Аналоговое запоминающее устройство Советский патент 1984 года по МПК G11C27/00 

Изобретение относится к аналоговой и аналого-цифровой вычислительной технике и может быть применено при создании аналого-цифровых преобразователей и устройств связи с объектом.

Известно аналоговое запоминающее устройство, предназначенное для выборки и последующего хранения мгновенного значения амплитуды аналогового сигнала, содержащее дифференциальный усилитель с конденсатором хранения, включенным между выходом дифференциального усилителя, являющегося выходом устройства, и его инвертирующим входом, неинвертирующий вход усилителя подключен к тине нулевого потенциала, резистор отрицательной обратной связи, подключенный Г1;ежду выходом ус- рсйства и входом токового ключа, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, и входной реь iCTOp, подключенный первым выводом к источнику сигнала, а вторым выводом - к входу токового ключа, устройство имеет также шину управления ключом 1.

Недостаток известного устройства - больщое время выборки входного сигнала, обусловленное больщой постоянной времени, образованной входным резистором и конденсатором хранения (сопротивлением ключа в открытом состоянии в данном случае можно пренебречь).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является аналсгоЮ. запоминающее устройство, содержаш; : дифференциальный усилитель, выход .орого является выходом устройства, коь- исатг ) хранения - накопительный элемент, ло.клю ченный между выходом устройств;. iH вертирующим входом дифференци.. .,о усилителя, резистор обратной связи (R,,. и входной резистор (Rg), первые выводы которых объединены, а вторые подключены соответственно к входу и к выходу устройства, первый ключ, выход которого подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, щина управления режимом работы первого ключа, повторитель напряжения, выполненный на дифференциальном операционном усилителе, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с входом первого ключа, а неинвертирующий вход подключен к общей точке входного резистора и резистора обратной связи 2.

Недостатком данного устройства является больщое время выборки входного сигнала, обусловленное ограничениями, налагаемыми на частоту среза устройства по контуру отрицательной обратной связи (ООС), которая описывается выражением

оос Rax1

кл

где Г -д-сопротивление первого ключа в открытом состоянии, включая выходНое сопротивление повторителя Напряжения;

С р-емкость конденсатора. Кроме того, скорость нарастания выходного Напряжения повторителя напряжения и выходного дифференциального усилителя должна удовлетворять условию

/ V 1тП

Vm

, .макс RBX

,(Pbx-Roc)

причем L .1ц,цанс1где 1н,ма-г. аксимальНый ток : -грузки используемых усилителей; Uax.,MaKc .iaKCHMabn Hoe вх ,,ioe напряжение. В лротивном cViae р ота усилителей будет происходить , нел . .Г.лом режиме и

переходный npouecL оудрг недопустимо затягиваться.

Для того, чтобы устройство обла.аало некоторым запасом устойчивости, а также имело минимальное время установления вы

ходного напряжения с заданной погрешностью и апериодический переходный процес,, можно показать, что эквивалентная частота среза обоих входящих в него усилителей (при условии, что фазовый сдвиг каждого из Них на собственной частоте среза не превыщает 90°) должна }довлетворять условию

иЭг„

ср 4 UJjp

3 этом случае время установления выходо напряжения с заданной погрешнос.ю S , равное минимальному времени выборки (без учета апертурного времени) равно

tb,f

Например, при использовании в прототипе интегральных операционных усилителей (ОУ) типа К544УД1В ( мГц, V-in 5 В/МКС, 1н, мА) и токовых ключей, обеспечивающих совместно с 300 Ом, при миН.иально возможной в этом случае емкое.л конденсатора хранения, равной 1000 пФ, Нельзя обеспечить Bbi6(jpку входного сигнала 10 В с погрешность 0,01% менее, чем за 5,75 мкс (без учета апертурного времени).

В целях дальнейшего уменьшения вре.мени выборки в прототипе необходимо применять ОУ, обладающие чрезвычайно высокими динамическими характеристиками, которые в Настоящее время обеспечивают 2 лишь уникальные образцы ОУ в модульном исполнении.

