УПРАВЛЯЕМЫЙ ГЕНЕРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02M3/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источников напряжения различной формы, источников электрического смещения нагрузок, например, при исследовании диодов или других объектов в качестве приемников излучения, зарядного устройства для аккумуляторов, в том числе и для получения бытовых батареек 1,5 В, исследовательских устройств для исследования вольтамперных характеристик (ВАХ) объектов, обладающих N-образной ВАХ, модуляторов напряжения и других применений.

Известен инвертирующий усилитель на операционном усилителе как источник напряжения, управляемый напряжением.

Недостатком этого решения является то, что его нельзя использовать в качестве источника напряжения, имеющего широкий динамический диапазон выходных напряжений, а также работать с широким динамическим диапазоном величин нагрузок, не дает возможность снимать ВАХ объектов.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является источник напряжения, содержащий операционный усилитель (ОУ), три транзистора одного типа, при этом выход ОУ через резистор соединен с базой первого транзистора, коллектор которого для первого транзистора n-p-n-типа соединен с плюсом источника питания для ОУ, а его эмиттер соединен с выходом источника напряжения с коллектором второго транзистора и через резистор инвертирующим входом ОУ, инвертирующий вход ОУ соединен через резистор с земляной шиной, база второго транзистора соединена с базой и коллектором третьего и через резистор с плюсом источника питания для ОУ, эмиттер второго транзистора соединен с эмиттером третьего и земляной шиной, управляющий сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а напряжение снимается с выхода.

Недостатком прототипа является то, что его нельзя использовать в качестве источника напряжения, имеющего широкий динамический диапазон выходных напряжений для работы с широким динамическим диапазоном величин нагрузок с защитой от перегрузки по току, для изменения N-образных ВАХ объектов и для других целей.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона входных напряжений и величин нагрузок с защитой от перегрузок по тому, расширение функциональных возможностей и области использования.

Это достигается тем, что управляемый генератор напряжения (УГН), содержащий первый ОУ, источник питания (ИП) операционных усилителей, первый биполярный транзистор, первый и второй резисторы, причем первый вывод первого резистора соединен с общей шиной, его второй вывод с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом генератора напряжения, нагрузка подключена между выходом и общей шиной, введены первый дополнительный источник питания, не связанный с источником питания ОУ, третий резистор и второй ОУ, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого ОУ, выход второго ОУ соединен с базой первого биполярного (БПТ) транзистора, эмиттер которого соединен с инвертирующим входом второго ОУ и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, коллектор первого БПТ соединен с соответствующим первым выводом дополнительного ИП, второй вывод которого подключен к выходу генератора напряжения, неинвертирующий вход первого ОУ подключен к точке соединения первого и второго резисторов, инвертирующий вход первого ОУ соединен с входом генератора напряжения.

В управляемый генератор напряжения дополнительно введены второй биполярный транзистор противоположного типа проводимости первому и второй дополнительный ИП, при этом эмиттер и база первого (БПТ) соединены соответственно с эмиттером и базой второго БПТ, коллектор второго БПТ соединен с соответствующим выводом второго дополнительного ИП, второй вывод которого подключен к выходу генератора напряжения.

В управляемый генератор напряжения введен повторитель напряжения или усилитель с большим входным сопротивлением, при этом вход повторителя напряжения или усилителя подключен к точке соединения первого и второго резисторов, а выход повторителя напряжения или усилителя соединен с неинвертирующим входом первого ОУ.

В управляемом генераторе напряжения выход второго ОУ соединен с базой первого БПТ через повторитель напряжения или усилитель.

На фиг. 1-4 показан предлагаемый генератор.

Генератор содержит операционные усилители 1 и 2, в качестве которых могут использоваться дифференциальные усилители (ДУ), биполярный транзистор 3, вместо которого может быть использован полевой транзистор, резистор 4 обратной связи, вместо которого может быть использовано переменное сопротивление, в том числе и управляемое, резисторы 5 и 6, образующие делитель напряжения, дополнительный источник 7 питания, т. е. не связанный с ИП операционных усилителей или несовпадающий с ним, нагрузку 8, второй биполярный транзистор 9 противоположного типа первому, второй дополнительный источник 10 питания.

Коэффициент усиления K эмиттерного повторителя 9 или усилителя с большим входным сопротивлением в зависимости от применений может быть регулируемым и/или меняться от 0 до максимально возможного.

Первый вывод первого резистора соединен с общей шиной, его второй вывод с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом генератора напряжения, нагрузка подключена между выводом и общей шиной.

Неинвертирующий вход второго ОУ соединен с выходом первого ОУ, выход второго ОУ соединен с базой первого биполярного (БПТ) транзистора 3, эмиттер которого соединен с инвертирующим входом второго ОУ и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной. Коллектор первого БПТ соединен с первым выводом дополнительного ИП, второй вывод которого подключен к выходу генератора напряжения, неинвертирующий вход первого ОУ подключен к точке соединения первого и второго резисторов, инвертирующий вход первого ОУ соединен с входом генератора напряжения. При этом нагрузка подключается к выходу генератора напряжения.

Эмиттер и база первого БПТ соединены соответственно с эмиттером и базой второго БПТ, коллектор второго БПТ соединен с соответствующим выводом второго дополнительного ИП, второй вывод которого подключен к выходу генератора напряжения.

Вход повторителя напряжения или усилителя подключен к точке соединения первого и второго резисторов, а выход повторителя напряжения или усилителя соединен с неинвертирующим входом первого ОУ.

