Устройство для измерения коэффициента усиления операционных усилителей Советский патент 1987 года по МПК G01R31/28 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в аппаратуре контроля и измерения параметров операционных усилителей (ОУ).

Цель изобретения - повышение точности измерения больших значений коэффициента усиления операционных усилителей за счет улучшения отношения сигнал/шум в измерительном тракт

На чертеже представлена функцио- нальная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит масштабные резисторы 1 и 2, испытуемый операционный усилитель (ОУ) 3, источник 4 опорного напряжения, первьй Т-тригге 5, генератор 6, вспомогательный усилитедь 7, модулятор 8, второй Т-триггер 9, одновибратор 10, измеритель 11 постоянного напряжения, полосовой фильтр 12, первый усилитель 13 переменного тока, двухканальный фильтр 14, второй усилитель 15 переменного тока, синхронный детектор 16

Первый вход вспомогательного усилителя 7 соединен с выходом испытуемого ОУ 3, а выход вспомогательного усилителя 7 подключен к первому масш табному резистору 1, второй выход которого соединен с первым входом испытуемого ОУ 3 и вторым масштабным резистором 2, второй вывод которого подключен к нулевой шине устройства, второй вход испытуемого ОУ 3°подключен к нулевой шине устройства, второй вход вспомогательного усилителя 7 подключен к выходу модулятора 8, вход которого соединен с выходом источника 4 опорного напряжения, а управляющий вход модулятора 8 подключен к выходу первого триггера 5, вход которого соединен с выходом генератора 6, к выходу генератора 6 подключен также вход одновибратора 10, инверсный выход которого подключен к входу второго Т-триггера 9, выход вспомогательного усилителя 7 подключен к входу полосового фильтра 12, выход которого соединен с входом первого усилителя 13 переменного тока, а выход усилителя 13 переменного тока.- с входом двухканального фильтра 14, выход которого подключен к входу второго усилителя 15 переменного тока, выход которого соединен с входом синхронного детектора 16, выход которого соединен с входом

,

измерителя 11 постоянного напряжения, управляющке входы двухканального фильтра 14 и синхронного детектора g 16 соединены с выходом второго Т-триггера 9.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 6 формирует сигнал пря- 10 моугольной формы с частотой f,. Этот сигнал поступает на вход первого Т-триггера 5. На выходе первого Т-триггера 5 формируется сигнал прямоугольной формы с частотой f f,/2. 15 Этим сигналом осуществляется управле- ние модулятором 8. На вход модулятора поступает напряжение U с выхода источника 4 опорного напряжения. На выходе модулятора 8 формируется сиг- 20 нал и,(t) прямоугольной формы, симметричный относительно нулевого уровня с частотой f и амплитудой U.

Это напряжение поступает на второй вход вспомогательного усилителя 25 7. За счет отрицательной обратной связи-, осуществляемой резисторами 1 и 2, на выходе .испытуемого ОУ 3 формируется .напряжение прямоугольной формы Ug ijoytt), амплитуда и 30 частота которого равны амплитуде

и частоте выходного сигнала модулятора 8.

Это напряжение из-за наличия обратной связи приводит к возникновению сигнала рассогласования )

35

на входе испытуемого ОУ 3. Коэффициент усиления испытуемого ОУ 3 деляется по формуле

опре

Sи

BblXQY

и,

(1)

вх

где и

и

вк вых ОУ

5

-амплитуда сигнала,

-амплитуда сигнала

UewtoY t Величина U определяется по результату измерения амплитуды U выходного сигнала вспомогательного уси- .лителя 7

) ) + UCM -b(t).

.A

R, I

(2)

5

где U(t)

CM

b(t) выходной сигнал вспомогательного усилителя 7; напряжение смещения испытуемого ОУ 3; собственные испытуемого ОУ 3;

сопротивление резистора 1 -,

сопротивление резистора 2.

Поэтому

Цвьц OY

и.

/R, R. /

Из вьфажений (2) и- (3) видно, что для повьппения точности определения коэффициента усиления испытуемого ОУ 3, по результату измерения U, необходимо уменьшить влияние и.„ и

.СЛ1

b(t) на результаты этого измерения. Полезный сигнал U. (t) на выходе

XI

вспомогательного усилителя вид

4U, Г 1

7 имеет

U.Xt)

XI

где n

-sin 2(2n+1)f2t (4)

Сигнал UjCt)

1 7

t J,...

поступает на вход полосового фильтра 12, центральная частота которого равна f, а полоса про- пускания равна uf, , причем 0,5f2 &f, : 1,5f2. Пблосовой фильтр 12 исключает постоянную составляющую

сигнала Uy(t), равную U.

R + R-z R.

также сужает спектр шума на выходе вспомогательного усилителя, тем са- мым исключая составляющие спектра шума, частоты которых равны нечетным гармоникам управляющего сигнала двухканального фильтра 14, которые не могут быть подавлены двухканальным фильтром 14 и синхронным детектором 16.

Полосовой фильтр 12 пропускает только первую гармонику прямоугольного сигнала U (t) .

Таким образом на выходе полосового фильтра 12 формируется синусои- . дальный сигнал

Ux.t)

4U,

sin 2ir f.

Интегральное напряжение шумов на выходе полосового фильтра 12 равно

V-i..M(T7) «

«

;где fo, 1,5 f.

-61 щ

0,5 fj

-г

Сигнал Ux,,(t) усиливается усилителем

,13 переменного тока.

