Линейный преобразователь действующего значения переменного напряжения Советский патент 1989 года по МПК G01R19/02 

О5

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Преобразователь содержит усилители 1 и 11 разбаланса, инвертирующие усилители 5 и 14, полевые транзисторы 3, 4 и 12, фильтры 2 и 9 нижних частот, резисторы 6 и 8 и источник 13 опорного напряжения. Введение в преобразователь полевого транзистора 15 и инвертирующего усилителя 16 с соответствующими функциональными связями обеспечивает компенсацию погрешностей, обусловленных влиянием постоянной составляющей проводимости канала полевого транзистора 4, а также зависимостью проводимости каналов полевых транзисторов 3, 4, 12 и 15 от напряжений на их стоках, что расширяет динамический диапазон преобразователя и повышает точность преобразования. Преимуществом преоразователя является возможность преобразования сигналов, имеющих постоянную составляющую, а также сигналов с большим значением коэффициента амплитуды. 1 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в аналоговых и цифровых вольтметрах переменного напряжения, а также в информационно-измерительных системах.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона и повышение точности преобразования.

На чертеже изображена электрическая схема линейного преобразователя действующего значения напряжения.

Линейный преобразователь действующего значения переменного напряжения содержит усилитель 1 , разбаланса, выход которого соединен с входом фильтра 2 нижних частот и с затворами полевых транзисторов 3 и 4, истоки которых подключены соответственно к входу усилителя 1 разбаланса и входу инвертирующего усилителя 5, резистор 6, один вывод которого соединен со стоком полевого транзистора 4 и с входной Шиной 7 преобразователя, а другой подключен к истоку полевого транзистора 3, резистор 8, один вывод которого присоединен к входу инвертирующего усилителя 5, а другой соединен с его выходом и вхп - дом фильтра 9 нижних частот, к выходу которого подключен сток полевого транзистора 3, соедине}шый с выходной ишной 10 преобразователя, усилитель П разбаланса, выход которого подключен к затвору полевого транзистора 12, а ei o первьй и второй входы соединены соответственно с выходом фильтра 2 нижнIiX частот и выходом источника 13 опорного напряжения.

Преобразователь также содержит инвертирующий усилитель 14, полевой тргнзистор 15 и инвертирующиз1 усилитель 16. Сток полевого транзистора 15 соединен со стоком полевого транзистора 4, затвор - с выходом фильтра 2 нижних частот, а исток через инвертирующий усилитель 16 связан с истоком полевого транзистора 4, Вход инвертирующего усилителя 14 соединен с истоком полевого транзистора 12, а его выход подключен к истоку полевого транзистора 3, к стоку которого при соединен сток полевого транзистора 12

Преобразователь работает следующим образом.

На вход усилителя 1 разбаланса через сопротивление канала полевого транзистора 3 и параллельно соедине.н0

5

0

ное с ним сопротивление канала полевого транзистора 12 и инвертирующий усилитель 14 с выхода фильтра 9 нижних частот поступает выходное напряжение преобразователя. На этот же вход усилителя 1 разбаланса через резистор 6 подается входное напряжение Ug(t). Выходное напряжение усилителя 1 разбаланса вызывает модуляцию сопротивления канала полевого транзистора 3 и одновременно изменяет сопротивление канала полевого транзистора 4,

Связь величины модуляции сопротивления канала полевого транзистора 3 с величинами входного напряжения Ugj(t) и выходного напряжения U g, преобразоватрля определяется уравнением:

5

0

5

0

UBx(t) G - и.

G,,+

и,

где

и G

G.

2

ВИ« 2 - ВИх 3 - О ,

(1)

- проводимость каналов полевых транзисторов 3 и 12 соответственно ;

- проводимость резистора 6.

При этом цепь, образованная усилителями 1 и 11 разбаланса, полевым транзистором 12, фильтром 2 нижних частот и источником 13 опорного напряжения, обеспечивает слежение за дрейфом нулевого уровня усилителя 1 разбаланса. Эта дбпь, кроме того, обеспечивает установку начального значения сопротивления канала полевого транзистора 12.

Из уравнения (l) следует, что

r,j G , G

Uex(.t)

и;ь«х

(2)

5

0

Ток стока полевого транзистора в режиме управляемой проводимости описывается следукяцим уравнением:

3/2 /,, . ,, 311

- -нт

Uc2 3

V,-(V,

и

1/2 3с

.

(3)

где RO - сопротивление канала полевого транзистора при U с

О, и

0;

и с - напряжение сток-исток; Из - напряжение затвор-исток; Ujp- напряжение отсечки.

Рйзлагая это выражение в ряд и ог раничиваясь величинами второй степени малости для проводимости G канала полевого транзистора, получают вьфажение:

G G.

-R;/ -4- ;)

с„(1 где

0 - проводимость канала полевого транзистора при

Uc .

Первые два слагаемых в скобках не зависят от напряжения на стоке поле вого транзистора, и поэтому уравнение (4) для полевого транзистора 3 можно записать в ввде:

G G.d-c/- - /iUj где о yUj/Ujo ,

/5 l/2-.Vu j-U

Jo

Так как на вход инвертирующего усилителя 5 через канал полевого транзистора 4 и через последовательно соединенные канал полевого транзистора I5 и инвертирующий усилитель 16 поступает входное напряжение Uj (t), то на выходе усилителя 5 имеет место напряжение 1), величина которого определяется из следующего уравнения:

и.

