

2s zwischen den Eckpunkten 7 und 9 der Ausgangsbrücke 3 du.-ch einen Vektor 25 im Vektordiagramm nach F ■ g. 4 abgebildet. Der Pfeil des Vektors 25 zeigt das Potential des Eckpunktes 7 (F i g. 1) und der Anfang das Potential des Eckpunktes 9 an. Der Spannungsabfall über dem Widerstand 10 zwischen den Eckpunkten 7 und 8 der Ausgangsbrücke 3 entspricht einem Vektor 26 (F i g. 4). Die Vektorsumme der Vektoren 25 und 26 ergibt einen Vektor 27 der Eingangsspannung der Quelle 12 (F i g. 1). Der Spannungsabfall zwischen den Eckpunkten 6 und 9

.vs und zwischen den Eckpunkten 6 und 8 ist durch die Vektoren 26 bzw. 25 (F i g. 4) dargestellt. Das Potential des Eckpunktes 9 (Fig. 1) der nachfolgenden Brücke 2 fällt mit dem Potential des Eckpunktes 8 zusammen. Der Spannungsabfall über dem Widerstand 13 zwischen den Eckpunkten 6 der Brücken 2 und 3 wird durch einen Vektor 28 (Fig.4) abgebildet, und ein Vektor 29 zeigt den Spannungsabfall am Kondensator 14 (Fig. 1) zwischen den Eckpunkten 7 derselben Brücken 2 und 3 an. Der Spannungsabfall über den Widerständen 10 der übrigen Brücken 1, 2, 4 und 5 wird gleichfalls durch Vektoren 26 (Fig.4) und über den Kondensatoren 11 (Fig. 1) derselben Brücken durch die Vektoren 25 (F i g. 4) abgebildet. Der Spannungsabfall am Kondensator 14 (F i g. 1) zwischen den Eckpunkten 6 der Brücken

so 3 und 4 ist ebenfalls durch einen Vektor 29 (F i g. 4) und über dem Widerstand 13 (Fig. 1) zwischen den Eckpunkten 7 derselben Brücken 3 und 4 durch den Vektor 28 (Fig. 4) angedeutet. Der Spannungsabfall über den Widerständen 15 (Fig. 1) ist durch Vektoren

ss 30 (Fig.4) und über den Kondensatoren 16 (Fig. 1) durch Vektoren 31 (F i g. 4) abgebildet. Als Ergebnis der vektoriellen Addition aller genannten Vektoren tritt ein Vektor 32 auf, der die Ausgangsspannung des in F i g. 1 dargestellten ßC-lmpedanzwandlers veranschaulicht.

da Wie aus dem Vektordiagramm ersichtlich, übertrifft das dem Verhältnis der Ausgangsspannung (Vektor 32 in F i g. 4) zur Eingangsspannung (Vektor 27) gleiche Spannungsübertragungsmaß K Eins beträchtlich, während der Grenzwert des Spannungsübertragungsmaßes

<>s Kbetragt:

24 Ol

mit
πι =

Anzahl von in bezug auf die Ausgangsbrücke nachfolgenden RC-Wheatstone-Brücken,
Anzahl von in bezug auf die Ausgangsbriicke vorhergehenden ÄC-Wheatstone-Brücken.

Bei einer Anzahl der Brücken gleich fünf ist also das Spannungsübertragungsmaß /Cgieich drei.

Die Arbeitsweise des zweiten Ausführungsbeispiels der Schaltung des in F i g. 2 dargestellten /?C-Impedanzwandlers ist durch ein in F i g. 5 wiedergegebenes Vektordiagramm veranschaulicht.

An die Widerstände 15 und Kondensatoren 16 (F i g. 2) sind größere Spannungen angelegt, die durch die Vektoren 30 bzw. 31 (Fig.5) angedeutet sind. Die durch den Vektor 32 veranschaulichte Ausgangsspannung des RC-Impedanzwandlers wird gegenüber der durch den Vektor 32 in Fig.4 veranschaulichten Ausgangsspannung des in Fig. 1 dargestellten /?C-lmpedanzwandlers größer, wobei die Zahl der Bauelemente in den beiden Schaltungen gleich ist. Das Spannungsübertragungsmaß des /?C-Impedanzwandler nach Fig.2 ist also größer als das Spannungsübertragungsmaß des ftC-lmpedanzwandlersnach Fig. 1.

Die Arbeit des dritten Ausführungsbeispiels der Schaltung des in Fig.3 dargestellten /?C-lmpedanzwandlers ist durch ein Vektordiagramm in Fig.6 wiedergegeben. Hier zeigen zum Unterschied vom Diagramm in Fig. 5 Vektoren 33 (Fig.6) den Spannungsabfall über den Widerständen 24 (F i g. 3), Vektoren 34 (Fig.6) den Spannungsabfall über den Kondensatoren 23 (F i g. 3), Vektoren 35 und 36 (F i g. 6) den Spannungsabfall über den Widerständen 17 bzw. 18 (F i g. 3), Vektoren 37 und 38 (F i g. 6) den Spannungsabfall über den Kondensatoren 19 und 20 (F i g. 3).

