Усилитель-ограничитель Советский патент 1984 года по МПК G06G7/25 

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и радиотехнике и может быть использовано в различных устройствах радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники. Известен ограничитель напряжения, содержащий операционный усилитель, ,ключ и нелинейный злемент, в которых управление ключом осуществляется путем изменения полярности напряжения на выходе усилителя.относительно опорного напряжения lj . Однако такой ограничитель имеет низкую точность в режиме усиления входного напряжения. , Известен усилитель-ограничитель, содержащий первый операционный усилитель, выход которого является выходом усилителя-ограничителя и подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, к инвертирующему входу второго операционного усилителя, к инвертирующему входу которого подключен источник напряжения ограничения, а выход через ключ соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, являющимся входом усилителя-ограничителя 2. -J Недостаток этого усилителя-ограничителя заключается в низком быстродей ствии. Наиболее близким по технической сущности к предложенному является усилитель-ограничитель, содержащий первый операционный усилитель, первый и второй резисторы, соединенные последовательно и включенные между входом и выходом устройства, к которому подключен выход первого операционного усилителя, а его инвертирующий вход подключен к точке соединения первого и второго резисторов, источни напряжения ограничения, одним выводом подключенный к шине нулевого потенциала, второй операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с одним из выводом ограничивающего резистора и с одним из вьшодов второго ключа, другой вывод которого соединен с выходом второго операционного усилителя и с одним из выводов первого ключа инвертирующий вход-первог усилителя соединен с другим выводом первого ключа, другой вывод ограничивающего резистора подключен к друго му ВЫВОДУ источника напряжения органи чения, а неинвертирукнций вх,од второго операционного усилителя подключен к выходу устройства L3J . Недостатком известного устройства является то, что в режиме ограничения в петлю обратной связи входят два последовательно включенных усилителя с примерно равными козффициентами усиления. .Для обеспечения устойчивости и равномерной частотной характеристики (без подъемов) необходимо, чтобы постоянная времени одного из усилителей быпа намного больше другого.Позтому приходится либо ухудшать частотные свойства ограничителя в режиме усиления, корректируя частотную характеристику первого усилителя, либо уменьшить быстродействие при переключении режимов работы, корректируя второйусилитель, Кроме того, известньй усилитель позволяет ограничивать только один входной сигнал. Целью изобретения является повышение быстродействия и расширения класса решаемых задач. Поставленная цель достигается тем, что усилитель-ограничитель, содержащий первый операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый масштабный резистор соединен с первым входом усилителя-ограничителя и через второй масштабный резистор - с выходом операционного усилителя, являющимся выходом усилителя-ограничителя, второй операционный усилитель, между инвертирующим входом и выходом которого включен первьй ключ, ограничивающий резистор, подключенный первым выводом к инвертирукщему входу второго операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом второго ключа, и источник напряжения ограничения, одним выводом подключенный к шине нулевого потенциала, содержит третий и четвертьп масштабные резисторы, включенные последовательно между вторым входом усилителя-ограничителя и шиной .нулевого потенциала, общий вывод третьего и четвертого масштабных резисторов соединен со вторым вьшодом второго ключа и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, вых.од которого подключен к второму выводу ограничивакщего резистора, а другой вывод источника напряжения ограничения соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя.

На фиг. 1 и 2 представлены варианты вьшолнения дифференциального усилителя-ограничителя в зависимости от характеристики ограничения (ограничение сверху и снизу соответственно) ; йа фиг. 3 - схема неинвертирующего усилителя-ограничителя (напряжения на втором входе фиг. 1 ); на фиг. 4 - схема инвертирующего усилителя-ограничителя (напряжение на первом входе фиг. 2 U 0).

Усилитель-ограничитель содержит первый операционный усилитель 1с дифференциальным входом, второй операционный усилитель 2 с дифференциальным входом, первый масштабньй резистор 3, второй масштабный резистор 4, третий масштабный резистор 5, четвертый масщтабный резистор 6, ограничиванщий резистор 7, первый ключ 8, например диод, второй ключ 9 содержащий либо последовательно соединенные диод 10 и стабилитрон 11 при ограничении отрицательного напряжения сверху (фиг. 1) или положительного напряжения снизу (фиг. 2), либо диод 10. При ограничении положительного напряжения сверху или отрицательного напряжения снизу (фиг. 2 и фиг. 4), источник 12 напряжения ограничения, входы 13 и 14, выход 15 устройства.

Уровень ограничения усилителяограничителя устанавливается регулировкой напряжения источника 12.

Усилитель-ограничитель работает следующим образом.

Пусть разность напряжений на входе усилителя-ограничителя (фиг.2) положительна: () 0, напряжение источника 12 напряжения ограничения положительно U О, и считаем что разность входных напряжений (): U,R,/RJ, где R.J - сопротивления резисторов 3 и 4 соответственно. Выходное напряжение (отрицательное относительно напряжения ограничения U,), te-рез ограничивающий резистор 7 подается на инвертирующий вход усилителя 2у что приводит к появлению на его выходе положительного напряжения, открывающего диод ключа 8j замыканию петли отрицательной обратной , включающее усилитель 2, .открытый диод 8, усилитель 1. На выходе усилителя-ограничителя в данно режиме - режиме ограничения - поддерживается напряжение ограничения. Выходное напряжение ограничивается снизу на уровне

1 L ) «см.О)

ых о

где мультипликативная погрешность напряжения ограничения

v ILjo±. , rj,jfiij , 6 U R К, и„ R. К/ R,HRjгде RjH сопротивление открытого диода ключа 8; К - коэффициент усиления усилителя 2; Tj - выходное сопротивление усилителя 2; S,( Uj;nj - напряжение смещения второго операционного усилителя.