Цель изобретения - повышение быстро.тействия устройства. Поставленная цель достигается тем, что в аналоговое запоминающее устройство, содержащее дифференциальный усилитель, выход которого является выходом устройства, первый Накопительный элемент на первом конденсаторе, ып цепь отрицательной обратной связи ди(ЬференциальНого усилителя, первый ключ, выход которого соедине. с инвертирующим входом дифференц ального усилителя, первый пассивный элемент на первом резисторе, один из выводов которого является входом устройс гва, другой вывод первого резистора соединен с одним из выводов второго пассивного элемента на втором резисторе. другой вывод которого соединен с выходом л фференциального усилителя, первый вход первого ключа соединен с щиной управлени, и ишну нулевого потенциала, введены нечнвертирующий усилитель, пассивный (.фильтр высоких частот, второй ключ. активный фильтр низких частот и второй накопительный элемент на втором конденсаторе, одна из обкладок которого соединена с шиной нулевого потенциала, другая обкладка второго конденсатора соединена с неинвертирующим входом дифференциального усилителя и с выходом второго ключа, первый вход которого соединен с выходом активного фильтра низких частот, вход активного фильтра низких частот соединен с другим выводом первого резистора и с входом неинвортирующего усилителя, выход которого соединен с входом пассивного RCфильтра высоких частот, выход которого соединен с вторым входом первого ключа, второй вход второго ключа соединен с шиной управления. На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит дифференциальный усилитель 1, накопительные элементы на первом и втором конденсаторах 2 и 3, пассивные элементы на первом и втором резисторах 4 и 5, ключи 6 и 7, пассивный RC-фильтр 8 высоких частот, неинвертирующий -литель 9, активный фильтр 10 низких частот, щину 11 управления и шину 12 нулевого потенциала. CvniHocTb изобретения заключается в тол- ю введен широкополосный неинвертирующий усилитель мощности с частотой среза, во много раз превышающей частоту среза выходного дифференциального усилителя, пассивный RC-фильтр высоких частот, который Не позволяет постоянной составляющей выходного напряжения ч ,1лителя мощности проникать на вход первого токового ключа, активный инвертирующий фильтр низких частот инвертирует постоянную составляющую сигнала разбаланса, а также компенсирует смещение нуля выходного дифференциального усилителя, второй K,.j4, блокирующий в закрытом состоянии перезаряд второго конденсатора в режиме хранения, причем неинвертирующий вход выходного дифференциального усилителя подключен не к шине нулевого потенциала, а к незаземленной обкладке второго конденсатора. Устройство работает следующим обраПри появлении на шине 11 управления определенного цифрового сигнала, например логической единицы, ключи 6 и 7 замыкаются и устройство переходит в режим выборки входного аналогового сигнала. При этом в общей (суммирующей) точке резисторов 4 и 5 появляется напряжение разбаланса (ошибки), равное сумме сигналов на входе и выходе устройства. Постоянная составляющая напряжения разбаланса, инвертированная и отфильтрованная активным фильтром 10 низких частот, через ключ 7 заряжает конденсатор 3 до величины напряжения смещения дифференциального усилителя 1. Так как напряжение смещения усилителя 1 дрейфует сравнительно медленно, то изменение напряжения на конденсаторе 3 за время между выборками входного сигНала будет небольшим, следовательно, требования к быстродействию цепи заряда этого конденсатора 3 будут невысокими, Сигнал разбаланса поступает также на вход щирокополосного неинвертирующего усилителя 9, частота среза которого во много раз превышает частоту среза усилителя 1, а выходное сопротивление невелико но сравнению с сопротивлением ключа 6 в открытом состоянии, постоянная составляющая выходного напряжения усилителя 9 блокируется пассивным RC-филь-ром 8 высоких частот, причем собственное смеп1ение нуля усилителя 9 может быть довольно большим, лишь бы во время переходного процесса (т.е. при наличии разбаланса) усилитель 9 работал в линейной области. Переменная составляющая сигнала разбаланса поступает на вход ключа 6 и далее на инвертирующий вход усилителя 1, который начинает отрабатывать это возмущение через цепь конденсатора 2 посредством его перезаряда так, чтобы сумма токов, втекающих в точку соединения ключа 6 и конденсатора 2, была в идеальном случае равна нулю. Таким образом, конденсатор 2 порезаряжается до напряжения, равного по модулю и противоположного по знаку входному напряжению (при Rgi s ROC) с точностью до величины, обратно пропорциональной коэффициенту усиления разомкнутого усилителя 1 на постоянном токе. Так как потенциал инвертирующего входа усилителя 1 практически равен нулю (смещение Нуля усилителя 1 скомпенсировано по не; ;чертирующему входу), то напряжение на устройства, равно напряжению на конденсаторе 2, а следовательно, равно по ;:одул о и противоположно по знаку входному напряжению (при Rgj г RQ,.) , поэтому напряжение разбаланса в суммирующей точке после окончания переходного процесса равно нулю (при нулевом смещении ОУ активного фильтра) и устройство переходит в состояние динамического равновесия (при условии, что за время выборки входной сигнал не изменился). После этого на шину 11 поступает логический нуль, ключи 6 и 7 размыкаются и устройство переходит в режим хранения выбранного аналогового сигнала, причем конденсатор 2 запоминает И11вертировайную величину входного сигнала, а конденсатор 3 - величину напряжения смещения дифференциального усилителя 1. Предлагаемое устройство реализовано в виде макета устройства выборки-хранения, имеющего время выборки входного сигнала ± О В с точностью 0,01% менее 500 не и время хранения с точностью 0,01% при конденсаторе 510 пФ около 1 с. Столь высокие параметры устройства реализованы на базе элементов широкого применения: в усилителе 9 использованы транзисторы КП307, КТ342, КТ313, в активном фильтре 10 - интегральный ОУ повыщенной точности типа К153УД5, ключевые транзисторы - КП305, в схеме управления ключами б и 7 использованы транзисторы КТ371 и диоды КД514, во входном каскаде дифференциального усилителя 1 - транзисторы КП350 без специального подбора. При этом усилитель 9 имеет частоту среза более 100 МГц, усилитель 1 -16 МГц, а частота среза устройства но контуру обратной отрицательной связи (Rax Roc ЮкОм) выбрагш около 3 МГц при сопротивлении первого ключа в открытом состоянии (включая выходное сопротивление усилителя мощности) около 50 Ом. Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства определяется значительным уменьшением времени выборки входного сигнала за счет уменьшения времени установления выходйого напряжения, что достигнуто вследствие увеличения частоты среза устройства по контуру отрицательной обратной связи, возможйостью реализовать устройство на доступйой элементной базе, а также по нйтегральйой технологии, относительной простотой устройства при высоких качественных показателях. Положительным эффектом предлагаемого устройства является также значительное увеличение времени хранения, что обусловлено возможностью применения в йем МОП-транзисторов во входном каскаде дифференциального усилителя, которые имеют чрезвычайно низкий ток утечки по цепи затвора. В прототипе это невозможно из-за технологических ограничений на приемлемое согласование характеристик двух МОП-транзисторов даже в одном технологическом цикле (при интегральной технологии), что порождало большой временной и температурный дрейф напряжения смещения в дифференциальных усилителях, выполненных на их основе. Предлагае.мое устройство снимает указанные ограничения за счет введения инвертирующего активного фильтра Низких частот, второго ключа и второго конденсатора, так как активный фильтр может быть выполнен с усилением На постоянном токе в К раз. В этом случае смешение нуля и дрейф выходного дифференциального усилителя уменьшаются соответственно в К раз и статические параметры устройства фактически определяются смещением и дрейфом нуля ОУ, используемого в активном фильтре низких частот. Кроме того, первый ключ в режиме хранеНин работает с равными и нулевыми потенциалами на входе и на выходе (вход ключа по постоянному току является заземленным, а смещение нуля дифференциального усилителя компенсируется напряжением на втором конденсаторе, следовательно, инвертирующий вход усилителя- имеет нулевой потенциал), что обеспечивает предельно низкий ток утечки через данный ключ в закрытом состоянии.