Ugjt)

CG,- G,,J

. G,/l -, -,U,,)- 8

-G,5( -,,r Uc,)J,

де G,G|

и G

fj

Uc4 и и,„

-проводимость канала полевого тран- зистора 4, резистора 8 и канала полевого транзистора

15 соответственно;

-напряжение сток- исток- полевых тран

зисторов 4 и 15 соответственно;Проводимость канала пиленого транзистора 4 при напряжениях сток-исток и затвор-исток,

15

20

10

1/5 и и

равных и

зч 0;

сч

О и

5

15

И

Коэффициенты о d для полевых транзисторов, 4 и 15 соответственно. Параметры полевых транзисторов 3, 4,12 и 15 выбирают идентичными, поэтому Gj G, G ,20 f fi-o О, /j « 4 fl( |5 e, fi И /3., /34 /3,2. /3,j /0 модуляции каналов полевых транзисторов 12 и 15 отсутствует, т.е.

,.

s

0, так как нап

25

ряжение на их затворы поступает через фильтр 2 нижних частот. С учетом этого напряжение U на выходе усилителя 5 равно:

(t)

„ UB.(t) г, Ue,(t}

и,( .

+ ( U,+ и,„ - Ue,,). (7)

Напряжение на стоках полевых транзисторов 3 и 12, 4 и 15 попарно равны, поэтому они компенсируются. После усреднения напряжения Uj фильтром 9 нижних частот на выходе преобразователя будет напряжение, равное

40

45

U.UX- к -L U(t).dt , (9)

50

55

т.е. вьгходное напряжение преобразователя пропорционально действующему значению входного напряжения.

При этом дополнительно введенные полевой транзистор 15 и инвертирующий усилитель 16, обеспечивающий изменение фазы компенсирующего сигнала формируемого с помощью полевого транзистора 15, и его подачу на вход усилителя 5 осуществляют компенсацию погрешности, вызванной влиянием постоянной составляющей про

водимости канала полевого транзистора А , а также компенсацию погрешности, обусловленной зависимостью проводимости канала полевого транзистора А от напряжения на его стоке. Одновременно с этим изменение последовательности включения инвертирующего усилителя 1А и полевого транзистора 12 обеспечивает синфазную подачу на стоки полевых транзисторов 3 и 12. напряжения с выхода фильтра 9 низших частот и позволяет осуществить компенсацию погрешности, обусловленной зависимостью проводимости каналов полевых транзисторов 3 и 12 от напряжения на их стоках. За счет этого в выходном напряжении усилителя 5 отсутствуют составляющие, которые обуславливают появление погрешностей свя занных а зависимостью проводимости каналов полевых транзисторов от напряжений на их стоках, а также с влиянием постоянной составляющей проводимости канала полевого транзистора А, что расширяет динамический диапазон и повышает точность преобразования предлагаемого преобразователя по сравнению с известным преобразователем. Кроме того, за счет отсутствия на выходе усилителя 5 переменной составляющей основной Частоты входного напряжения Uj (t) значительно облегчаются требования к фильтру 9 низших частот, который можно рассчитывать на подавление напряжения второй гармоники, к тому же значительно меньшей амплитуды. Благодаря тому, что на вход фильтра 9 низших частот поступает сигнал без указанных дополнительных составляющих, предлагаемый преобразователь может быть также использован для преобразования входных сигналов, имеющих постоянную

составляющую. В то же время больший

по сравнению с известным преобразователем динамический диапазон, обусловленный независимостью проводимости каналов полевых транзисторов от напряжения на их стоках, обеспечивает возможность преобразования сигналов, имевших большой коэффициент К амплитуды .

0

5

п 5

3

0

5

0

0

Формула изобретения

Линейный преобразователь действующего значения переменного напряжения, содержащий первый усилитель разбаланса, выход которого соединен с входом первого фильтра нижних частот и объединенными затворами первого и второго полевых транзисторов, истоки которых подключены к входу первого усилителя разбаланса и к входу первого инвертирующего усилителя соответственно, первый резистор, первый вьшод которого соединен со стоком второго полевого транзистора и с входной шиной преобразователя, а второй вывод подключен к истоку первого полевого транзистора, второй резистор, первый вывод которого соединен с входом первого инвертирующего усилителя, а второй вывод подключен к его выходу и входу второго фильтра нижних частот, выход которого соединен со стоком первого полевого транзистора и выходной шиной преобразователя, второй усилитель разбаланса, первый вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, второй вход присоединен к выходу источника опорного напряжения, а выход подключен к затвору третьего полевого транзистора, и второй инвертирующий усилитель, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона и повьш1ения точности преобразования, в него дополнительно введены четвертый полевой транзистор и третий инвертирующий усилитель, причем сток четвертого полевого транзистора соединен со стоком второго полевого транзистора, затвор присоединен к выходу первого фильтра нижних частот, а исток подключен к входу третьего инвертирующего усилителя, выход которого соединен с истоком второго полевого транзистора, сток третьего полевого транзистора подключен к стоку первого полевого транзистора, а исток соединен с входом второго инвертирующего усилителя, выход которого подключен к истоку третьего полевого транзистора.