МНОГОКАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H03F3/38 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к многокаскадным усилителям с периодической коррекцией сдвига нуля, и может быть использовано в системах автоматического регулирования, измерительных устройствах, а также в электрических радиотехнических установках различного назначения.

Известен усилитель постоянного тока типа "М-ДМ" (авт. св. СССР N1390778, кл. H 03 F 3/38, 1986), содержащий модулятор, усилитель переменного тока, демодулятор, фильтр нижних частот, опорный генератор, источник питания, блок задержки, два трансформатора, двухтактный каскад, два делителя частоты, импульсный преобразователь напряжения и выпрямитель с фильтром.

При подаче питающего напряжения на вход импульсного преобразователя напряжения он запускается и начинает работать в автоколебательном режиме, преобразуя наступающее напряжение в напряжение питания, необходимое для работы усилителя, которое подается на модулятор, усилитель переменного тока, демодулятор, опорный генератор и оба делителя частоты. Импульсы с выхода опорного генератора поступают на входы обоих делителей частоты. С выхода первого делителя частоты импульсы поступают на управляющие входы модулятора и демодулятора. С выхода второго делителя частоты импульсы поступают на управляющие входы импульсного преобразователя напряжения, который при этом переходит из автоколебательного режима работы в режим управления импульсами со второго делителя частоты. В данном усилителе для борьбы с помехами от импульсного преобразователя напряжения осуществляется синхронизация работы опорного генератора и импульсного преобразователя напряжения, т.е. стабилизация уровня помехи на усилителе постоянного тока. При этом в том случае, когда частота импульсного преобразователя напряжения равна или больше частоты модуляции и демодуляции сигнала, при котором обеспечивается прохождение через демодулятор (в моменты, когда он открыт) в каждый период одинакового количества импульсов, имеющих один и тот же знак, в одно и то же время.

Недостатками данного усилителя являются:
1) искажение выходного сигнала, обусловленное отсутствием периодической коррекции дрейфа усилителя переменного тока;
2) ограниченность коэффициента усиления усилителя за счет использования только одного каскада со сквозным трактом усиления с выхода на вход;
3) невысокий динамический диапазон усиления, обусловленный наличием в выходном сигнале коммутационных помех.

Известен усилитель напряжения (авт. св. СССР N1078586, кл. H 03 F 3/38, 1982), содержащий широкополосный усилитель, входной коммутатор, интегрирующий фильтр, ключ, блок выборки-хранения и блок управления, подключенный первым, вторым и третьим выходами к управляющим входам, соответственно, входного коммутатора, блока управления и ключа. Выход коммутатора соединен с информационным входом усилителя, выход которого, являющийся выходом усилителя, подсоединен через последовательно соединенные ключ, фильтр и блок выборки-хранения к управляющему входу усилителя.

Период работы устройства состоит из рабочего такта и такта коррекции сдвига нуля. Во время коррекции по первому выходу блоком управления выдается команда на замыкание информационного входа усилителя через входной коммутатор на шину нулевого потенциала, при этом на выходе широкополосного усилителя устанавливается начальный уровень напряжения. Блоком управления на время T замыкается ключ, и в течение данного интервала интегрирующий фильтр интегрирует выходное напряжение устройства. По окончании интервала интегрирования ключ размыкается, и выходное напряжение интегрирующего фильтра переписывается по команде, формируемой на втором выходе блока управления, в блок выборки-хранения, выходное напряжение которого в рабочем режиме работы усилителя используется для компенсации сдвига нуля усилителя.

Данный усилитель позволяет осуществлять периодическую коррекцию сдвига нуля, однако при этом величина собственного сдвига нуля блока выборки-хранения практически не влияет на величину корректирующего сигнала на его выходе.

Недостатками данного усилителя являются:
1) ограниченность по величине коэффициента всего усилителя за счет использования одного усилительного каскада;
2) невысокая надежность вследствие наличия в усилителе сквозного тракта усиления с выхода на вход;
3) невысокая эффективность коррекции, обусловленная тем, что при работе по рабочему такту и такту коррекции изменяются параметры входной цепи широкополосного усилителя.

Наиболее близким к предложению по технической сущности является устройство для усиления (авт. св. СССР N 1469545, кл. H 03 F 3/38, 1989), содержащее три ключа, усилитель, два запоминающих блока, аналоговый инвертор, сумматор, выходной усилитель, компаратор, блок управления, цифро-аналоговый преобразователь и формирователь управляющих импульсов.

