Schaltungstechnik

434 6 Funktionsschaltungen mit FETs
metallischen Gegenstands. Diese Wirbelstromverluste machen sich als zusätzliche
Bedämpfung des Parallelresonanzkreises bemerkbar. Bei stärkerer Annäherung
erhöht sich die Bedämpfung, der virtuelle Verlustwiderstand R1 wird niederohmiger.
Es gibt einen Zusammenhang zwischen dem virtuellen Verlustwiderstand und
der Entfernung eines metallischen Gegenstands von der Spule des Parallelresonanzkreises.
Eine Sensorelektronik hat die Aufgabe, den virtuellen Verlustwiderstand
des Parallelresonanzkreises in einem möglichst weiten Variationsbereich zu
messen. Die in der Patentschrift veröffentlichte Schaltung ist nachstehend für die
Simulation mit PSpice aufbereitet.
Der Parallelresonanzkreis mit L1, C1 und dem virtuellen Verlustwiderstand R1
bildet mit den beiden Verstärkern LV1 und LV2 einen Oszillator, der bei der gegebenen
Dimensionierung bei ca. 1kHz schwingt. Der Rückkopplungspfad des Oszillators
wirkt ausgehend vom (-) Eingang des Verstärkers LV1 über dessen Ausgang
zum (-) Eingang des Verstärkers LV2 zurück zum (-) Eingang von LV1. Die Schalter
S11 bis S24 können paarweise durch CMOS-Schalter ersetzt werden. Dafür bietet
sich u.a. der Baustein „LTC1043 – Dual Precision Instrumentation Switched
Capacitor Buildung Block“ von Linear Technology an. Der Widerstand RA muss
größer sein, als der größtmögliche zu messende virtuelle Verlustwiderstand R1.
Der Verstärker LV1 arbeitet als Transimpedanzverstärker mit dem Parallelresonanzkreis
im Rückkopplungspfad, der Verstärker LV2 als Komparator. Die Versorgungsspannung
der Verstärker liegt unsymmetrisch bei 10V, der Arbeitspunkt bei
5V. Somit schaltet der Ausgang des Komparators LV2 zwischen 10V und 0V. Bei 0V
an Knoten 3 sind die Schalter S11, S13 , S21 und S23 offen und S12, S14, S22 und
S24 geschlossen; bei 10V sind S12, S14, S22 und S24 offen und S11, S13 , S21, S23
geschlossen. Ist S11, S13 , S21 und S23 offen und S12, S14, S22, S24 geschlossen,
so wird die Kapazität CD1 auf den Ausgang 22´ geschaltet und die Kapazität CD2
an RD1 bzw. RD2, d.h. CD2 liegt dann an Knoten 6 und 7. Bei der darauf folgenden
Halbwelle liegt umgekehrt CD2 am Ausgang 22´ und CD1 an RD1 bzw. RD2.
Das etwas vereinfachte Schaltungsprinzip zeigt Bild 6.5-8. Bei unsymmetrischer
Versorgungsspannung mit U B = 10V gegen Masse benötigt man eine Hilfsspannung
von 5V an Knoten 1. Bei hinreichend hoher Verstärkung von LV1 ist
Knoten 4 damit stets auf 5V. Der Komparatorausgang an Knoten 3 schaltet zwischen
0V und 10V. Ist die Knotenspannung an Knoten 5 geringfügig größer als 5V
geht der Ausgang des Komparators LV2 auf 0V, ist sie geringfügig kleiner geht der
Ausgang auf 10V. Bei 10V an Knoten 3 wird dem Resonanzkreis mit L1, C1, R1
über dem Widerstand RA ein Anregungsstrom eingeprägt. Der Ausgang an Knoten
5 reagiert mit einer sinusförmigen Spannung mit negativer Amplitude bezüglich
der Referenzspannung von 5V. Damit bleibt der Ausgang des Komparators auf 10V.
Sobald die sinusförmige Spannung an Knoten 5 geringfügig über 5V liegt schaltet
der Ausgang des Komparators auf 0V. Jetzt dreht sich die Phase des Anregungsstroms
für den Resonator um 180 o . Damit entsteht bezüglich der 5V Referenzspannung
eine positive Amplitude, was den Komparatorausgang auf 0V hält (siehe Bild
6.5-9). Die Schwingbedingung wird erfüllt durch phasenrichtiges Umschalten des
Komparators.