Chopper-Verstärker

Chopper-Verstärker

Ein Chopper-Verstärker (oder auch Zerhacker-Verstärker) ist eine elektronische Schaltung zur Verstärkung von sehr kleinen Gleichspannungen. Haupteinsatzgebiet war bis in die 1980er Jahre hinein die Messtechnik. Sie wurden danach in elektronischen Schaltungen weitgehend durch so genannte Auto-Zero/Zero-Drift-Verstärker abgelöst.

Inhaltsverzeichnis

Hintergrund

Chopper-Verstärker zählen zu der Gruppe der Modulationsverstärker. Deren allgemeines Prinzip besteht darin, die zu verstärkende Eingangsgröße zu modulieren, das Eingangssignal somit gleichanteilsfrei in einen höheren Frequenzbereich zu verschieben, um es so driftfrei verstärken zu können. Anschließend wird mittels eines Synchrondemodulators das verstärkte Eingangssignal in Basisbandlage zur weiteren Verarbeitung zurückgewonnen.

Bei dem Chopper-Verstärker wird als Modulationsverfahren eine adaptierte Pulsamplitudenmodulation verwendet, wovon sich auch der Begriff Zerhacker bzw. Chopper ableitet. Chopper-Verstärker können sehr einfach auch zur Potentialtrennung zwischen Eingangs- und Ausgangbereich eingesetzt werden: Sie werden dann als Potentialtrennverstärker bezeichnet, welche aus Sicherheitsgründen beispielsweise in der medizinischen Messtechnik eine Rolle spielen.

Verringerung des 1/f-Rauschens durch Verschiebung auf einen höheren Frequenzbereich

Bei der Verstärkung geringer niederfrequenter Spannungen verfälschen häufig Nullpunktdrift und Offset das Ergebnis. Dadurch ändert sich bei konstanter Eingangsspannung die Ausgangsspannung unkontrolliert abhängig z. B. von der Temperatur oder der Alterung der Bauelemente.

Gleichspannungsverstärker leiden unter dem 1/f-Rauschen, das häufig mehr stört als das Wärmerauschen, welches sich durch Kühlung verringern lässt. Dieses „Rosa Rauschen“ ist beim Chopperverstärker prinzipbedingt stark reduziert, wie im Bild am Beispiel eines Verstärkers der Bandbreite 100 Hz gezeigt wird.

  • Erfolgt die Verstärkung unmittelbar und ohne Frequenzumsetzung, addiert sich zur Eingangsspannung die linke blau gefärbte „Rauschmenge“, die mit sinkender Frequenz stark zunimmt.
  • Beim Chopperverstärker wird die Eingangsspannung beispielsweise mit der wesentlich höheren Frequenz f = 10 kHz „zerhackt“. Das entspricht der Amplitudenmodulation eines 10-kHz-Trägers mit der Messspannung. Die Fourieranalyse des Signals zeigt, dass die Eingangsspannung in den Seitenbändern des Trägers enthalten ist. Diese erstrecken sich über den Bereich f − 100 Hz bis f + 100 Hz. Nur dieser hohe Bereich wird nachfolgend verstärkt, dort ist das 1/f-Rauschen erheblich geringer als im Basisbereich 0 bis 100 Hz. Bei der abschließenden Synchrongleichrichtung zur Demodulation erscheint nur dieser geringe Rauschanteil (die rechte blau gefärbte „Rauschmenge“) im Ausgangssignal.

Je kleiner die zu messende Spannung, desto gravierender sind die Auswirkungen aller Störmöglichkeiten. Mit speziellen Differenzverstärkern lassen sich diese Probleme nur verringern, mit Chopperverstärkern fast ganz ausschalten.

