Операционный усилитель с периодической компенсацией смещения нуля Советский патент 1983 года по МПК G06G7/12 

1О Изобретение относится к рааиоалектронике, в именно к операционным усилителям с периодической компенсацией смещения нуля, и может быть использовано в вычислительных и измерительных устройствах и устройствах автоматического регулирования. Известны операционные усилители с периодической компенсацией смещения нуля, содержащие усилитель, операционный элемент, ключи, конденсатор и резистор. С помощью ключей операционный усилитель переводится из рабочего режима в режим компенсации, в котором конденсатор заряжается до напряжения, равного смещению 8д нУля усилителя fto напряжению либо пропорционального паразитному входному току Зд усилителя (потенциальная либо токовая составляющие смещения нуля усилителя). Затем операционный усилитель переводится в рабочий режим и напряжение на конденсаторе используется для компенсации смещения нуля по напряжению, либо парезитного входного тока L1J . Недостатком таких операционных усилителей является низкая точность компен сации смешения нуля. Это обусловлено тем, что в каждом из них компенсируепся только одна из двух составляющих смещения нуля: напряжение (, или ток Од Этот недостаток устранен в операционном усилителе, содержащем два конденсатора, два ключа, резистор, операционный элемент и усилитель. Первый конденсатор С с первым ключом К v и в рой конденсатор С с вторым ключом К 2 соединены первыми выводами, вторые вь1воды первого ключа и второго конденсатора подключены к.общему выводу усилителя, инвертирующий вход которого соединен непосредственно с вторым выво дом первого конденсатора и через резистор R - с первым выводом второго ключ ВТОРОЙ вывод которого подключен к выходу усилителя. Первый операционный элемент Zn включен между выходом усилителя и первым выводом первого ключа При использовании дифференциального усилителя его неинвертирующий вход. подключен к общему выводу. В режиме компенсации ключи К и К замкнуты, первый конденсатор заряжается до напряжения ta, а второй - до напряжения и ). где R - сопротивление резистора R . В рабочем режиме ключи разомкнуты и напряжения на конденсаторах компенсируют обе составляющие смещения нуля, напряжение Eg, и ток За L 8 Недостатком такого операционного усилителя является низкая точность компенсации смещения нуля при наличии конденсаторов в операционном элементе Zj . Характерный пример - использование операционного усилителя в режиме интегратора входного тока полезного сигнала: в этом случае элемент L состоит из единственного конденсатора С . В режиме компенсации этот конденсатор через замкнутый ключ К. включен параллельно выходу усилителя и, как и конденсатор С, заряжается до напряжения Uj. В рабочем режиме это напряжение на конденсаторе С 2 существенно изменяет начальные условия интегрирования, что приводит к погрешности в десятки-сотни процентов при интегрировании полезного сигнала. Другим недостатком такого операционного усилителя является необходимость использования дополнительной коррекции для обеспечения устойчивости в режиме компенсации, так как -при этом в контур обратной связи дополнительно включаются последовательно две апериодических RC цепи: первая состоит из выходного сопротивления усилители и второго конденсатора, вторая - из резистора и первого конденсатора, причем постоянные времени этих цепей значительны. При недостаточно качественной дополнительной коррекции снижается точность выполнения требуемой операции в рабочем режиме из-за возникновения генерации при изменений условий эксплуатации и старении элементов или ухудшения переходных процессов. Третьим недостатком такого операционного усилителя является то, что ток . заряда второго конденсатора в режиме компенсации определяется только выходным напряжением и выходным сопротивлением усилителя. Это затрудняет выбор функциональных элементовустройства, так как для ряда усилителей в микросхемном исполнении (например, 1402Д1) ограничено максимально допустимое значение импульсного выходного тока. Далее кратковременное его превышение может