Первый ключ периодически в соответствие с управляющими импульсами, поступающими с первого выхода формирователя управляющих импульсов, переключает вход устройства с источника устройства на шину с нулевым потенциалом. Этими же импульсами управляется второй ключ, который подключает вход первого запоминающего блока к выходу усилителя, при этом в первом запоминающем блоке происходит запоминание уровня сигнала, соответствующего выходному напряжению усилителя при нулевом напряжении на входе. В сумматоре происходит компенсация этого напряжения, а входной сигнал в период между управляющими импульсами получает возможность пройти через первый ключ, усилитель, аналоговый инвертор и сумматор на вход третьего ключа, который совместно со вторым запоминающим блоком образует устройство выборки-хранения, исключающее перебросы компаратора во время переключения входа усилителя на шину с нулевым потенциалом. Управляющие импульсы, поступающие на третий ключ с третьего выхода формирователя управляющих импульсов, имеют большую длительность, чем импульсы, снимаемые с первого выхода формирователя для исключения влияния переходных процессов на усилителе. На выходе выходного усилителя появляется сигнал, соответствующий разности паразитной, подлежащей коррекции, составляющей сигнала и выходного напряжения цифро-аналогового преобразователя, устанавливаемого автоматически при включении питания, равным половине опорного напряжения.

Недостатками данного устройства являются:
1) невысокая надежность, обусловленная его сложностью;
2) невысокая эффективность коррекции, обусловленная тем, что при работе по рабочему такту и такту коррекции изменяются параметры входной цепи широкополосного усилителя.

Целью изобретения является создание многокаскадного высоконадежного усилителя с большим коэффициентом усиления и с периодической коррекцией сдвига нуля.

В многокаскадном усилителе, содержащем N усилительных каскадов, первый из которых выполнен на последовательно соединенных ключе-модуляторе, усилителе и блоке выборки-хранения, выход которого является выходом усилительного каскада, вход ключа-модулятора первого каскада является входом многокаскадного усилителя, а также блок управления, управляющие выходы которого соединены с соответствующими управляющими входами каскадов усиления, в первом каскаде усиления усилитель выполнен в виде дифференциального усилителя, между инвертирующим входом которого и входом блока выборки-хранения введены последовательно соединенные делитель напряжения и дополнительный блок выборки-хранения, первым, вторым и третьим входами управления являются управляющие входы, соответственно, ключа-модулятора, блока выборки-хранения и дополнительного блока выборки-хранения, при этом N усилительных каскадов выполнены идентичными, в которых третий вход управления предыдущего каскада соединен с первым входом управления последующего каскада, а блок управления выполнен с N первыми и N вторыми управляющими выходами, которые соединены, соответственно, с первыми и вторыми входами управления усилительных каскадов, причем импульсы сигналов на первом и втором управляющих выходах размешены по длительности один в другом и сдвинуты во времени относительно таких же импульсных сигналов для управления последующих каскадов.

Анализ существующих технических решений аналогичного назначения показал, что в них отсутствует сочетание существенных признаков (блоки и связи между ними), присущих предлагаемому техническому решению, исходя из чего предлагаемое устройство соответствует критериям охраноспособности изобретения.

На фиг.1 представлена функциональная схема многокаскадного усилителя; на фиг.2 - функциональная схема блока управления и на фиг.3 - временные диаграммы напряжений, поясняющие работу многокаскадного усилителя.

Многокаскадный усилитель содержит (фиг.1) последовательно соединенных последовательно соединенных усилительных каскадов 1, 2, ...n, каждый из которых включает ключ-модулятор 3, дифференциальный усилитель 4, делитель напряжения 5, блоки 6 и 7 выборки-хранения, а также блок 8 управления и блок питания (на фиг.1 обозначен БП). На выходе многокаскадного усилителя включен фильтр нижних частот (ФНЧ) 9.

Ключ-модулятор 3, информационный вход которого является входом соответствующего усилительного каскада, подключен управляющим входом к выходу 10 блока 8 управления и выходом к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 4, выход которого соединен с информационным входом блока 6 выборки-хранения, подсоединенного управляющим входом к выходу 11 блока 8 управления, и выходом, являющимся выходом соответствующего усилительного каскада, к информационному входу блока 7 выборки-хранения усилительного каскада 2, подключенного управляющим входом к выходу 12 блока 8 управления и выходом - ко входу делителя напряжения 5, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 4.

Выход 12 блока 8 управления подключен к управляющему входу блока выборки-хранения 7 последующего усилительного каскада 2. Выходы 13 и 14 блока 8 управления подсоединены, соответственно, к управляющим входам блока 7 выборки-хранения и ключа-модулятора 3 усилительного каскада 2. Выход (k-1)-ый блока 8 управления соединен с управляющим входом устройства выборки-хранения последующего усилительного каскада.

Блок 8 управления (в варианте исполнения для скважности импульсов Q=2 и для числа усилительных каскадов h=3) содержит (фиг.2) генератор 16 импульсов, двоичный счетчик 18 формирования числа каналов, дешифраторы 19 и 20, RS-триггеры 21 и 22 формирования, соответственно, внешнего и внутреннего импульсов управления, элементы И-НЕ 23 и 24 и инверторы 25 и 26.

