Операционный усилитель Советский патент 1983 года по МПК G06G7/12 

Изобретение относится к автомати ке и вычислительной технике и может быть использовано при построении прецизионных решающих усилителей. Известны операционные усилители с модуляцией сигнала, усилением на переменном токе и последующей демодуляцией l3 Недостатком данных усилителей является нестабильность компенсации выбросов от. схемы управления модуля тором в сигнальной цегпи устройства, что приводит, к.нестабильности напря жения смещения, П9явлению входного тока и шумов. Наиболее близким к изобретению является операционный усилитель, содержащий дифференциальный усилитель i инвертирующий вход которого через фильтр верхних частот подключен к входу устройства, демодулятор на транзисторе, исток которого связан с шиной нулевого потенциала, а сток через выходной разделительный -конденсатор соединен с выходом усилителя переменного тока и через второй фильтр нижних частот - с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, модулятор на двухзатворном транзисторе, исток которо го соединен- с шиной нулевого потенциала. В известном устройстве импульс управления демодулятором формируется одновибратором и элементом задержки более коротким, чем импульс управления модулятором. При этом исключается демодуляция паразитнь1х импульсов, проходящих в сигнальную цепь из цепи управления модулятором. Кроме того, на затворы транзистора модулятора подаются импульсы противоположных полярностей, чем достигается компенсация паразитных импульсов во входной цепи. Таким образом устраняется большинство из указанных недостатков 2 . Однако известное устройство характеризуется низкой стабильностью, высокой сложностью в реализации и низкой технологичностью вследствие применения разнородных узлов и элементов схемы. Цель изобретения - повышение ста бильности, упрощение и повышение техноло ичности изготовления операционного усилителя. Поставленная цель достигается тем, что в операционный усилитель, содержащий дифференциальный уси85Jлитеяь, инвертирующий вход которого через фильтр верхних частот подключен к входу операционного усилителя, демодулятор, выполненный на транзисторе, исток которого связан с шиной нулевого потенциала, а сток через выходной разделительный конденсатор соединен с выходом усилителя переменного тока и через первый фильтр нижних частот - с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, модулятор, выполненный на двухзатворном транзисторе, исток которого соединен с шиной нулевого потенциала, и второй фильтр нижних частот, введены входной разделительный конденсатор, два резистора обратной связи, зарядно-разрядный конденсатор, две формирующие RC-цепи, ограничивающий резистор и четыре двухвходовых элемента И-НЕ, входы первого из которых через зарядноразрядный конденсатор соединены с выходом второго элемента И-НЕ, входы которого подключены к выходу первого элемента И-НЕ, а выход соединен с входом третьего элемента И-НЕ и с первым затвором двухзатворного транзистора модулятора, второй затвор которого соединен с выходом jpetbeго элемента И-НЕ, подключенным через первый резистор обратной связи к входам первого элемента И-НЕ, через последовательно соединенные резистор и конденсатор первой формирующей RC-цепи г к первому входу четвертого элемента И-НЕ и через резистор второй формирующей RC-цепи к второму входу четвертого элемента И-НЕ, выход которого соединен с затвором транзистора демодулятора, первый вход через ограничивающий резистор подключен к отрицательной шине, а второй вход через конденсатор второй формирующей RC-цепи к положительной шине источника питания, соединенной через второй резистор обратной связи с входами первого элемента И-НЕ, причем сток транзистора модулятора через входной разделительный конденсатор соединен с входом усилителя переменного тока и через второйфильтр нижних частот подключен к входу операционного усилителя.. . На чертеже представлена функциональная схема предложенного операционного усилителя. Операционный усилитель содержит дифференциальный усилитель 1, фильтр верхних частот 2, второй и первый фильтры нижних частот 3 и , усилитель переменного тока 5, модулятор, построенный на двухзатворном транзисторе 6, демодул чтор на транзисторе 7, входной и выходной разделительные конденсаторы 8 и 9, однородную интегральную ст0уктуру 10, включающую первый, второй, третий и четвертый двухвходовые элементы И-НЕ 11, 12, 13 и li, первый и второй резисторы обратной связи 15 и 16, третий, четвертый, и пятый рези торы 17, 18 и 19, а также первый, втброй и третий конденсаторы 20, 21 и 22, образующие формирующие RC-цеп Операционный усилитель работает следующим образом. Сигнал, поступающий на вход устройства Ug, разделяется фильтрами верхних частот 2 и нижних частот 3 на высокочастотную составляющую, которая поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 1, и низкочастотную составляющую, пост пающую после преобразования при пом щи модулятора 6 через входной разделительный конденсатор 8 на усилитель переменного тока 5. Усиленный сигнал поступает через выходной разделительный конденсатор 9 на демодулятор 7, который производит обратное преобразование. Усиленная та КИМ образом и восстановленная вторы фильтром нижних частот k низкочасто ная составляющая входного сигнала поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя, в котором суммируется с высокочастотной составляющей, усиливается и пос пает на вь1ход устройства. Таким образом, выходной сигнал ставляет собой усиленный сигнал,, поступающий на вход устройства. При этом напряжение смещения, входной ток и их температурные дрейфы определяются в основном параметрами модулятора 6, демодулятора 7 и временными соотношениями между сигналами управления. Напряжение смещения дифференциального усилителя 1 по отног шению к входному сигналу ослабляется в число раз, пропорциональное коэффиц 1енту усиления усилителя переменного тока 5. Постоянная составляющая напряжения на выходе усилителя переменного тока 5 задерживаетсй выходным разделительным конденсатором 9 и не влияет на параметры устройства. Составляющие входного сигиала, имеющие частоту, близкую к частоте модуляции, которые могли бы привести к появлению низкочастотных помех после преобразования, задерживаются первым фильтром нижних частот и на модулятор не поступают. Входной ток усилителя переменного тока-5 практически не влияет на параметры Устройства, так как задержива-, ется входным разделительным конденсатором 8. Минимизация погрешностей преобразования модулятора и демодулятора обеспечивается введением в устройство схемы управления,, построенной на однородной интегральной структуре 10, которая содержит четыре идентичных элемента И-НЕ 11-Й. Сигналы упразления модулятором вырабатываются включенными последовательно элементами И-НЕ 11,.12 и 13, охваченными отрицательной обратной связью с выхода третьего элемента И-НЕ 13 на вход первого элемента И-НЕ 11 через первый и второй резисторы 15 и 1б, и положительной обратной связью с выхода второго элемента И-НЕ 12 на вход первого элемента И-НЕ 11 через первый конденсатор 20. В момент включения схемы конденсатор 20 начинает заряжаться по цепи: шина положительного потенциала +Е, резистор 15 и выход третьего элемент-а И-НЕ 13, резистор 16, включенные параллельно, конденсатор 20 и выход второго элемента И-НЕ 12 Пока ток заряда конденсатора 20 достаточно велик, положительная обратная связь преобладает и схема находится в одном из устойчивых состояний, например уровень напряжения на выходе второго элемента И-НЕ 12, соответствует уровню логического нуля, а уровень напряжения на выходе элемента И-НЕ 13 - уровню логической единицы. По мере заряда конденсатора ток заряда уменьшается и положи-тельная обратная связь ослабевает до тех пор,пока под влиянием отрицательной обратной связи состояние элементов не начнет изменяться, при этом ток через конденсатор 20 меняет направление и резко увеличивается. Появившаяся при этом положи тельная обратная связь содейстаует