не только существенно понизить точность выполнения требуемой операции, но и привести к отказу усилителя. Цель изобретения - повышение точности операционного усилителя. Указанная цель достигается тем, что в операционный усилитель с периодической компенсацией смешения нуля, содер жаший цва запоминающих конденсатора, два ключа, масштабный резистор, операционный двухполюсник, усилитель постоян ного тока, к инвертирующем входу которого подключен первый вывод масштаСи ного резистора, причем первые выводы первого запоминающего конденсатора и первого ключа и второго запоминающего конденсатора и второго ключа объединены, а вторые выводы первого ключа и второго запоминающего конденсатора соединены с щиной нулевого потенциала, и генератор тактовых импульсов, введе- ны девять ключей, два сглаживающих конденсатора и ограничивающий резистор причем первые выводы первого сглаживающего конденсатора, третьего ключа и второй вывод первого запоминающего конденсатора подключены к неинвертирую шему входу усилителя постоянного тока, общий вывод первого запоминающего конденсатора и первого ключа через четверо тый ключ соединен с вторым выводом второго ключа, и через ограничивающий резистор - с выходом усилителя постоянного тока, соединенным с первым выводо пятого ключа, второй вывод которого сое динен с вторым выводом масштабного резистора,через шестойключ-с оРщимвывоаом второгоключа и второгопапомипающего конденсатора и через параллельно включенные седьмой ключ и первый сглаживающий конденсатор - с инвертирующим вхо. дом усилителя постоянного тока, подключенным к первому выводу восьмого ключа, второй вьюод которого соединен с первым выводом операционного двухполюсника и через девятый ключ - с шинс нулевого потенциала, второй вывод огю- рационного двухполюсника через десятый ключ подключен к щине нулевого потенциала и «tofiea одиннадцатый ключ к выхо усилителя постоянного тока, второй сглаживающий конденсатор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и шиной нулевого потенциала, а управлякнцие входы ключей соединены с соответствующими выходами генератора тактовых импульсов. На фиг. 1 приведена функциональная сжема предложенного операционного усилителя и функциональная схема его вклю чения; на фиг. 2 - эквивалентная схема усилителя постоянного тока, входящего в состав интегратора на операционном усилителе; на фиг. 3 - временные ци праммы выходного напряжения предложенн н о операционного усилителя и состояни ключей, входящих в его состав. Операционный усилитель 1 (фиг. 1) содержит усилитель 2 постоянного тока, ключи 3-13, запоминающий конденсатор 14, сглаживающие конденсаторы 15 и 16 и запоминающий конденсатор 17, ограничивающий резистор 18, масштабный резистор 19 и операционный двухполюсник 20. Неинвертирующий вход 21 усилителя 2 объединен с первыми выводами ключа 3 и конденсаторов 14 и 15. Второй вывод запоминающего конденсатора 14 через ключ 5 соединен с шиной нулевого потенциала 22 усилителя 2 и через ключ 4 - с первым выводом ключа 10, соед1р1енного через ограничивакндий резистор 18 с выходом 23 усилителя 2, соединенного через ключ 7 С первыми выводами ключа 6, конденсатора, 16, масштабного резистора, соединенными через ключ 8 с вторым выводом ключа 1О, соединенного через . запоминающий конденсатор 17 с шиной нулевого потенциала. Вторые выводы ключа 6, конденсатора 16 и резистора 19 соединены с инвертирующим входом 24 усилителя 2, соединенного через ключ 12 с первыми выводами ключа 9 и операционного двухполюсника 20, второй вывод которого через ключ 13 соединен с выходом 23, а через ключ 11 - с шиной нулевого потенциала 22 и вторыми выводами ключей 3 и 9 и конденсатора 15. Конденсаторы 14 и 17 - запоминающие; они запоминают значения отдельных составляющих смещения нуля усилителя 2 во время компенсации. Конденсаторы 15 и 16 - сглаживающие; они сглаживают выбрюсы напряжения на входах усилителя 2 во время коммутации ключей. Ограничивакндий резистор 18 ограничивает максимальные значения выходного тока усилителя 2 во время заряда конденсатора 14 и 17 через ключи 3, 4 и 10 соотвественно. Масштабный резистор 19 служит для измерения входного тока усилителя 2 и его последующей точной компенсации. Входом по току операционного усилителя 1 является инвертирукяций вход 24 усилителя 2. Выходом по напряжению операционного усилителя 1 является выход 23. усилителя 2. Операционный двухполюсник 20 содержит интегрирующий конденсатор 25, включенный между вьшодами авухполюсн 1ка 20; при этом операционный усилитель 1 является интегратором тоха, т.