На выходе усилителя 13 имеем сигнал

и

xj

(О sinirf,

М

(7)

где К, - коэффициент передачи усилителя 13.

Интегральное напряжение шумов на выходе усилителя 13 равно

и

ы

l(fe/fn,

R . + R:

R,

К. (8)

где 1

Ыв

спектральная плотность белого шума; fj - сопряженная частота, определяющая точку, где характер шума меняется с флик- кер-шума на белый, Так как.полосовым фильтром 12 подавлены составляющие спектра сигнала Ux(t), частоты которых равны нечетным гармоникам управляющего сигнала, то выходное напряжение двухканально- го фильтра 14 при синусоидальном входном сигнале имеет вид

- 25

. .

35

40

U(t)

8U

1;- л|1+ LW-coJR-C - sin(no,+co)t;

30

(9)

45

где и - амплитуда синусоидального входного сигналаJ

СО - угловая частота синусоидального входного сигнала,,

сОо - угловая частота управляющего сигнала ,

R - сопротивление резистора

двухканального фильтра 14,

С - емкость конденсаторов двухканального фильтра 14. Так как из вьфажения (7) амплиту„ 4UyK, да полезного сигнала U , а

М

са сОд ,то полезный сигнал и.(д (t) на выходе двухканального

Х4

фильтра 14 имеет вид и 32K,Ux

к

(t)

-it

оо ПгО

1

2п+1

sin(2n+1)2 tr fjt (10)

55

Вклад в составляющие выходного напряжения двухканального фильтра 14 вносят только те составляющие шумов, поступающие на его вход, частоты которых расположены в узкой полосе Afj 1/2 irRC, близкой f .Поскольку f существенно превьшает uf, то

шумовой сигнал b,(t) в полосе uf

МОЖНО считать синусоидальным. Поэтому с учетом выражения получаем

8Uu -(9)

b,(t)

rll2in 2n)27,(t),

Г| 0

(11)

где Иц. - амплитуда шума b,(t) Так как эффективное значение шума Ь,(t) равно

V

Ы4

ТО

и,

где

fn. fz - if./2, f, + if,/2.

;ni

-6z

Сигнал U(t) усиливается усилителем 15 переменного тока в К раз

U,5(t)

32К,Кэих

2п+1

sin(2n+1)2 :rf-t,

(14)

Управление двухканальным фильтром 14 и синхронным детектором 16 осуществляется сигн.алом прямоугольной формы с частотой f, поступающим с выхода второго Т-триггера 9. Сигнал на выходе второго Т-триггера 9 отличается от сигнала на выходе первого Т-триггера 5 лищь временным сдвигом (it. Этот сигнал компенсирует сдвиги, вносимые, вспомогательным усилителем 7 и испытуемым ОУ 3. Временный сдвиг ut осуществляется следующим образом.

Сигнал прямоугольной формы с выхода генератора 6 поступает на одно- вибратор 10, на инвертирующем выходе одновибратора формируются импульсы, длительность которых равна &t. Эти импульсы поступают на вход второго Т-триггера 9. На выходе второго Т-триггера 9 формируется сигнал, . сдвинутый относительно сигнала на выходе первого Т-триггера 5 на величину ut.

Синхронньш детектор 16 вьщеляет двойную амплитуду сигнала (t), преобразуя ее в напряжение постоянного тока

к 5

16U,K,K тгг

(15)

Подставляя значение U из выражения

5 (15) в формулу (3), получаем

16K,K,Uon

.

Х5

/ RI + Rt

RZ /

(16)

По результату измерения измерителем 11 постоянного напряжения величин и,- вычисляется коэффициент усиления

xs

испытуемого ОУ 3

ния (16) .

с помощью выраже5

0

5

Формула изобретения

1. Устройство для измерения коэффициента усиления операционных усилителей, содержащее первый и второй масштабные резисторы, усилитель переменного тока, синхронный детектор, измеритель,постоянного напряжения, источник опорного напряжения, .модулятор, первый Т-триггер, -одновибратор, генератор, выход которого соединен с выходом первого Т-триггера и входом одновибратора, вькод первого Т-триггера соединен с управляющим входом модулятора, выход источника опорного напряжения соединен с входом модулятора,. первые выводы первого и второго масштабных резисторов соединены с первой клеммой для подключения входа объекта контроля, вторая клемма для подключения входа объекта контроля соединены с общей шиной устройства, выход усилителя переменного тока соединен с входом синхронного детектора, выход которо0 j-o соединен с входом измерителя постоянного напряжения, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что, с целью noBbmie- ния точности измерения, в него введены вспомогательный усилитель, второй

5 Т-триггер, полосовой фильтр, двух- канальный фильтр, второй усилитель переменного тока, причем первый вход вспомогательного усилителя со- единен с клеммой для подключения

0 выхода объекта контроля, второй вход вспомогательного усилителя соединен с выходом модулятора, а вькод соединен с входом полосового фильтра и с вторым вьшодом первого масштабного

5 резистора, второй вывод второго

масштабного резистора соединен с общей шиной устройства, выход полосового фильтра соединен с входом второго усилителя переменного тока, выход

1359763

которого соединен с.входом двухка-соединен с инверсным выходом однонапьного фильтра, выход которого со-вибратора, единен с входом первого усилителя переменного тока, управляющие входы 2. Устройство по п,1, о т л и двухканапьного фильтра и синхронно-ч а ю щ е е с я тем, что модулятор

го детектора соединены с выходомвыполнен по схеме с инвертированием

второго Т-триггера, вход которогопо выбору.