Prinzip

Einfacher Zerhacker des Eingangssignals

Nullpunktsdrift stört nicht bei Wechselspannungsverstärkern, denn an Ein- und Ausgang ist immer ein Koppelkondensator, der keine Gleichspannung passieren lässt. Deshalb wird die zu verstärkende Gleichspannung zunächst durch einen Zerhacker (Chopper, siehe nebenstehendes Bild) in eine Wechselspannung umgewandelt, anschließend verstärkt und danach wieder gleichgerichtet. Das Verfahren besitzt viele Vorteile: Ein Wechselstromverstärker

  • kann einfacher gebaut werden als ein entsprechender Gleichstromverstärker
  • besitzt bessere Langzeitstabilität trotz Änderungen (Alterung) der Bauelemente
  • hat stabile Verstärkung trotz Temperaturänderung
  • ist produktionstechnisch gut reproduzierbar
  • die individuelle Kompensation der Offsetspannung ist überflüssig

Chopperverstärker besitzen auch Nachteile:

  • Die höchste zu verarbeitende Frequenz muss deutlich unter der Zerhackerfrequenz liegen. Die übliche Grenzfrequenz liegt unter 100 Hz.
  • Preis, Volumen und Komplexität sind deutlich höher als beim Operationsverstärker.
  • Sie lassen sich schwerer in Form von integrierte Schaltungen realisieren und werden meist als diskrete elektronische Schaltung realisiert.

Schaltung

Blockschaltbild eines Chopperverstärkers

Die Eingangsspannung wird durch einen elektronischen Schalter (meist ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor) einige Tausend Mal pro Sekunde kurzgeschlossen, wodurch ein schwaches Wechselspannungssignal entsteht. Dieses wird etwa 10000-fach verstärkt und mit einem zweiten JFET im gleichen Rhythmus (synchron) gleichgerichtet. Die dabei entstehende pulsierende Gleichspannung muss mit einem RC-Tiefpass von allen störenden Wechselspannungsanteilen befreit werden und entspricht dann der Eingangsspannung.

An Stelle des elektronischen Schalters, der durch den periodischen Kurzschluss die Eingangsspannung belastet, werden auch Brückenschaltungen mit Kapazitätsdioden verwendet, die hochohmiger sind und höhere Eingangswiderstände bieten. Diese Schaltungen werden auch als Schwingkondensator- oder als Varicapverstärker bezeichnet.

Eine mögliche Offsetspannung des zentralen Wechselspannungsverstärkers wird durch den anschließenden Kondensator daran gehindert, an den Ausgang der Schaltung zu gelangen. Eine externe Gegenkopplung wie bei einem Operationsverstärker eliminiert alle Fertigungstoleranzen des Chopperverstärkers.

Die niedrige Bandbreite des Chopper-Verstärkers lässt sich teilweise durch das Zusammenschalten eines herkömmlichen, breitbandigen Hauptverstärkers, dessen Drift in bestimmten Grenzen beliebig sein kann, und in Vorwärtskopplung mit einem driftarmen und schmalbandigen Chopper-Verstärker als Hilfsverstärker kompensieren. Jene speziellen Verstärkerschaltungen sind unter Bezeichnungen wie Goldbergschaltung bzw. Landsbergschaltung bekannt.

Anwendungen

Anwendungen lagen im Bereich der Messtechnik bei der Verstärkung von Gleichspannungen bzw. niederfrequenten Wechselspannungen. Beispielsweise bei Spannungsmessgeräten im Picovoltbereich, Dehnungsmessstreifen, Hallsensoren und Zweistrahl-Photometern. Sie sind in diesen Anwendungsbereichen weitgehend durch Auto-Zero/Zero-Drift-Verstärker abgelöst worden, welche höhere Bandbreiten aufweisen, sich leichter als fertige integrierte Schaltung realisieren lassen und ähnliche Grenzdaten bieten. [1][2]

Siehe auch

  • Lock-in-Verstärker, kommen teilweise in Verbindung mit separaten Choppergeräten in der Messanordnung zum Einsatz, und messen im Gegensatz zum Chopper-Verstärker nicht ein Gleichsignal, sondern ein Wechselsignal einer bestimmten Frequenz.