изменению состояния элементов на обратное, например уровень напряжения на выходе второго элемента И-НЕ 12 соответствует логической единице, а третьего элемента И-НЕ 13 логическому -нулю. Такое состояние поддерживается до тех пор, пока конденсатор не перезарядится. Затем происходит очередное изменение состояния схемы. Частота повторения таких изменений (частота модуляции) определяется рассмотренной постоянной времени цепи заряда, а ее сРабильность оРеспечивается высоким знамением коэффициента усиления, трех последовательно включенных элементов И-НЕ. В результате на первый затвор транзистора модулятора 6 поступает управляющее напряжение, представляющее собой прямоугольные импульсы, периодически открывающие и закрывающие транзистор 6. При этом низкочастотный сигнал, прошедший первый фильтр нижних частот 3, преобразуется модулятором в сигнал, изменяющийся с частотой переменного тока 5. На второй затвор транзистора 6 поступает в противофазе к управляющему сигналу компенсирующий синал с выхода элемента И-НЕ 12. При этом выбросы от фронтов управляющего сигнала, поступающие во входную цепь устройства, компенсируются выбросами противоположной полярности от компенсирующего сигнала. Поскольку паразитные емкости, по которым проходя выбросы, имеют одинаковую природу (находятся в едином кристалле транзистора 6), а управляющие и компенсирующие сигналы вырабатываются однородной интегральной структурой 10, созданной в одном кристалле в едином технологическом цикле, то все изменения сигналов и емкостей, происходящие в процессе работы устройства, идентичны. Этим обеспечивается более высокая по сравнению с прототипом стабильность компенсации выбросов модулятора.

