Оптоэлектронный умножитель Советский патент 1983 года по МПК G06G9/00 

1 Изобретение относится к вычислительнс)й технике. Известно много типов аналоговых умножителей. Из них наиболее просты ми являются умножители на операцион ных усилителях с применением аттеню аторов на полевых транзисторах или на оптрэлектронных устройствах. Умножители с применением аттенюаторов на полевых транзисторах и оп тоэлектронных устройствах являются дешевыми и простыми устройствами Однако они обладают большим дрейфом и нелинейностью, равными , что ограничивает их применение в точных измерительных приборах, например в умножителях с применением аттенюато ров на полевых транзисторах температурный дрейф может составлять 3-7 а временной за 8-2 ч работы до 2Q% Аналогичным дрейфом обладают также фотореэисторы, которые применяются в умножителях с применением аттенюаторов на оптоэлектронных устройствах. Для уменьшения дрейфа и нелинейности в этих устройствах применяют по две и более подобранных по характеристикам пары излучатель-фото резистор, которые включают по дифференциальной или мостовой схемам 2. Необходимость подбора по характеристикам, а также малое быстродействие фоторезисторных оптронов не дают возможности применить эти устройства в точных измерительных прибор ах. Для повышения быстродействия в умножителях с применением оптоэлектронных устройств в качестве излучателей используют электрическую лам пу, питаемую повышенным напряжением. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является умножитель, выполненный на двух операционных усилителях. На выход перво го усилителя подается один из сигналов сомножителей, в выходной цепи его включен излучатель оптоэлектронного устройства, а в цепи отрицательной обратной связи - один из фотоприемников (фоторезистор). Второй - фоторезистор включен на входе второго из сомножителей. Проводимость обоих фоторезисторов пропорциональна яркости светового потока излучателя (электрической лампы), т.е. уровню одного из сигналов сомножителей. Так как коэффициент усиления 87 этого усилителя пропорционален проводимости второго фоторезистора, то выходное напряжение его пропорционально сигналам обоих сомножителей. Первый фоторезистор обеспечивает оптическую обратную связь, что улучшает линейность передаточной характеристики схемы З. Указанный-умножитель характеризуется большим дрейфом сопротивлений фоторезисторов (до 20), что вызывает дрейф второго усилителя, пропорциональный его коэффициенту усиления, а также малым быстродействием фоторезисторов, что ограничивает рабочую полосу частрт до нескольких десятков сотен герц. Цель изобретения - повышение быстродействия и точности умножителя. Поставленная цель достигается тем, что в оптоэлектронный умножитель содержащий два операционных усилителя, инвертирующий вход первого из которых через первый масштабный резистор подключен к первому входу . умножителя и соединен с первым выводом второго масштабного резистора, инвертирующий вход второго операциоь ного усилителя через третий масштабный резистор связан с его выходом, являющимся выходом умножителя, и через четвертый масштабный резистор подключен ко второму входу умножителя, неинвертирующие входы операционных усилителей соответственно через пятый и шестой масштабные резисторы соединены с шиной нулевого потенциала, дополнительно введены два диодных излучателя, два транзисторHbix фотоприемника и седьмой-и восьмой масштабные, резисторы, причем к выходу первого операционного усилителя подключены анод первого диодного излучателя, катод которого подключен ко второму выводу второго масштабного резистора, и катод второго диодного излучателя, анод которого через седьмой масштабный резистор подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, первый и второй диодные излучатели соответственно оптически связаны с первым и вторым транзисторными фотоприемниками,причем эмиттер первого транзисторного фотоприемника подключен к эмиттеру второго транзисторного фотоприемника и соединен со вторым входом умножителя, коллектор первого транзисторного фотоприемника подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, коллектор второго транзисторного фотоприемника подключен к инвертирующему входу второго операционнего усилителя, неинвертирующий вход которого через восьмой масштабный ре зистор подключен ко второму входу умножителя.. На чертеже приведена принципиаль:ная схема предлагаемого усилителя. Схема включает масштабные резисторы 1-8, первый и второй операционн усилители 9 и 10 первый и второй светодиодные излучатели 11 и 12, пер вый и второй транзисторные фотоприем ники 13.и 14, первый и второй входы 15, 16 и выход умножителя 17В соответствии с чертежом входной сигнал умножителя Uy через резистор 1 подается на вход 15 операционного усилителя 9, в цепи отрицательной об ратной связи которого включены свето диодные излучатели 11 и 12. Входной сигнал умножителя Уч через резистор k подается на вход операционного уси лителя 10, во входной цепи которого включены фотоприемники 13 и 1, имеющие оптическую связь со светодиодными излучателями 11 и 13- Произведение сигналов умножителя снимается с выхода 17, операционного усиЛителя 10 относительно шины нулевого по тенциала. Умножитель работает следующим образом. Входной сигнал постоянного тока Uy.н,апример) положительной полярности подается на вход операционного усилителя 9 в качестве сигнала одного из сомножителей, где усиливается и открывает светодиод 12, включенный в цепь отрицательной обратной связи усилителя 9. Яркость светового потока излучателя 12 пропорциональнэ сигналу Uy, причем коэффициент пропорциональности равен коэффициенту усиления К операционного усилителя 9- Одновременно на вход 16 операционного усилителя 10 подается сигнал U постоянного тока произвольной положительной или отрицательной) 1олярности в качестве второго умножителя, # Светодиоды 11, 12 и транзисторы фотоприемника 13 и 1, вкпюче.