е. вьшолняет операцию интегрирования тока полезного сигнала на входе 24. Генераторы 26 и 27 тока (фиг. 2), включенные между шиной нулевого потен циала 22 усилителя 2 и его входами 24 и 21 соответственно, учитьшают парази ные вхоцнью токи Од и Резисторы 28-чЗО, включенные треугольником между входами 24 и 21 и шиной нулевого потенциала 22, учитьюают составлякяцие входного сопротивления усилителя 2 (например, для усилителя типа 14ОУД1 в нормальных условиях сопротивления резисторов 28-30 имеют порядок 1 мОм и 1О кОм соответственно). Генератор 31 ЭДС, включенный последовательно с входом 21 усилителя 2 учитывает приведенное к входу 21 усилителя 2 напряжение смещения его нуля Генератор 32 ЭДС и резистор 33, вклю ченные последовательно между шиной 22 и выходом 23 усилителя 2, учитьшают его выходные напряжения и сопротивлени соответственно. Функциональная схема (фиг. 2) включ ния операционного усилителя 1 содержит кроме него источник 34 напряжения по- лезного сигнала, включенный последовательно с резистором 35 между шиной 2 и первым выводом ключа 36, соединенного с входом 24 через включенные последовательно ключ 37 и резистор 38. Второй вьшоа ключа 36 соединен с шиной 22. Управляющие входы ключей 3- 13, 36 и 37 соединены с выходами генератора 39 тактовых импульсов. Генератор 39 тактовых импульсов (фиг. 2) содержит генератор 40 импульсов, два триггера 41 и 42, три элемента И-НЕ 4 45 и инверторы 46-48. Усилитель 1 работает следующим образом. С помощью ключей 3-13, управляемы генератором 39 тактовых импульсов, усилитель поочередно переводится в режим компенсации смещения нуля. Входным полезным сигналом является элект рический , поступающий на вход 2 через резистор 38. В режиме компенсации ключ 37 закрыт, а ключ 36 открыт, поэтому ток сигнала равен нулю. Сопротивление, закрытого) ключа 37 много больше входного сопротивления резистора 28 усилителя 2, поэтому источник тока полезного сигнала в режиме компен сации можно считать идеальным. На .фиг. 3 приведены временные диаграммы состояния ключей 3-13, 36 и 37 Стоящие возле диаграмм цифры соответ ствуют номерам ключей, низкий уровень линии каждой диаграммы ceaoTBeTCTByeT закрытому состоянию ключа, а высокий- открытому. В моменты времени i: - t4 происходит практически одновременное изменение состояний ключей. Кривая 23 показывает изменение напряжения на выходе 23 в различных режимах усили- теля 1. Режим компенсации (фиг. 3) состоит из двух следующих друг за другом тактов: такт компенсации напряжения у cмeщeния нуля (временной интервал и такт компенсации паразитного вход-i ного тока DCI на входе 24 (временной интервал ). До момента Ч , устройство находится в режиме работы со скомпенсированным смещением нуля; при этом напряжение на выходе 23 (фиг. 3) (кривая 23), определяется результатом выполнения соответствующих операций над током полезного сигнала. В такте tj. компенсации напряжения 8д открыты ключи 3, 4, 6, 7, 12, 13 и 36 (фиг. 1 - З), остальные ключи закрыты. Инвертирующий вход 24 усилителя 2 замкнут с его выходом 23 через низкое сопротивление, двух последовательно включенных открытых ключей 6 и 7. При этом интегрирующий конденсатор 25 операционного двухполюсника 2О разряжается до нуля последовательно включенные открытые ключи 12, 6, 7 и 13 с малой постоянной времени; по окончании его разряда напряжение на выходе 23 (при больщом коэффициенте усиления усилителя 2) становится равным напряжению ЕЛ I так как неинвертирующий вход 21 усилителя 2 через открытый ключ 3 соед1шен с шиной нулевого потенциала 22. Через ограничивакший резистор 18 и открытые ключи 4 и 3 запоминающий конденсатор 14 заряжается до напряжения 2а на выходе 23. На фиг. 1 показана полярность напряжения на запоминающем конденсаторе 14, соответствующая показанной там же поля рноста напряжения генератора 31. Резистор 18 ограничивает максимальный зарядный ток конденсатора 14 на уро&не, допустимом для выходного тока усилителя 2. Таким образом, на ксжденса- торе 14 запоминается напряжение UK . В рассматриваемом такте не т.