ВХIt

АНАЛОГОВОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее дифференциальный усилитель, выход которого является выходом устройства, первый накопительный элемент на первом конденсаторе, включенный в цепь отрицательной обратной связи дифференциального усилителя, первый ключ, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, первый пассивный элемент на первом резисторе, один из выводов которого является входом устройства, другой вывод первого резистора соединен с одним из выводов второго пассивного элемента на втором резисторе, другой вывод которого соединен с выходом дифференциального усилителя, первый вход первого ключа соединен с щиной управления, и шину нулевого потенциала, отличающееся тем, что, с целью повыщения его быстродействия, в него введены неинвертирующий усилитель, пассивный RC-фильтр высоких частот, второй ключ, активный фильтр низких частот и второй накопительный элемент на втором конденсаторе, одна из обкладок которого соединена с щиной нулевого потенциала, другая обкладка второго конденсатора соединена с неинвертирующим входом дифференциального усилителя и с выходом второго ключа, первый вход которого соединен с выходом i активного фильтра низких частот, вход активного фильтра низких частот соединен с (Л другим выводом первого резистора и с входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом пассивного RCфильтра высоких частот, вы.чод которого соединен с вторым входом первого ключ.а, второй вход второго ключа соединен с шиной управления. О5 СП СХ) СХ) со

в

--УП

г

А

10

I

.

3

,f2

А//