Выход второго ОУ соединен с базой первого БПТ через повторитель напряжения или усилитель.

При замене БПТ 3 на БПТ противоположного типа это приводит к соответствующим заменам соединений его коллектора с ДИП 7. Это же относится и к БПТ 9 и ДИП 10. Кроме этого, так как существуют источники тока на полевых транзисторах, то вместо биполярного транзистора может использоваться полевой транзистор.

Устройство работает следующим образом.

На инвертирующий вход ОУ 1 подается входной сигнал или опорное напряжение U_in. Благодаря отрицательной обратной связи с делителя напряжения, образованного резисторами 5 и 6, выходное напряжение U_вых устанавливается определенной величины. Если обозначить R_обр, R₁ и R₂ - соответственно величины резисторов 4,5, и 6, K - коэффициент усиления усилителя 9, величину нагрузки Z_н, то для предлагаемого устройства в любой момент времени до некоторой граничной частоты с большой точностью выполняется равенство
U_вых = (R₁ + R₂)/R₁ ˙ U_in/K. (1) При этом для тока I_н, протекающего в нагрузке, выполняется неравенство
I_н = U_вых/Z_н < U_o/R_обр, (2) где U_o - фиксированное напряжение, которое приблизительно на 0,5 В меньше величины напряжения питания ОУ (при условии, что БПТ находится в ненасыщенном состоянии). Из (2) видно, что, меняя величину R_обр, ограничивают ток, протекающий по нагрузке. Таким образом, при условии, что БПТ находится в ненасыщенном состоянии, т. е. выполняется
U_вых + U₄ + 1,5 < E, (3) где 1,5 В - приблизительная величина минимального падения напряжения на переходе коллектор-эмиттер БПТ; U₄ - падение напряжения на резисторе 4;
Е - величина напряжения ДИП 7 и 10, между входным напряжением и выходным напряжением выполняется (1). При этом величина протекающего по нагрузке тока ограничивается неравенством (2). В зависимости от типа БПТ 3 устройство по первому пункту управляется только положительной (БПТ p-n-p-типа) или только отрицательной (БПТ n-p-n-типа) составляющей сигнала U_in. Оставшаяся часть сигнала отрезается. Это свойство может использоваться в различных устройствах обработки сигналов, в которых используются различные нагрузки. Например, при использовании вместо нагрузки конденсатора УГН можно использовать для определения максимальной величины составляющей сигнала, поданной на вход УГН. При подключении вместо нагрузки аккумуляторной батареи УГН можно использовать в качестве зарядного устройства, которое автоматически прекращает заряд по достижении номинального значения. Тот факт, что напряжение на эмиттере БПТ с большой точностью (при условии больших номиналов резисторов 5 и 6), пропорционально протекающему по нагрузке току, то УГН можно использовать для снятия ВАХ объектов, в том числе и с N-образными ВАХ. Возможны и другие применения, расширяющие функциональные возможности УГН.

Использование управляемого генератора напряжения приводит к расширению динамического диапазона напряжений и величин нагрузок с защитой от перегрузок по току, расширению функциональных возможностей и области использования. (56) Граф Р. Электронные схемы, 1300 примеров, пер. с англ. М. : Мир, с. 436, рис. 65.1.

Использование: в источниках питания с большим динамическим диапазоном выходных напряжений, для модуляции напряжением в модуляторах, для усиления сигналов, для измерения ВАХ нагрузок. Сущность изобретения: управляемый генератор напряжения содержит первый операционный усилитель, источник питания операционных усилителей, первый биполярный транзистор, первый и второй резисторы. Введение первого дополнительного источника питания, не связанного с источником питания, операционных усилителей, второго операционного усилителя и третьего резистора обеспечивает расширение динамического диапазона напряжений и величин нагрузок. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. УПРАВЛЯЕМЫЙ ГЕНЕРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий первый операционный усилитель, источник питания операционных усилителей, первый биполярный транзистор, первый и второй резисторы, причем первый вывод первого резистора соединен с общей шиной, его второй вывод - с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом генератора напряжения, нагрузка подключена между выходом и общей шиной, отличающийся тем, что в него введены первый дополнительный источник питания, не связанный с источником питания операционных усилителей третий резистор и второй операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого операционного усилителя, выход второго операционного усилителя соединен с базой первого биполярного транзистора, эмиттер которого соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, коллектор первого биполярного транзистора соединен с первым выводом первого дополнительного источника питания, второй вывод которого подключен к выходу генератора напряжения, неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к точке соединения первого и второго резисторов, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с входом генератора напряжения. 2. Генератор напряжения по п. 1, отличающийся тем, что в него введены второй биполярный транзистор типа проводимости, противоположного первому, и второй дополнительный источник питания, при этом эмиттер и база первого биполярного транзистора соединены соответственно с эмиттером и базой второго биполярного транзистора, коллектор второго биполярного транзистора соединен с первым выводом второго дополнительного источника питания, второй вывод которого подключен к выходу генератора напряжения. 3. Генератор напряжения по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в него введен повторитель напряжения или усилитель с большим входным сопротивлением, при этом вход повторителя или усилителя подключен к точке соединения первого и второго резисторов, а выход повторителя напряжения или усилителя соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя. 4. Генератор напряжения по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что выход второго операционного усилителя соединен с базой первого биполярного транзистора через повторитель напряжения или усилитель с большим входным сопротивлением.