Дифференциальный усилитель Советский патент 1984 года по МПК H03F3/45 

& |

00

эш

X) 30 Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в качестве измерительного усилителя в системах сбора данных. Известен дифференциальный усилитель с обратной связью, coдepжa ий входной, промежуточный и оконечный . усилители, нагрузку, усилитель обратной связи синфазного сигнала и усилитель обратной связи дифферен .циального сигнала, симметричный вход которого соединен с нагрузкой, симметричный выход - с дополнительным симметричным входом входного усилителя, симметричный вход входно го усилителя является входом устрой ства, симметричный вход соединен с симметричным входом промежуточного усилителя, симметричный выход промежуточного усилителя - с симметрич ным входом оконечного усилителя, до полнительный выход - с входом усили теля обратной связи синфазного сигнала, симметричный выход оконечного усилителя с нагрузкой, а выход усилителя обратной связи синфазного сигнала - с дополнительным входом входного усилителя Л . Недостатком известного устройства являются невысокие шумовые и ди намические характеристики, так как линеаризация усилителяпроизводится за счет введения отрицательной обра ной связи, которая обеспечиваетсяза счет избыточности коэффициента усиления при разомкнутой петле обратной связи. Наиболее близким по технической .сущности к;предлагаемому является дифференциальный усилитель, имеющий симметричный вход и выход и до полнительный вход, причем симметрич ный вход непосредственно, а симметр ный выход через аттенюатор соединены с соответствуюгШми входа ми первого сумматора, выход которого ев я зан с дифференциальным усилителем ошибки 2 , Однако такое устройство характе зуется недостаточно высокой точност Цель изобретения - позьиение точ ности путем снижения нелинейных, динамических и шумовых искажений. Поставленная цель достигается те что в дифференциальном усилителе, имеющем симметричный вход и выход и дополнительный вход, причем сигФ1е ричный вход непосредственно, а симметричный выход через аттенюатор соединены с соответствукщими входами первого сумматора, вьтход которого соединен с дифференциальным усил телем сшибки, между дополнительны- ми входом дифференциального усилителя и выходом диффег/енциального ус лителя ошибки включен управляемый фильтр, между симметричным выходом дифференциального усилителя и управляющим входом управляемого фильтра введены последовательно соединеннее первая формирующая цепь, второй сумматор, другой вход которого через вторую формирующую цепь соединен с симметричным входом дифференциального усилителя, и первый нелинейньтй элемент, а дифференциальный усилитель ошибки снабжен двумя дополнительными входами, между симметричным выходом дифференциального усилителя и дополнительными входами дифференциального усилителя ошиб ки последовательно соединенные третья формирующая цепь, второй нелинейный элемент и управляемое реактивное сопротивление. На чертеже изображена структурная электрическая схема предлагаемого устройства. Устройство содержит диффег)енциальный усилитель 1, имекпий симметричный вход и выход и дополнительный вход, аттенюатор 2, первый сумматор 3, дифференциальный усилитель 4 сшибки, имекщий дополнительные входы, управляемый фильтр 5, первую формирующую цепь 6, второй сумматор 7, вторую формирукщую цепь 8, первый нелинейный элемент 9, третью формирующую цепь 10, второй нелинейный элемент 11, управляемое реактивное сопротивление 12. Устройство работает следующим образом. Дифференциальный входной сигнал поступает на симметричный вход дифференциального усилителя 1 и усиленный в kuj, раз (Куе коэффициент передачи дифференциального усилителя 1), снимается с выхода дифферен:-; циального усилителя 1 и поступает на выход устройства II - L- II(1 BЫx Ugx Первый сумматор 3, на один симметричный вход которого поступает входной сигнал ибх/ а на другой через аттенюатор 2 - выходной сигнал устройства, выделяет на симметричном выходе разностный сигнал ошибки Ug который после усиления дифференциальным усилителем ошибки 4 в Kg раз (Kg - коэффициент передачи дифференциального усилителя ошибки) и фильтрации управляемым фильтром 5, имеющим коэффициент передачи Кд,, вводится в дополнительный вход дифференциального усилителя 1. Управляемое реактивгдое сопротивление 12, включенное между дополнительными входами дифференциального усилителя 4 ошибки, определяет глубину местной обратной-связи. В качестве дополнительных входов могут быть использованы обычные входы частотной коррекции.

Выходной сигнал устройства,сформированный первой формирующей цепью 6, поступагадий на соответствующий вход второго сумматора 7, суммируется с входным сигналом устройства, сформированный второй формируюцей цепью, поступающим на другой вход второго сумматора 7, и с его выхода через первый нелинейн элемент 9 поступает на управлягаций вход управляемого фильтра 5.

На управлягаций вход управляемог реактивного сопротивления.12 поступает выходной сигнеш устройства, сформированный третьей формирующей цепью 10 и вторым нелинейным элеме том 11. Если выполняется условие баланса

вых- Л ивх, (2)

где Кд - коэффициент передачи атте нюатора 2,

то (I -II L/ -II П ,.

Напряжение ошибки, вводимое в дополнительный вход дифференциального усилителя 1, выражается

Овых о о фЕсли по тем или иным причинам (например, в результанте линейнйх или нелинейных искажений сигнала в дифференциальном усилителе 1) условие баланса (2) не вьщолняется то возникающее напряжение ошибки UQ усиленное дифференциальным усилителем ошибки в KQ раз, отфильтрованное управляемым фильтром 5 с коэффициентом передачи Кф и введенное в .соответствующей фазе в дополнительный вход дифференциально iro усилителя. 1, будет стремиться скомпенсировать ошибку выходного сигнала устройства.