Literatur

  • Manfred Seifart: Analoge Schaltungen. 3. Auflage. VEB Verlag Technik Berlin (DDR), 1989, ISBN 3-341-00740-7.
  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 1. Auflage. Springer, 1969 (Titel-Nr.:1565).

Weblinks

Maxim Application Notes:

Einzelnachweise

  1. MAX4238/9 Datenblatt von MAXIM (engl.)
  2. OPA333 Datenblatt von Texas Instruments (engl).

Wikimedia Foundation.

Игры ⚽ Поможем написать реферат

Schlagen Sie auch in anderen Wörterbüchern nach:

  • Chopper — (deutsch = Hacker, aus dem Englischen to chop für hacken) bezeichnet ein prähistorisches Steinwerkzeug zum Aufschlagen von Nüssen, Schalentieren oder Markknochen, siehe Chopper (Archäologie); Messer mit rechteckigem Blatt, welches in der… …   Deutsch Wikipedia

  • Verstärker (Technik) — Ein Verstärker ist ein Gerät oder eine Baugruppe, die ein eingehendes Signal so verarbeitet, dass Ausgangsspannung, Ausgangsstrom oder die Ausgangsleistung größer sind, als die entsprechenden Eingangsgrößen. Verstärker gibt es sowohl für… …   Deutsch Wikipedia

  • Verstärker (Elektrotechnik) — Ein Verstärker ist ein Gerät oder eine Baugruppe, die ein eingehendes Signal so verarbeitet, dass Ausgangsspannung, Ausgangsstrom oder die Ausgangsleistung größer sind als die entsprechenden Eingangsgrößen. Verstärker gibt es sowohl für… …   Deutsch Wikipedia

  • Chopper-Schaltkreis — Zerhacker: Stromlaufplan Zerhacker: v.l.n.r.: 230 V Kontakte, Schalter, Transformator, darunter Kondensator …   Deutsch Wikipedia

  • Chopper (Schaltung) — Zerhacker: Stromlaufplan Zerhacker: v.l.n.r.: 230 V Kontakte, Schalter, Transformator, darunter Kondensator …   Deutsch Wikipedia

  • Verstärker mit Eingangsunterbrecher — moduliacinis stiprintuvas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. chopper amplifier; modulation demodulation amplifier vok. Verstärker mit Eingangsunterbrecher, m; Verstärker mit Eingangszerhacker, m rus. усилитель с модуляцией и… …   Automatikos terminų žodynas

  • Verstärker mit Eingangszerhacker — moduliacinis stiprintuvas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. chopper amplifier; modulation demodulation amplifier vok. Verstärker mit Eingangsunterbrecher, m; Verstärker mit Eingangszerhacker, m rus. усилитель с модуляцией и… …   Automatikos terminų žodynas

  • chopper amplifier — moduliacinis stiprintuvas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. chopper amplifier; modulation demodulation amplifier vok. Verstärker mit Eingangsunterbrecher, m; Verstärker mit Eingangszerhacker, m rus. усилитель с модуляцией и… …   Automatikos terminų žodynas

  • Invertierender Verstärker — Der Operationsverstärker (Abk. OP, OPV, OV, OpAmp, OA) ist ein elektronischer Verstärker, der einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang besitzt und eine sehr hohe Verstärkung aufweist. Als Eingangsschaltung wird immer ein… …   Deutsch Wikipedia

  • Nichtinvertierender Verstärker — Der Operationsverstärker (Abk. OP, OPV, OV, OpAmp, OA) ist ein elektronischer Verstärker, der einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang besitzt und eine sehr hohe Verstärkung aufweist. Als Eingangsschaltung wird immer ein… …   Deutsch Wikipedia

Share the article and excerpts

Direct link
Do a right-click on the link above
and select “Copy Link”