Аналоговое запоминающее устройство Советский патент 1983 года по МПК G11C27/00 

Изобретение относится к аналоговым ,электрическим устройствам накопления информации и служит для выборки, хранения и трансляции дискретного аналогхэвого сигнала. Устройство может быть использовано в измерительных приборах системах автоматики, аналоговых вычислительных устройствах и аналогоцифровых преобразователях. Известно аналоговое запоминающее устройство, которое содержит входной и выходной буферные усилители (БУ), ключевой элемент и конденсатор хранения. БУ выполняются на базе высокоимпедансных операционных усилителей (ОУ), в качестве ключевого элемента и спольз ует ся, например, полевой транзистор или геркон, а конденсатор хранения выбирается с минимальной постоянной времени дипольной поляризации диэлектрика и слабым саморазрядом,например конденсатор на фторопласте ij. За время вЕЛборки в соответствии с величиной на входе устройства анало-, гового сигнала DC через входной БУ и замкнутый ключевой элемент заряжается конденсатор емкостью С с определенной точностью до-величины заряда Во время хранения (при этом ключевой элемент разомкнут) величина дискретного сигнала 0 , зафиксированного на конденсаторе хранения, транслируется через выходной БУ на выход устройства для дальнейшего использования. Известно также аналоговое запоминающее устройство, которое содержит входной и выходной буферные усилите-, ли ,охваченные общей отрицательной обратной связью.Сигнал обратной связи подается с выхода устройства на инвертирукиций входВХОДНОГО усилителя, инэертирующий вход которого подключен ( источнику напряжения аналогового сигнала Uc Входной БУ анализирует величины обоих сигналов на своих дифференциальных входах и путем корректирующего изменения заряда на обкладках конденсатора хранения приводит к определенному минимуму разницу между ними. В результате выходной сигнал устройства максимально возможно будет приближен к значению ОсГ ЗОднако точность записи сигнала., для такого технического решения имеет предел, не больший по величине, чем собственное смещение.

уровня входного БУ U0f,C величина смё-i щения для ОУ с полевыми транзисторами на входе обычно приходится на диапазон от 100 мкВ до- 1Q мВ, что объясняется внутренней асимметрией составляющих ОУ элементов), Существуют методы, позволяющие в определенной мере избавиться от смещения, но |елинейна,я зависимость во времени величины смещения от температуры, величины и полярности сигнала, а такзке напряжения питания делает эти методы ограниченно точными. Таким :Ьбразом,напряжение на выходе устройтЛва будет отличаться от истинного зн.ачения 0 на .его входе по крайней

мере на величину (i-УС м или C-Uc/ч, в зависимости от соотношения поляр-, ностей Uc- и Ос

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является аналрговре запоминающее устройство, которое состоит из двух высокоимпедансных усилителей, Соединенных с помощью мостового диодного переключателя, конденсатора хранения и усилителя форсированного заряда. Усилитель форсированного заряда отрабат1ывает разность между выходными, напряжениями двух усилителей. Когда это разностное напряжение превышает определенный уровень, усилитель форсирован ного заряда включается и формирует на своем выходе вытекающий или втекающий TqK для перезаряда конденсатора хранения. Как только напряжение на этом конденсаторе достигает своего конечного значения, усилитель форсированного заряда выключается и процесс окончательного заряда конденсатора завершается током диодной мо-с;Товой. 3.

В этом устройстве запись на хранение аналоговой информации на.конденсатор осуществляется с ошибкой (определяемой смещением уровня нуля) которая складывается из напряжения сдвига входного усилителя и ошибки передачи заряда. После записи на хранение аналоговая информация дополни тельно искажается при трансляции через выходной усилитель, имеющий соб ственный уровень смещения нуля.

Устройство вносит при передаче заряда ошибку 5пКл (при конденсаторе , хранения емкостью 5000 пФ. Расчет показывает, что ошибка в фиксации хранимого Напряжения составляет около 1 МБ.

В случае использования ковденса;тора большей емкости возникает взаим нов несоответствие с большими точноетными возможностями диодного моста и величинами уровней смещения буферных усилителей, которые уже лежат на пределе для номинала конденсатора хранения 5000 пФ. Это приводит к необходимости повышать требования к прецизионности составляющих операционных усилителей, а следовательно, к удорожанию изделия.

Таким образом, известное устройство имеет ограничение по точности выборки и хранения, определяемое уровнями смещения усилителей, а статическая коррекция уровня не позволяет учесть в полной мере температурный ддаейф и зависимость от произjвольно изменяющейся величины входного напряжения Ос и его полярности,.а также динамические изменения, связанные со старением элементов схемы.

Цель изобретения - повышение точ ности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в, аналоговое запоминающее устройство, содержащее первый накопительный элемент, например первый конденсатор, первый усилитель, выход которого является выходом устройства второй усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, и ключи, введены параллельно соединенные второй накопительный элемент, например второй конденсатор, и пассивный элемент, например резистор, первый вывод которого соединен с выходом первого ключа, вход первого ключа соединен с выходо первого усилителя и первым входом второго ключа второй вход которого является входом устройства, выход . второго ключа соединен с инвертирую- щим входом первого усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с выходом второго усилителя и с одной из обкладок первого конденсатора, другая обкладка которого соединена с вторым выводом р.езистора и инвертирующим входом второго усилителя.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства. Оно содержит усилители 1 и 2, ключи 3 и 4, пассивный элемент, например резистор 5, Накопительные элементы, например конденсаторы б и 7, и шину 8 нулевого потенциала.