При невысоких скоростях нарастания входного и выходного сигналов устройства выходные напряжения первой и второй формирующих цепей 6 и 8, поступающие на соответствующие входы второго сумматора 7 также Мсшы. Соответственно, мало и управляющее напряжение, поступающее на управляющий вход управляемого фильтра 5 с выхода второго сумматора 7 через первый нелинейный элемент 9.

При этом управляемый фильтр 5имеет максимальную полосу пропускания. Управляющее напряжение, поступакнцее на управляющий вход управляемого реактивного сопротивления 12 с выхода устройства через третью формирующую цепь 10 и второй нелинейный элемент 11, при малой скорости нарастания выходного напряжения также мало. При этом управляемое реактивное сопротивление 12

имеет максимальную величину, что обеспечивает, соответственно, максимальный коэффициент усиления дифференциального усилителя 4 ошибки.

Таким образом, при малых скоростях нарастания входного и выходного сигналов обеспечивается максимальный коэффициент передачи и максимальная полоса пропускания канала ошибки (включающего в себя диффёре((циальный усилитель 4 ошибки и управляемый фильтр 5).

При увеличении скорости нарас тания входного сигнала до змачс ния которое не может быть отработано дифференциальным усилителем 4 ошибки (из-за ограниченных частотных свойств этого усилителя), выходные напряжения первой и третьей формирующих цепочек 6 и 10 также увеличиваются и сформированные по амплитуде первь и вторым нелинейными элементами 9 и 11 поступаю на управляющие входы управляемого фильтра 5 и управляемого реактивного сопротивления 12 соответственно При этом верхняя граничная частот управляемого фильтра 5 снижается. Одновременно уменьшающееся управляемое реактивное сопротивление 12 приводит к снижению частотных свой дифференциального усилителя 4 сниибки и увеличению линейности его амплитудной характеристики за счет увеличения глубины местной обратной связи. Таким образом, при увеличении скорости нарастания входного и выходного сигналов устройства глубина дифференциальной связи уменьшается, а линейность дифференциального усилителя 4 олибки увеличивается, что снижает перегрузку усилительных каскадов устройства и нелинейные и динамические искажения сигнала. При дальнейшем возрастании скорости нарастания входного сигнала,например, при воздействии на входные цепи устройства мощной внрполосной помехи снижение глубины дифференциальной обратной связи происходит путем дальнейшего завала передаточной характеристики управляемого фильтра 5. За пределами полосы пропускания дифференциального усилителя 1 из-за ограниченных частотных свойств скорость нарастания сигнала на его выходе при увеличении частоты входного сигнала перестает возрастать. При этом изменение характеристик дифференциальной обратной связи осуществляется путем регулировки управляемого фильтра 5с помощью входного сигнала, сформированного второй формиругацей цепью 8. :

В качестве первой, второй и третьей формирующих цепей 6,8 и 10

могут быть использованы, например ЕС-дифференциругадие цепочки или фильтры верхних частот. Дгшьнейшее повышение точности устройства может быть получено применени л в качестве формирующих цепей полосовых фильтров, что позволяет снизить просочку управляющих напряжений в сигнальные цепи. Выполнение цепей управления симметричными также позволяет снизить просочку управляющих напряжений в сигнгшьны цепи.

Первый и второй нелинейные элементы 9 и 11 имеют амплитудные характеристики, задающие законы регулирования управляемого фильтра S и управляемого реактивного сопротивления 12 в диапазоне управляющих напряжений.

Предлагаемое устройстве может быть применено в составе многок нального телеметрического измерительного комплекса в качестве прецизионного быстродействующего измерительного усилителя. Заданные точностные характеристики усилителя (точность 0,015%), йыполнякдаего функцию нормализации сигналов, поступающих от датчиков, могут быть реализованы и.другими метоДами. Однако сложность известньтх схем прецизионных усилителей с дифференциальным входом затрудняет их реализацию в виде полупроводниковых интегральных схем (ИС). Реализация в виде гибридных ИС резко повышает стоимость устройства.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет получить заданные точностные характеристики с помощью относительно несложной схемы, легко реализуемой в виде полупроводниковой ИС.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ имеющий симметричный вход и выход и дополнительный вход, причем симметричный вход непосредственно, а оимметричньлй выход через аттенюатор соединены с соответствугацими входами первого сумматора, выход которого соединен с дифференциальным усилителем ошибки, отличающ и -и с я тем, что, с целью повышения точности путем снижения нелинейных, динамических и 1чумовых искажений, ме;кду дополнительньтм входом дифференциального усилителя и выходом дифференгиального усилителя ошибки включен управляемый фильтр, между симметричным выходом дифференциального усилителя и,управлягацим входом управляемого фильтра введены последовательно соединенные первая формирукхчая цепь,второй сумматор, другой вход которого через вторую формиругапую г.епь соединен с симметричным входом дифференциального усилителя, и первый нелинейный элемент, а дифференциальный усилитель О1чибки снабжен двумя дополнительными входами, между симметричньли выходом дифференциального усилителя и дополнитёльньми (Л входами дифференциального усилителя ошибд и введенк последовательно соединенные третья формир5тощая цепь, второй нелинейный элемент и управляемор реактивное сопротивление.