Wie aus dein Diagramm hervorgeht, ist bei den Werten des Spannungsübertragungsmaßcs K oberhalb sieben die Zahl der Bauelemente in der Schaltung des in Fig.3 dargestellten /?C-Impedanzwandlers kleiner als die Zahl der Bauelemente der in Fig. 1 und 2 dargestellten WC-lmpedanzwandler. Der Grenzwert des Spannungsübertragungsmaßcs K des in Fig. 3 dargestellten flC-Impedanzwandlcrs beträgt:

mit

n\ und 112 = Anzahl von in bezug auf die Augangsbrücke nachfolgenden bzw. vorhergehenden RC-Wheatstone-Brücken.

Die in Fi g. 1, 2 und 3 wiedergegebenen Schaltungen der /?C-lmpedanzwandler besitzen den Vorteil, eine Stromübersetzung zu ermöglichen, die, wenn zwischen dem Eckpunkt 5 der Brücke 1 und dem Eckpunkt 9 der Brücke 5 in allen Schaltungen eine Stromquelle gelegl und der Ausgangstrom zwischen den Eckpunkten 8 unc 9 der Speisediagonale der Ausgangsbrücke 3 wird. Ein; erheblich übersteigt.

Der erfindungsgemäße RC-Impedanzwandler kann ir den Schaltungen von Selektivverstärkern und selbster regten Nieder- und Infraniederfrequenz-Generatorcr für Sinusschwingungen eingesetzt werden.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen /?C-lmpe danzwandlers gestattet es, Selektivvcrstärker um selbsterregte Generatoren mit hoher Stabilität vor Kennlinien aufzubauen, wobei die lezteren der Stabilitä der passiven Bauelemente angenähert werden.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen RC-lmpedanz wandlers ist auch ein großer Wert des Spannungsüber tragungsmaßes bei einer geringen Anzahl von verwen deten Bauelementen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

24 Ol Patentansprüche:

1. ÄC-Impedanzwandler mit mehreren Wheatstone-Brücken einschließlich einer Ausgangsbrücke mit > jeweils einer Meß- und einer Speisediagonale, über deren Eckpunkte die Brücken in Serie miteinander verbunden sind, und mit einer Spannungsquelle in der Speisediagonalen der Ausgangsbrücke, wobei gegenüberliegende Brücken-Zweige gleichartige ι ο Bauelemente, Kondensatoren oder Widerstände, und benachbarte Zweige derselben Brücke ungleichartige Bauelemente aufweisen und wobei in der Ausgangsbrücke jeder Brückenzweig tin Bauelement derselben Art wie der benachbarte Zweig der benachbarten Brücke aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Brükken untereinander derart erfolgt, daß gekoppelt sind: jeder Eckpunkt (6,7) der Meßdiagonale der zur Ausgangsbrücke benachbarten Brücken (2, 4) mit einem der Eckpunkte (6, 7) der Meßdiagonale der Ausgangsbrücke (3) durch ein den Bauelementen (10, 11) der Nachbarzweige ungleichartiges Bauelement (13, 14) und jeder Eckpunkt (6, 7) der Meßdiagonale einer beliebigen anderen nachfolgenden Brücke (1,5) durch ein dem diesen Eckpunkt (6,

7) mit der Speisediagonale (8,9) der vorhergehenden benachbarten Brücke (2, 4) verbindenden Bauelement (10, U) ungleichartiges Bauelement (15,16) mit dem Eckpunkt (6, 7) der Meßdiagonale einer beliebigen der vorhergehenden Brücken (2, 3, 4) einschließlich der Ausgangsbrücke (3), der mit dem Eckpunkt (6, 7) der Meßdiagonale der anderen Brücke durch ein gleichartiges Bauelement verbunden ist, wobei der Ausgang durch die Eckpunkte (8, 9) der Speisediagonalen von mindestens zwei benachbarten Brücken gebildet ist (F i g. 1,2).

2. ÄC-Impedanzwandier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweige aller Brücken (1,2,4,5) mit Ausnahme der Ausgangsbrücke (3), die mit dem Eckpunkt der vorhergehenden benachbarten Brücke verbunden sind, durch mindestens zwei gleichartige in Reihe liegende Bauelemente (17, 18; 19, 20) gebildet sind, deren Verbindungspunkte (21, 22) an den Eckpunkt der Meßdiagonale einer beliebigen der vorhergehenden Brücken ebenso wie die entsprechenden Eckpunkte von deren Meßdiagonale angeschlossen sind (F i g. 3).