ИНВЕРТИРУЮЩИЙ МАСШТАБНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ЧАСТОТНОЙ ПОГРЕШНОСТИ Российский патент 2017 года по МПК G06G7/12 

Масштабные усилители, инвертирующие и неинвертирующие, широко применяются в различных электронных устройствах для усиления непрерывных сигналов с заданным коэффициентом масштабирования.

Известен инвертирующий масштабный усилитель непрерывных сигналов, содержащий операционный усилитель (ОУ) и делитель, включенный между входом и выходом устройства и состоящий из двух последовательно соединенных резисторов - резистора отрицательной обратной связи (ООС) и входного резистора, общая точка которых подключена к инверсному входу ОУ, выход которого служит выходом устройства. При этом подразумевается, что неинверсный вход ОУ соединен с общей шиной устройства - «землей» (см. Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. Практика аналогового моделирования динамических систем. Справочное пособие. М.: Энергоиздат, 1987, с. 42).

В известном устройстве малая частотная погрешность коэффициента масштабирования относительно расчетного значения, равного отношению сопротивления резистора ООС к сопротивлению входного резистора, достигается только для сигналов низких частот при высоких значениях (до 10⁶) коэффициента усиления ОУ без обратной связи. Но с ростом частоты входного сигнала коэффициент усиления ОУ пропорционально снижается, стремясь к единице на некоторой частоте - так называемой частоте единичного усиления. Соответственно, с ростом частоты сигнала в известном устройстве возрастает погрешность масштабирования, выражаемая в виде дополнительной составляющей к расчетному значению масштабированного входного сигнала. На некоторой частоте погрешность становится недопустимо большой, особенно при высоких значениях коэффициента масштабирования.

Для выделения знаком составляющей погрешности аналоговых операционных блоков, в том числе масштабного усилителя, было предложено устройство контроля погрешности (см. Морозов В.П. Контроль исправности аналоговых операционных блоков. «Датчики и системы», 2003, №8, стр. 35, рис. 2 - прототип).

В устройстве-прототипе между входом и выходом устройства включен дополнительный делитель, аналогичный основному в известном устройстве (то есть с такими же сопротивлениями резисторов, подключенных к входу и выходу устройства), общая точка резисторов дополнительного делителя соединена с инверсным входом второго ОУ, неинверсный вход второго ОУ непосредственно соединен с общей шиной, выход второго ОУ соединен с его инверсным входом через резистор, аналогичный (то есть с таким же сопротивлением) резистору ООС в основном делителе. Такое включение, как доказано в описании устройства-прототипа, обеспечивает выделение на выходе второго ОУ напряжения, соответствующего погрешности операции с обратным знаком. Однако погрешность операции масштабирования в устройстве-прототипе, несмотря на наличие контроля, с повышением частоты повышается так же, как и в известном устройстве, что вынуждает при повышении частоты применять для сохранения точности все более высокочастотные и дорогостоящие ОУ.

Недостатком устройства-прототипа является ограниченная точность масштабирования, обусловленная частотными свойствами примененного ОУ.

Для устранения указанного недостатка в устройство-прототип введен резистор с сопротивлением, равным сопротивлению резистора ООС, включенный между выходом первого ОУ и неинверсным входом второго ОУ, неинверсный вход второго ОУ соединен с общей шиной устройства через резистор с сопротивлением, равным параллельному соединению резистора ООС и входного резистора, выходом устройства является выход второго ОУ.

Техническим результатом изобретения является существенное повышение точности масштабирования инвертирующего усилителя на операционных усилителях с ограниченной частотой единичного усиления.

Технический результат изобретения достигается тем, что в устройство введены резистор с сопротивлением, равным сопротивлению ООС, включенный между выходом первого ОУ и неинверсным входом второго ОУ, а также резистор с сопротивлением, равным параллельному соединению резисторов ООС и входного, включенный между неинверсным входом второго ОУ и общей шиной устройства, выход второго ОУ является выходом устройства.

Схема устройства показана на чертеже.