нные во входной цепи операционного усилителя 10, образуют оптоэлектронное устройство. Когда Uy,0, светодиоды. 11 и 12 закрыты, закрыты и транзисторы фотоприемников 13 и 1. подключенные параллельно резисторам Ц и 8 мостовой схемы операционного усилителя 10, Сопротивления закрытого состояния транзисторов фотоприенников 13 и 1i велики (200-100 кОм) что не нарушает баланса мостовой схемы, составленной из резисторов 3,,6, 8 и операционного усилителя 10, В результате сигнал Uw, приложенный ко входу 16, на выход 17 операционного усилителя 10 не проходит, так как является синфазным для обоих входов операционного усилителя 10 сигналом. Этот сигнал ослабляется усилителем 10 на 70-80 дБ, При положительном постоянном сигнале Uy, равном нулю, открывается светодиод 12, который открывает транзистор фотоприемника . Это вызывает разбаланс моста резисторов 3 . 6 и 8 на входе операционного усилителя 10 и прохождение на выход 17 инвертированного сигнала U, усиле+iHoro в , где Ra и R4. сопротивления резисторов 3 и + соответственно, причем чем больше сигнал, тем меньше значение |резистора Ц и тем больше коэффициент усиления усилителя 10 и произведение сигналов и и U,. на выходе умчожителяъш. Значение резистора можно измег нять в пределах ГОО-50 Ом, что дает возможность не только обеспечить умножение двух сигналов, но и обеспечить их усиления в . равное квадрату коэффициентов усиления операционных усилителей 9 и 10. При отрицательном входном сигнале U открывается светодиод 11, который открывает транзистор фотоприемника 13, Это приводит к уменьшению значения сопротивления Rg резистора 8 и обеспечивает прохождение на выход 17 и усиление сигнала U, без инвертирования его полярности. Однако основное назначение оптоэлектронной пары 11 и 13 является компенсация дрейфа характеристик как оптоэлектронного устройства, так и всего предлагаемого устройства. Компенсация дрейфа обеспечивается за счет балансной схемы включения транзисторов фотоприемников 13 и 1, Одинаковые из- менения сопротивлений транзисторов фотоприемников 13 и 1 не вызывают 5 разбаланса схемы моста, составленно из резисторов 3i i 6 и 8. Предлагаемый умножитель по сравнению со схемами аналогов и прототи па обладает: высоким быстродействием, так как ширина полосы пропускания фототранэистора равис нескольким сотням килогерц, а фотореэисторов, применяемых в схемах аналогов прототипа, равна нескольким сотням герц; йысокой стабильностью и ли- , нейностью преобразования, которые определяются балансной схемой предлагаемого устройства, обеспечивающей компенсацию дрейфа оптоэлектрон ных пар, и высокой линейностью операционных усилителей, в результате чего достигается томность 0,1-0,6 против 5-25 в известных; более про стым, следовательно,более надежным и действенным, выполнением,так как операционные усилители и оптоэлектронное устройство являются миниатюрными приборами и легко выполняются в Т1нтегральном исполнении, Кро 7 ме того, применение в предлагаемом устройстве оптозлектронных микросхем, например серии К2 Э ПК1 позволяет уменьшить дрейф светодиодов и фототранзисторов на два порядка и более за счет стабилизации эмиттерных переходов фототранзисторов и применения повторно кратковременного режима работы умножителя. Это не только улучшает характеристики предлагаемого умножителя, но и расширяет его функциональные возможности. Так, например, за счет высоких коэффициентов усиления обоих усилителей предлагаемое устройство можно применять в качестве высокочувствительного нуль-органа или компаратора, не обладающего гистерезисом - и дрейфом, преобразователя переменного напряжения в постоянное и т.д. Описанные преимущества предлагаемого устройства позволяют применить его во многих областях электроники и измерительной техники.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ, содержащий два операционных усили- теля, инвертирующий вход первого из которых через первый масштабный резистор подключен к первому входу умножителя и соединен с первым выводом второго масштабного резистора, инвертирукщий вход второго операционного усилителя через третий масштабный резистор связан с его выходом, являющимся выходом у множит ел я J. и через четвертый масштабный резистор подключен ко второму входу умножителя, неинвертирующие входы операционных усилителей соответственно через пятый и шестой масштабные резисторы соединены с шиной нулевого потенциала, отли чающий ся тем, что, с целью повьшения быстродействия и повышения точности, в него дополнительно введены два диодных излучателя, два транзисторных фотоприемника и седьмой и восьмой масштабные резисторы,причем к выходу первого операционного усилителя подключены анод первого диодного излучателя, катод которого подключен ко второму выводу второго масштабного резистора, и катод второго диодного излучателя, анод которого через седьмой масштабный резистор подключен к инвертирующему входу первого операционного .усилителя, первый и второй диодные излучатели соответственно оптически О) С связаны с первым и вторым транзис- ; торными фотоприемниками, причем эмиттер ,первого транзисторного фотоприемника подключен к эмиттеру второго транзисторного фотоприемника и соединен со вторым s ;входол умножителя , коллектор первого транзисторного фотоприемника подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, коллектор второго транзисторного фотоприемника подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через вось-. мой масштабный резистор подключен ко второму входу умножителя.