ребу- ется Дополнительная коррекция для устойчивости усилителя 2, так как он фактически работает при коротком замыкании инвертирукмиего входа 24 на выход 23 и неинвартирующеро входе 21 на общий вывод по шине 22. При наличии в усилителе 2 (например, типа 140УД6) внутренней коррекции устойчивость его в таком режиме гарантируется. При от- сутствии в усилителе 2 (например, типа 14ОУД1) внутренней коррекции УСТОЙЧИВОСТЬ обеспечивают обычные корректирующие цепи/ рекомендуемые для режима инвертора и интегратора (и.х параметры приведены в руководящих тех нических материалах по применению усилителя). Цепь, состоящая из резистора 18 и конденсатора 14, включенных последовательно через замкнутые ключи 3 и 4 между выходом 23 и шиной 2 практически улучшает устойчивость усилителя 2, так как вместе с выходным сопротивлением резистора 33 образует последовательное корректирующее звено интегрирующего типа. В. такте t компенсации паразитного тока DO 1 открыты ключи 5, 7, 9, 1О, 11 и 36 (фиг. 1 - 3), остальные ключи закрыты.Инвертирующий вход 24 уси лителя 2 соединен с его выходом 23 через масштабный резистор 19 и включенный последовательно с ним открытый ключ 7 Запоминающий конденсатор 14 (заряжен ный в предыдущем такте до напряжения 2(j ) через открытый ключ включен между не инвертирующим входом 21 и щиной 22 параллельно со сглаживающим конденсатором 15 небольщой емкости. Таким образом, напряжение на запомина щем конденсаторе 14 компенсирует напряжение а генератора 31. При этом н пряжение на выходе 23 обусловлено тол ко действием паразитных входных токов и D а 2. На инвертирукиций вход 24, кроме Tf генератора 26, действует также ток эквивалентного генератора паразитного тока tg / RjQ, где Eg - напряжение конденсаторе 14, приложенное к входу 2 а - .сопротивление резистора 30, че рез которое течет этот ток (на суммирующий вход 24 операционного усилителя 1). При большом коэффициенте усиле ния усилителя 2 сумма этих токов созд на выходе 23 напряжение: )(1) где Rдд - сопротивление резистора 19. Ток DO л на неинвертирующем входе 21 интегрируется запоминающим конденсатором 14 и создает на нем падение напряжения, равное . где t - время, d (4- емкость конденсаторш 14. При соответствуюиюм емкости конденсатора 14 и длительности рассма риваемого такта и режима работы эту составляющую смещения нуля можно не учитывать. Через огран1гчивающий резистор 18 и открытый ключ 10 запоминающий конденсатор 17 заряжается до напряжения UK на выходе 23. Резистор. Г8 огран1гчивает максимальный зарядный ток конденсатора 17 до допустимого уровня. Таким образом, на конденсаторе 17 запоминается напряжение (J ц. В рассматриваемом такте не требуется дополнительная коррекция для устойчивости усилителя 2, если источник полезного сигнала идеален, а сопротивление масштабного резистора 19 много меньше сопротивления резистора 28, так как в этом случае усилитель 2. так же, как и в предыдущем такте, фактически работает при коротком замыкании инвертирующего входа 24 Ни выход 23 и не инвертирующего входа 21 на шину 22 (через конденсатор 14 значительной емкрсти и открытий ключ 5).Если источник тока полезного сигнала нельзя считать идеальным, то его конечное выходное сопротивление необходимо учесть в сопротивлении резистора 28. При этом общее сопротивление резистора 28 может стать сравнимым или меньшим сопротивления резистора 19. То же самое будет и при идеальном источнике полезного сигнала, на высоком сопротивлении резистора 19, сравнимом с сопротивлением резистора 28. При рассмотрении устойчивости этот случай эквивалентен работе усилителя 2 в качестве операционного в режиме масштабного инвертирующего звена. При наличии в усилителе 2 внут ренней коррекции устойчивость его в таком режиме гарантируется. При отсутствии в усилителе 2 внутренней коррекции устойчивость обеспечивают .