Сигнал с выхода третьего элемента И-ЙЕ 13 поступает на один вход четвертого элемента И-НЕ 1 через последовательно включенные третий резистор 17 и второй конденсатор 21, В-аеляясь на четвертом резисторе 18, а на другой вход - через пятый резистор 19, выделяясь на третьем конденсаторе 22. В связи с этим передний фронт выходного сигнала элемента И-НЕ 14 задерживается по сравнению с передним фронтом его входного сигнала на время, определяемое сопротивлением пятого резистора 19 и номиналом третьего конденсатора 22. Длительность выходного импульса элемента И-НЕ I определяется постоянной заряда второго конденсатора, т.е. его номиналом и сопротивлением ре-. зисторов 17 и 18. Таким образом, соответствующий выбор пассивных элементов 15-22 обеспечивает формирование более коротких, по сравнению с импульсами управления модулятором, ипульсов, отпирающих транзистор 7 демодулятора. При этом транзистор 7 находится в открытом состоянии только в те промежутки времени, пока отсутствуют переходные процессы, вызванные паразитными выбросами модулятора 6. При этом полностью исключается демодуляция паразитных импульсов, а значит и обусловленные ими составляющие напряжения смещения.

Предложенный операционный усилитель существенно отличается от аналогов и прототипа более высокими технико-экономическими характеристиками. В отличие от прототипа высокие технические характеристики устройства обеспечиваются при построени схемы управления модулятором и демодулятором на единственной интегральной микросхеме. При этом упрощается монтаж, настройка и повышается надежность и технологичность изготовления устройства. Кроме того, идентичность характеристик логических элементов М-НЕ 11-14, на которых построена схема управления, и использование двухзатворного транзистора 6 для построения модулятора обеспечивают, в отличие от аналогов, высокую стабильность параметров устройства в связи с отсутствием рассогласования характеристик задающих и компенсирующих цепей в процессе работы усилителя.

На основе предлагаемого технического решения построен сравнительно простой прецизионный операционный усилитель, в котором дифференциальный усилитель и усилитель переменного тока построены на микросхемах К574УД1А. В качестве однородной интегральной структуры использована миросхема К164ЛА7, модулятора - транзистор ХПЗОбБ, демодулятора - КП301Б. При этом напряжение смещения усилители составляет единицы мкЗ, температурный дрейф напряжения смещения 0,05-0,1 мкВ/°С, входной ток и его темперётурный дрейф составляет соответственно 2-5 ПА и 0,1-0,2 пА/°С.

Полученные результаты соответствуют параметрам усилителя,построенного по значительно более сложной схеме прототипа. Еще одним преимуществом реализованного--технического решения является значительное снижение потребляемой мощности,так как схема управления выполнена на K-MOrt структуре,

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого через фильтр верхних.частот подключен к ВХОДУ операц.ионного усилителя, демодулятор, выполненный на транзисторе, исток которого связан с шиной нулевого потенциала, а сток через выходной разделительный конденсатор соединен с выходом усилителя пере- , менного тока и через первый фильтр нижних частот - с неинвертирующим ВХОДОМ дифференциального усилителя, модулятор,выполненный на двухзатво{ ном транзисторе, исток которого соединен с шиной нулевого потенциала, и второй фильтр нижних частот, от л и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения стабильности, ynf рощения и повышения технологичности изготовления операционного усилителя, В него введены входной разделительный конденсатор, два резистора обратной СВЯЗИ, зарядно-разрядный конденсатор, две формирующие RC-цепи, ограничивающий резистов и четыре даухвходовых элемента И-НЕ, входы первого из которых через зарядно-разрядный конденсатор соединены с выходом второго элемента И-НЕ, входы которого подключены к выходу первого элемента И-НЕ, а ВЫХОД соединен с входом третьего элемента И-НЕ и с лервым затвором двухзатворного транзистора модулятора, второй затвор которого соединен с выходом третьего элемента И-НЕ, подключенным через первый резистор обратной связи к входам первого элемента И-НЕ, через последовательно соединенные резистор и конденсатор первой формирующей RC-цепи (О к первому ВХОДУ четвертого элемента И-НЕ и через резистор второй форми- , рующей RC-цепи - к второму входу четвертого элемента И-НЕ, выход которого соединен с затвором транзистора демодулятора, первый вход через ого раничивающий резистор подключен к 4 отрицательной шине, а второй вход 00 4ib через конденсатор второй формирующей RC-цепи - к положительной шине источника питания, соединенной 00 через второй резистор обратной свясл зи с входами первого элемента И-НЕ, причем сток транзистора модулятора через ВХОДНОЙ разделительный конденсатор соединен с входом усилителя переменного тока и через второй фильтр нижних частот подключен к операционногоусилителя.