При увеличении разности входных напряжений и вьшолнения условия () на выходе усилителя 1 появляется напряжение положительное относительно опорного .- DU , которое через ограничивающий резистор 7 подается на инвертирующий вход усилителя 2. Это приводит к появлению на выходе усилителя 2 отрицательного напряжения. Диод ключа 8 закрывается. Цепь обратной связи отключается и не влияет на работу усилителя 1.

Выходное напряжение усилителя-ограничителя

- (и,- и,)(1 -ьу ),

и

(3)

вых

где - погрешность коэффициента усиления

.(4

с -) и

UM

v., ГГ IT

1 -и, U,-U2 j, U -и

«2 R4

Здесь Ы, RiilCR, + R4), 42 R,/-/(RI + Rj) в рассматриваемом случа , 6/2, так как Кз)К4 9 сопротивление закрытого диода ключа 8, -напряжение на выходе усилителя 2.

Отрицательное напряжение на выход усилителя 2 открывает диод 10 и стабилитрон 11 ключа 9, через которые усилитель 2 охватвается местной петлей обратной связи, поддерживающей на его инвертирующем входе напряже.ния Uj и предотвращающей его насыщение. Напряжение стабилизации стабилитрона 11 выбирается таким образом, чтобы Uj, (UQ) - (Un), где UK - напряжение на стабилитроне 11 и диоде 10,-быпо отрицательно и быпо не менее 2-3 В, так, чтобы диод 8 находился Е закрытом состоянии. По срав нению с прототипом данное выполнение ключей 8 и 9 дает существенное повышение точности устройства в области усиления разностк входных напряжений, так как стабилитрон в области напряжений, близким к напряже нию стабилизации, имеет сопротивление меньшее сопротивления закрытого диода. При отрицаиельных значениях источника напряжения ограничения UQ -2В ключ 9 вьшолняется без стабилитрцна, как показано на фиг. 4. Для устройства (фиг. 1), являюще гося ограничителем сверху, U, О, а UH (и,) - (и,) и вьйирается равным +2, 4-ЗВ. При положитшгьных Up 2В ключ 9 необходимо вьшолнять без стабилитрона, как показано на фиг. 3. На фиг. 3 и фиг. 4 приведены схе усилителей-ограничителей при (фиг. 3) и .и, О (фиг. 4). Для усилителя-ограничителя фиг. выходное напряжение ВЫХ 2 К где погрешность При использовании предлагаемого усилителя-ограничителя существенно. повьш1ается быстродействие (полоса р бочих частот устройства). В.отличие от прототипа в предлагаемом усилите ле-ограничителе в режиме ограничени 46 первый усилитель охвачен цепью отрицательной обратной связи через делитель, вьшолненный на резисторах R и R,,, что в Kj 62 раз уменьшает его .постоянную време.ни. Здесь К - коэффициент усиления первого усилителя на постоян.ном и квазипостоянном токе. Это позволяет в К В| раз (при применении операционных усилителей с однополюсной частотной характеристикой, нашедших наибольшее применение) уменьшить постоянную времени второго операционного усилителя по сравнению с прототипом. При этом существенно увеличивается быстродействие устройства при переходах из режима ограничения в режим усилителя и наоборот. Изменяя значение и полярность напряжения источника 12, а также меняя полярности.диодов и стабилитрона ключей 8 и 9, можно производить ограничения двухполярного сигнала снизу и сверху во всем диапазоне его изменения . Предложенное техническое решение позволяет использовать его как в режиме дифференциального,, так и в режиме неинвертирующего усилителя-ограничителя . Предлагаемый дифференциальньй усилитель-ограничитель легко реализуется на современной элементной базе, в том числе и в интегральном исполнении, не труебует подбора элементов по параметрам и специальньк построек. Таким образом, предлагаемое устройство практически при тех же аппаратурных затратах превосходит прототип в быстродействии.

УСИЛИТЕЛЬ-ОГРАНИЧИТЕЛЬ, со держащий первый операционный усилитель,, инвертирующий вход которого через первой масштабный резистор соединен с первым входом усилителяограничителя и через второй масштаб ный резистор - с выходом операционного усилителя, являющийся вьрсодом усилителя-ограничителя, второй опер ционный усилитель, между инвертирую л У ± - щим входом и выходо которого включен первый ключ, ограничивающий резистор, подключенньй первым выводом к инвертируквдему входу второго операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом второго ключа, и источник няпряжения ограничения, одним выводом подключенный к щине нулевого потен иала, отличающийся тем, что, с целью повьппения быстродействия и расширения класса решаемых задач, он содерясит третий и четвертый масштабные резисторы, включенные последовательно между вторым входом усилителя-органичитепя и шиной нулевого потенци- I ала, общий вывод третьего и четвертого масштабных резисторов соединён со вторым вьюодом второго ключа и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого подключен ко второму выводу ограничивающего резистора, а другой вывод источника напряжения ограничения соединен с неинвертируюшим входом второго операционного усилителя.

S

;-ВЩЬ

-cz

1

вы

L

Sl