обычные корректирующие цепи, рекомендуемые .для режима масштабного звена и интегратора. Цепь, состоящая из резистора 18 и конденсатора 17, включенных последовательно через замкнутый ключ 1О между, выходом 23 и щиной 22, практически улучшает устойчивость усилителя 2, так как вместе с его выходным сопротивлением резистора 33 образует послеаова- . тельное корректирующее звено интегрирующего типа. Разряженный в предыдущем такте интегрирующий конденсатор 25 операционного авухполюсипка 20 замкнут накоротко через открытые ключи 9 и 11 и не влияет на работу устройства, В режиме рагюты (фиг. 3, временной интервал 3- t)открыты ключи 5, 8, 12, 13 и 37; остальные ключи закрыты Запоминающий конаенсатор 14 (заряженный до напряжения 2д в такте) так же, как и в предыдущем такте, ICON пенсирует напряжение генератора 21 и создает составляющую 8д / паразитного входного тока на входе 24. Таким образом, на входе 24 действует паразитный ток. оавный: нBO.(2 JnOa - Запоминающий конденсатор 17 (заряженный в предыдущем такте до напряжения и,,) соединен через открытый ключ 8 и масштабный резистор 19 с входом 24 При этом на вход 24 через резистор 19 течет компенсирующий ток Ovi оторый, учить1вая результат в формуле (1), равен: UK бо, .(3) li :г- - -г- - J 19 30 Таким образом, компенсируюший ток компенсирует паразитный ток, а напря жение на запоминающем конденсаторе 17 компенсирует паразитный входной ток За генератора 26. Операционный двухполюсник 2О через открытые ключи 12 и 13 включен между входом 24 и выходом 23 усилителя 2. Поэтому устройство выполняет операцию интегрирования тока полезного сигнала на входе 24 следующим образом. В интервале t -i4 люч 37 открыт, ключ 3 закрыт и усилитель 1 интегрирует ток полезного сигнала. В интервале t4 ключ 37 закрыт, ключ 36 закрыт и усилитель 1 хранит результат интегриро вания. После этого снова включается ре« жим компенсации. Рассмотрим более подробно назначение и действие некоторых элементов ОУ Если ключи 3-5 окажутся одновременно закрыты во время переходных процессов в них, то при этом вход 21 усил№теля 2 отключается от щины 22, а отсутствие конденсатора 15 может быть причиной значительных всплесков напряя ения на выходе 23, так как при оторванном входе 21 напряжение на нем мо« жет быть значительным, поскольку определяется произведением тока а2 генератора 27 на сопротивление резистора 29. Сглаживаемый конаенсатор 15 небольшой емкости существенно уменьшает всплески при переключениях ключей 3-5, так ка в течение коротких интервалов времени, когда все эти ключи закрыты, конденсатор 16 помнит предыдущее значение напряжения на входе 21, Емкость этого конденсатора на несколько порядков меньше емкости конденсатора 14( поэтому изменение напряжения на конденсаторе 14 после закрывания ключа 3 и открьшания ключа 5 в момент tj незначительно. Изменение напряжения происходит потому, что на разряженный в первом гакте ключом 3 конденсатор 15 передается часть заряда с конденсатора 14. Ключ 6 совместно с ключом 7 обеспечивает соединение входа 24с выходом 23 усилителя 2 в первом такте. Во втором такте и в режиме работы, ключ 6 закрыт и не должен шунтировать резистор 19, но при высоком сопротивлении этого резистора и сравнительно не очень высоком сопротивлении закрытого ключа 6, его влияние могло быть заметным. Однако в обоих случаях ключ 6 находится практически под одинаковым напряжением И|, поэтому и во втором такте и в режиме работы сопротивление закрытого ключа 6 одинаково и не влияет на точность компенсации паразитного тока Открытые во втором такте ключи 9 и 11 исключают возможность заряда интегрирующего конденсатора 25 напряжением с выхода 23 через не очень высокое сопротивление закрытых ключей 12 и 13. Если во время переходных процессов в ключах 6, 12 и 13 в момен Ъ. ключи 12 и 13 закроются раньше ключа 6, то на выходе 23 возможен значительный выброс напряжения из-за выброса заряда на вход 24 «з цепи управления ключом 6 (так как конденсатор 25 уже отключен). Сглаживающий