Устройство функционирует следующи образом.

Усилитель 1 дискретно изменяет коэффициент усиления от максимально

В режиме выборки (усибольшого К

шах

литель без обратной связи) до равного единице в режиме хранения (со 100%-ной обратной связью). Первый усилитель 1 выполняет роль как высокоимпедансного входного, так и выходного буферного усилителя с низкоомным выходом. Второй усилитель 2 работает в качестве интегратора-в режиме выборки, образуя с усилителем 1 цепь обратной отрицательной связи. В режиме хранения усилитель 2 работает как ячейка аналоговой памяти. Одновременно с процессом выборки сигнала Не происходит автоматическая коррекция схемы, с учетом уровней сме щения нуля обоих ОУ, искажения истин ной величины сигнала, возникающего з счет токов смещения и сдвига, темпе ратурного дрейфа и текущей величины (Jj, и ее полярности. Величина сигнала У. , поданная на вход устройства в режиме выборки, определяет поведение схели, охваченной обратйой связью, таким образом, что на выход усилителя 2 в результате релаксационных колебаний устанавливается значение напряжения, равное II -11 i Цсмиит ,, инт-Ус-Цсмоы 1Г (.} где и ., - смещение уровня усили теля 1; см иит смещение уровня усили. теля 2; UCMOV и смикт учитывают суммарное значение смещения, вызванного различ ными факторами. С переходом в режим хранения напр жение Омнт запсяиинается на конденсаторе 6. Усилитель 1 транслирует его напряжение с собственным напряжением смещения UcMov которое компенсирует ся величиной Усмоу находящейся в формуле (.2) с от рицательным знаком. Конечное значение величины напряжени на выходе устройства равно и - It ЦсмииТ вытс-Uc -;г - Напряжение на выходе у стройства от личается от значения напряжения сигнала на величину UCRMIMT| wax-Если принять достаточно неблагоприятное.значение величины UcmnuT 110 В, то при характерном значении Ку,20-10 выходной сигнал будет отличаться от истинного на величину В; АИ i-io 5. 10 , -5010г которая соответствует величине тепловых шумов большинства операционных усилителей СОУ). Конденсатор 7 позволяет легко регулировать длительность процесса релаксационных колебаний и приводить ее к минимальному значению Напряжение сигнала, подлежащего выборке, приложено к входу устройства и через ключ 4 - к инвертирующему входу усилителя 1. Напряжение с выхода усилителя 1 поступает череэ ключ 3 и параллельную цепь из резистора 5 и конденсатора 7 к инвертирующему входу усилителя 2. Выходное напряжение усилителя 2 оказывается приложенным к неинвертирующему входу усилитё ля 1. В момент, когда усилитель 1 начинает ощущать определенное напряжеН ние на своем неинвертирующем входе, , возникает динамическая картина релаК сационных колебаний в петле отрицательной обратной СВЯЗИ усилитель 1 .ключ 3 - резистор 5 и конденсатор 7 ;усилитель. 2 с конденсатором б - уси литель 1. Окончательный результат, Ч установившийся в виде напряжения на ; выходе усилителя 2, фиксируете при разкикании ключа 3 на конденсаторе 6. ;Режим хранения наступает по прошествии Л-Ь . При этом ключ 4 замыкает ; инвертирующий вход усилителя 1 с его выходом, а на выход устройства постУпает хранящееся напряжение. ; Простота схемного решения, высокая унификация составляющи:. схему узлов дает предлагаемому устройству преимущества в.стоимости. Устройство не нуждается в постановке статической ручной системы корректировки уровня j смещения, так как производит автоматическую динамическую коррекцию за время периода каждой выборки. Схема может быть принята за основу для соз1 Дания устройства, размещенного в интегральной схемы, . Приведенные расчеты показывают, . что предлагаемое устройство предельно унифицировано, имеет минимальное количество усилителей, ю которым не предъявляются высокие требования прецизионности и, кроме того, обеспечивает высокую точность операций с.аналоговыми сигналами, автоматически корректируется, причем процесс коррекции не требует отдельного промежутка времени, а совмещен с процессом выборки. Формула изобретения , Аналоговое запся4инаю1цее устройство, содержащее первый накопительный элемент, например первый конденсатор, первый усилитель, выход которого яв-; ляется выходом устройства, второй усилитель, неинвертирующий вход котсг-i рого соединен с шиной нулевого потен- диала, и ключи, отличающе--: ее я тем, что, с целью повышения : точности, в него введены параллельнсг соединенные влГорой накопительный элемент, например второй конденсатор, .ипассивный элемент, например резистор, пергалй вь1вод которого соединен с вы-, ходом первого ключа, вход первого ключа соединен с выходом первого усилителя и первым входом второго ключа, второй %ход которого является входом устройства, выход второго ключа сое-динен с инвертирукхцим входом перво1х усилителя, неинвертирующий.вход которого соединен с выходом второго усилителя и с одной из обкладок первого конденсатора, другая обкладка |сотор6го соединена с вторым выводом | езистора и инвертирующим входом второго усилителя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. W, f Советсткое радио, 1979,с,323- 331, 2.Патент США № 4091297, кл. G 11 С 27/00, 1979. 3. Электроника, 1977, № 21, с.76 (прототип).

Выход .о

д

Вход

О-