Устройство содержит входной резистор 1 и резистор обратной связи 2, общая точка которых соединена с инверсным входом ОУ 3, неинверсный вход ОУ 3 соединен с общей шиной устройства. Между входом устройства и выходом ОУ 3 включены последовательно соединенные резистор 4, аналогичный резистору 1, и резистор 5, аналогичный резистору 2. Общая точка резисторов 4 и 5 подключена к инверсному входу ОУ 6, соединенному через резистор 7, аналогичный резистору 2, с выходом ОУ 6. Неинверсный вход ОУ 6 соединен с выходом ОУ 3 через резистор 8, аналогичный 2, а с общей шиной - через резистор 9, аналогичный параллельному соединению резисторов 1 и 2, выход ОУ 6 является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

Составляющая погрешности масштабирования в виде напряжения, дополнительного к напряжению, имеющемуся на выходе ОУ 3, выделяется с помощью резисторов 4, 5 на выходе ОУ 6, охваченного ООС через резистор 7. Поскольку резисторы 4, 5 и 7 соединены с инверсным входом ОУ 6, составляющая погрешности на выходе ОУ 6 имеет обратный знак относительно своего значения на выходе ОУ 3. Полное значение масштабированного входного сигнала с погрешностью того же знака, что и на выходе ОУ 3, поступает на неинверсный вход ОУ 6 через делитель из резисторов 8, 9, сопротивления которых известным способом рассчитаны так, что на выходе ОУ 6 это значение равно сигналу на выходе ОУ 3. При этом составляющие погрешности с прямым и обратным знаками взаимно компенсируются, и на выходе ОУ 6, который теперь служит выходом устройства, остается только точное значение масштабированного входного сигнала, в результате погрешность масштабирования существенно уменьшается.

Изобретение относится к области электронных устройств для усиления непрерывных сигналов с заданным масштабным коэффициентом. Технический результат заключается в повышении точности масштабирования. Масштабный усилитель с компенсацией частотной погрешности характеризуется тем, что состоит из первого операционного усилителя, между выходом которого и входом устройства включены первый и второй аналогичные делители из резисторов обратной связи и входных резисторов, общая точка резисторов первого делителя соединена с инверсным входом первого операционного усилителя, неинверсный вход первого операционного усилителя соединен с общей нулевой шиной устройства, второго операционного усилителя, между выходом и инверсным входом которого включен резистор, аналогичный резистору обратной связи первого операционного усилителя, общая точка резисторов второго делителя подключена к инверсному входу второго операционного усилителя, при этом между выходом первого операционного усилителя и неинверсным входом второго операционного усилителя включен резистор, аналогичный резистору обратной связи первого операционного усилителя, а между неинверсным входом второго операционного усилителя и общей нулевой шиной устройства включен резистор с сопротивлением, аналогичным параллельно соединенным входному резистору и резистору обратной связи первого операционного усилителя, выход второго операционного усилителя является выходом устройства. 1 ил.

Масштабный усилитель с компенсацией частотной погрешности, характеризующийся тем, что состоит из первого операционного усилителя, между выходом которого и входом устройства включены первый и второй аналогичные делители из резисторов обратной связи и входных резисторов, общая точка резисторов первого делителя соединена с инверсным входом первого операционного усилителя, неинверсный вход первого операционного усилителя соединен с общей нулевой шиной устройства, второго операционного усилителя, между выходом и инверсным входом которого включен резистор, аналогичный резистору обратной связи первого операционного усилителя, общая точка резисторов второго делителя подключена к инверсному входу второго операционного усилителя, при этом между выходом первого операционного усилителя и неинверсным входом второго операционного усилителя включен резистор, аналогичный резистору обратной связи первого операционного усилителя, а между неинверсным входом второго операционного усилителя и общей нулевой шиной устройства включен резистор с сопротивлением, аналогичным параллельно соединенным входному резистору и резистору обратной связи первого операционного усилителя, выход второго операционного усилителя является выходом устройства.