На фиг.3 представлены временные диаграммы напряжений на входах и выходах блоков предлагаемого многокаскадного усилителя: 27 - на входе ключа-модулятора 3 усилительного каскада 1; 28 - на выходах блока 8 управления; 29 - на выходе ключа-модулятора 3 усилительного каскада 1; 30 - на выходе блока 6 выборки-хранения усилительного каскада 1; 31 - на выходе блока 7 выборки-хранения усилительного каскада 1; 32 - на выходе дифференциального усилителя 4 усилительного каскада 1; 33 - на выходе ключа-модулятора 3 усилительного каскада 2; 34 - на выходе блока 6 выборки-хранения усилительного каскада 2; 35 - на выходе блока 7 выборки-хранения усилительного каскада 2; 36 - на выходе дифференциального усилителя 4 усилительного каскада 2; 37 - на выходе ключа-модулятора 3 усилительного каскада, следующего за усилительным каскадом 2; 38 - на выходе блока 6 выборки-хранения усилительного каскада, следующего за усилительным каскадом 2; 39 - на выходе блока 7 выборки-хранения усилительного каскада, следующего за усилительным каскадом 2; 40 - на выходе дифференциального усилителя 4 усилительного каскада, следующего за усилительным каскадом 2; 41 - на выходе фильтра нижних частот 9, включенного на выход последнего (n-го) усилительного каскада.

Многокаскадный усилитель работает следующим образом.

Входной сигнал поступает на информационный вход ключа-модулятора 3 усилительного каскада 1. При поступлении импульса с выхода 10 блока 8 управления на управляющий вход ключа-модулятора 3 его выходной сигнал подается на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 4, на инвертирующем входе которого присутствует напряжение, равное входному напряжению предыдущего такта с учетом дрейфа усилительного каскада 1. Разность напряжений на неинвертирующем и инвертирующем входах дифференциального усилителя усиливается на нем.

С приходом импульса по выходу 11 блока 8 управления напряжение с выхода дифференциального усилителя 4 запоминается в блоке 6 выборки-хранения усилительного каскада 1. При появлении импульса на выходе 12 блока 8 управления входное, усиленное усилительным каскадом 1, напряжение запоминается блоком 7 выборки-хранения и после деления в делителе напряжения 5 (коэффициент деления 1/K_n+1) прикладывается к вычитающему входу дифференциального усилителя 4, а также поступает на управляющий вход ключа-модулятора 3 (последующего) усилительного каскада 2.

Таким образом, последующие каскады 2...n многокаскадного усилителя оказываются изолированными от входа, и сквозного усилительного тракта с выхода на вход нет. В большой степени уровень коммутационных помех определяется паразитными параметрами используемых ключей-модуляторов. Для уменьшения уровня коммутационных помех импульсы на выходах 10 и 11, 12 и 13, 14 и 15 блока 8 управления могут быть "вложенными" (см. фиг.3), т.е. размещаемыми один в другом ( по длительности ).

Использование изобретения обеспечивает повышение надежности и устойчивости многокаскадного усилителя с большим коэффициентом усиления за счет реализации периодической коррекции нуля и исключения сквозной связи с выхода на вход по усилительному тракту.

На предприятии=заявителе изготовлен опытный образец многокаскадного усилителя по предлагаемой схеме, испытания которого подтвердили высокую стабильность коэффициента усиления за счет периодической коррекции сдвига нуля.

Использование: в измерительной технике, а именно в многокаскадных усилителях с периодической коррекцией сдвига нуля. Сущность: в многокаскадном усилителе, содержащем усилительных каскадов 1, 2...n, первый из которых выполнен из последовательно соединенных ключа-модулятора 3, усилителя 4 и блока выборки-хранения 6, и блок управления 8, усилитель 4 выполнен дифференциальным, введены последовательно соединенные делитель напряжения 6 и дополнительный блок выборки-хранения 7, при этом каждый последующий каскад оказывается изолированным от входа, то есть нет сквозного усилительного тракта с выхода на вход, а для уменьшения уровня коммутационных помех импульсы на выходах блока 8 могут быть размещаемыми по длительности один в другом. 3 ил.

Многокаскадный усилитель, содержащий N каскадов усиления, первый из которых выполнен на последовательно соединенных ключе-модуляторе, усилителе и блоке выборки-хранения, выход которого является выходом каскада усиления, вход ключа-модулятора первого каскада усиления является входом многокаскадного усилителя, а также блок управления, управляющие выходы которого соединены с соответствующими управляющими входами каскадов усиления, отличающийся тем, что в первом каскаде усиления усилитель выполнен в виде дифференциального усилителя, между инвертирующим входом которого и выходом блока выборки-хранения введены последовательно соединенные делитель напряжения и дополнительный блок выборки-хранения, первым, вторым и третьим входами управления являются управляющие входы, соответственно, ключа-модулятора, блока выборки-хранения и дополнительного блока выборки-хранения, при этом N каскадов усиления выполнены идентичными, в которых третий вход управления предыдущего каскада усиления соединен с первым входом управления последующего каскада усиления, а блок управления выполнен с N первым и N вторыми управляющими выходами, которые соединены соответственно с первыми и вторыми входами управления каскадов усиления, причем импульсы сигналов на первом и втором управляющих выходах размещены по длительности один в другом и сдвинуты по времени относительно таких же импульсных сигналов для управления последующих каскадов усиления.