конденсатор 16 небольшой емкости существенно снижает указанный выброс, так как совместно с резшгтором 19 он образует апериодическую цепь с определенной постоянной времени, которая в течение небольшого интервала времени действует как интer рирукйЕцая цепь. При слишком большом значении емкости конденсатора 16 выброс напряжения на выходе 23 может не успеть закончиться к моменту t г, что может привести к неточной компенсации паразитного тока. При значительном сопротивлении резистора 19 в качестве конденсатора 16 может быть использована емкость между вьшодами этого резистора. В предложенном операционном усилителе 1, в отличи от известных, проводится периодическая компенсация как потенциальной, так и токовой составля- юших смещения нуля усилителя 2 постоянного тока без применения дополнитель ных цепей коррекции благоааря исключению из ксжтура обратной связи цополнительных апериодических цепей со значительной постоянной времени. Это сушест венно упрощает разработку и настройку операционного усилителя -и повышает его статическую точность за счет повышения устойчивости и аинамическую точность за счет улучшения переходных процессов Исключено нарушение компенсации смешения нуля при наличии конденсаторов в составе операционного элемента, благодаря отключению его от усилителя на время компенсации паразитного входного тока усилителя 2. Это повышает точность и расширяет функциональные возможности oneрационного-усилителя 1. 10 8 Практически исключено влиянио высокого сопротивления закрытых электронных ключей на точность выполнения компенсации и требуемой операции благодаря согласованной работе групп ключей. Это позволяет использовать ключи со средними значениями параметров, в частности в микросхемном исполнении, что уменьшает массу и габариты устройства. Использование вместо сглаживающего конденсатора емкости между выводами резистора упрошает устройство. Использование изобретения повьшхает точность, расширяет функциональные возможности, упрошает разработку, снижает габариты и массу операционного усилителя с периодической компенсацией смещения нуля.

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ СМЕШЕНИЯ НУЛЯ, содержащий два запоминающих конденсатора, два ключа, масштабный резистор, операционный авухполнх:ншс, усилитель постоянного тока, к инвертирующему входу которого подключен первый вывод масщтабного резистора, причем первые выводы первого запоминающего конденсатора и первого КЛ10ча и второго запоминающего конденсатора и второго ключа объединены, а вторые вьюоды первого ключа и второго запоминающего конденсатора соединены с шиной нулевого потенциала, и генератор тактовых импульсов, отличающий - с я тем, что, с целью повьпиения точности, в него введены девять ключей, два сглаживающих конденсатора и ограничивающий резистор, причем первые выводы первого сглаживающего конденсатора, третьего ключа и второй вывод первого запоминающего конденсатора подключены к неинвертирующему входу усилителя постоянного тока, общий вывод первого запоминающего конденсатора и первого ключа через четвертый ключ соединен с вторым выводом второго ключа, и через ограничивающий резистор с выходом усилителя постоянного тока, соединенным с первым выводом пятого ключа, второй вывод которого соединен с вторым выводом масщтабного резис тора, через щестой ключ - с общим вы(Л водом второго ключа и второго запоминающего конденсатора и через параллельно включенные седьмой ключ и перьвый сглаживающий конденсатор - инвертирующим входом усилителя постоянного тока, подключенным к первому выводу восьмого ключа, второй вывод которого Ю соединен с первым выводом операцион4 ного двухполюсника и через девятый СО СХ) ключ - с щиной нулевого потенциала, второй вывод операционного двухполюсника через десятый ключ подключен к щине нулевого потенциала и через одиннадцатый ключ - к выходу усилителя постоянного тока, второй сглаживающий конденсатор включен между не инвертирующим входом операционного усилителя Н щиной нулевого потенциала, а управляющие входы ключей соединены с соответствующими выходами генератора тактовых импульсов.

Фиг.