Abbildung 1: Der Eingangsprioritätsverstärker liefert ein Ausgangssignal vom positivsten der vier Eingänge. Diese Schaltung reagiert auf positive Eingänge, kann aber durch Umkehrung der Dioden und Umkonfiguration der Spannungsversorgungen auch auf negative Eingänge reagieren.
Abbildung 2. Simulationsdiagramm des Ausgangssignals des 4-Kanal-Prioritätsverstärkers.
Im Schaltkreis steuert der Verstärker mit dem positivsten Ausgangssignal den negativen Rückkopplungspfad über die in Durchlassrichtung vorgespannte Diode am Verstärkerausgang. Dadurch entsteht ein einfacher Verstärkungspfad mit Einheitsverstärkung über R1 oder R2, R3 oder R4, je nachdem, welcher Kanal das positivste Ausgangssignal liefert, zum invertierenden Eingang des Verstärkers. Die Diode zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang ist am Verstärker mit dem größten Eingangssignal in Sperrrichtung vorgespannt, wodurch der Schaltkreis von seinem Eingang bis zum Gesamtausgang als Verstärker mit Einheitsverstärkung arbeitet. Die Ausgänge der Verstärker mit schwächeren Eingangssignalen werden so lange negativ, bis ihre Rückkopplungsdiode D2 (oder die Diode des entsprechenden Verstärkers) in Durchlassrichtung vorgespannt ist. Dadurch bleiben die Verstärker im lokalen geschlossenen Regelkreis. Die 10-kΩ-Widerstände, wie z. B. R1, ermöglichen es den schwächeren Verstärkern, durch die Bildung eines lokalen Rückkopplungsnetzwerks als Puffer mit Einheitsverstärkung zu fungieren. Abbildung 2 zeigt Simulationsergebnisse für alle vier Kanäle.
Abbildung 3 zeigt die tatsächlichen Betriebssignale an zwei Eingängen, Kanal 1 und Kanal 2, wobei der Ausgang als Kanal 3 dargestellt ist.
Unterschiedliche Eingangssignale werden verwendet, um den Effekt zu verdeutlichen, der entsteht, wenn zwei verschiedene Signalformen in unterschiedlichen Intervallen um die höchste Amplitude konkurrieren. Abbildung 3 zeigt die tatsächlichen Oszilloskop-Signale einer Zweikanal-Version des Verstärkers mit dem Ausgang auf Kanal 3 (beachten Sie, dass der Nullpunkt für Kanal 3 auf dem Oszilloskopbildschirm tiefer liegt als der Nullpunkt für die Kanäle 1 und 2).
Abbildung 3. Oszilloskopdiagramm einer zweikanaligen Version des Prioritätsverstärkers. Kanal 1 und 2 sind Eingangssignale, Kanal 3 ist das Ausgangssignal. (Beachten Sie, dass der Nullpunkt für Kanal 3 auf dem Oszilloskopbildschirm tiefer liegt als der Nullpunkt für Kanal 1 und 2.)
Obwohl diese Schaltung für den Betrieb mit positiven Spannungen ausgelegt ist, kann sie durch einfaches Umkehren der Diodenanschlüsse und entsprechendes Einstellen der Versorgungsspannungen an negative Spannungen angepasst werden.
Die dargestellte Schaltung verwendet einen Operationsverstärker vom Typ Microchip MCP6V51/2/4; es ist jedoch eine große Auswahl an Operationsverstärkern von Microchip geeignet. Bei der Auswahl sind folgende Punkte zu beachten:
1. Mehrere Operationsverstärker, z. B. Vierfach-Operationsverstärker (und Vielfache von Vielfachen, abhängig von der endgültigen Anzahl der Leitungen).
2. In den meisten Anwendungen wird ein Operationsverstärker mit einem Gleichtaktbereich benötigt, der die negative Versorgungsspannung des Operationsverstärkers (typischerweise Masse) einschließt. In manchen Fällen kann ein Gleichtaktverstärker mit einem Rail-to-Rail-Bereich erforderlich sein.
3. Es liegt auf der Hand, dass die Sensor- bzw. Eingangssignalpegel sowie die Anforderungen an das Ausgangssignal die erforderliche Spannungsfestigkeit der Operationsverstärker bestimmen.
4. Für diese Schaltung ist eine Verstärkung von 1 unerlässlich. Bei Betrieb mit kapazitiven Lasten kann eine zusätzliche Kompensation erforderlich sein, um die Stabilität zu gewährleisten.
Über den Autor:
Jerry Steele verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in der Analog- und Leistungselektronik und war bei Apex, National Semiconductor, TI und ON Semiconductor tätig. Seine Positionen reichten vom Anwendungsingenieur bis zum strategischen Entwicklungsingenieur; aktuell arbeitet er als Validierungsingenieur für Microchip.
