Аналоговое запоминающее устройство Советский патент 1991 года по МПК G11C27/00 G11C27/02 

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, в частности к аналоговым запоминающим устройствам, и может быть использовано в аналого-цифровых преобразователях.

Известно аналоговое запоминающее устройство, содержащее два операционных усилителя, пять резисторов, конденсатор, два диода и аналоговый ключ.

Недостатком известного устройства является низкое быстродействие из-за необходимости выбора конденсатора хранения большой емкости. При уменьшении конденсатора хранения увеличиваются погрешности сквозного прохождения и переключения.

Известно также аналоговое запоминающее устройство, содержащее повторитель напряжения, операционный усилитель, четыре формирователя управляющих сигналов, четыре источника тока, четыре управляющих элемента, ограничительный элемент на диодах, токозадающий элемент обратной связи на резисторах, два ключевых элемента, выполненных по диодно-мо- стовой схеме, и накопительный элемент на конденсаторе,

Недостатком этого устройства является большая рассеиваемая мощность. Объясняется это тем, что источники тока сильноточного мостового диодного ключа (так же, как и слаботочного) генерируют рабочие токи на протяжении всего времени функционирования устройства. Для уменьшения рассеиваемой мощности в известном устройстве можно уменьшить ток источников тока, питающих сильноточный ключ, однако это вызовет уменьшение быстродействия при заданной погрешности переключения.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является аналоговое запоминающее устройство, содержащее повторитель напряжения, первый и второй формирователи сигналов, первый и второй управляющие элементы и ограничительный элемент на диодах, операционный усилитель, токозадающий элемент и элемент обратной связи на резисторах, ключевой элемент, выполненный по диодно-мостовой схеме, накопительный элемент на конденсаторе, генератор экспоненциальныхтоков, первый и второй отражатели тока.

Реализация в известном устройстве ис- точников тока с экспоненциальной временной зависимостью позволила, например, при сохранении на неизменном уровне точности и быстродействия значительно уменьшить мощность рассеивания данного устройства по сравнению с интеграторным аналоговым запоминающим устройством

на двух мостовых диодных ключах. Однако возможности дальнейшего существенного увеличения точности и быстродействия в известном устройстве оказываются ограниченными. Это связано с использованием в качестве предусилителя повторителя напряжения, а в качестве коммутатора - мостовых диодных ключей.

Так, наличие входного повторителя на0 пряжения при простоте его схемотехнической реализации не позволяет при необходимости увеличить крутизну передаточной характеристики тракта заряда конденсатора хранения. Данный недостаток

5 особенно отчетливо проявляется в заключительной фазе цикла выборки, когда небольшое напряжение разбаланса мостового диодного ключа (менее 60 мВ) существенно увеличивает время дозаряда конденсатора.

0 Причем возможность применения в данном случае усилителя напряжения ограничена довольно жесткими требованиями к его частотной характеристике (для минимизации вносимого дополнительного фазового сдви5 га). Наличие мостовых диодных ключей затрудняет оптимальное согласование параметров источников тока ( ит) с током с, требующимся для перезаряда конденсатора хранения. Причем даже в случае исполь0 зования экспоненциальных ит невозможно обеспечить требуемое согласование между параметрами источников тока (током т (t) и током 1С.

Так при 1Ит(т.) Ic произойдет увеличение

5 рассеиваемой мощности сверх номинального значения, а в случае Im (t) lc будет ограничено быстродействие выборки.

Решить указанные выше проблемы можно, используя вместо повторителя на0 пряжения токового предусилителя - биполярного преобразователя напряжение-ток. Цель изобретения - повышение быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что

5 в аналоговое запоминающее устройство, содержащее операционный усилитель, токозадающий элемент и элемент обратной связи на резисторах, ограничительный, первый и вторые ключевые и управляющие эле0 менты на диодах, первый и второй формирователи управляющих сигналов, первый и второй отражатели тока, накопительный элемент на конденсаторе, первый вывод которого соединен с первым выводом

5 резистора элемента обратной связи и выходом операционного усилителя и является информационным выходом устройства, второй вывод конденсатора накопительного элемента объединен с катодом диода первого и анодом диода второго ключевых элементов и подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к шине нулевого потенциала устройства, входы первого и второго формирователей управляющих сигналов являются первым и вто- рым управляющими входами устройства, а их выходы подключены соответственно к катоду диода первого и аноду второго управляющих элементов, аноды диодов первых управляющего и ключевого элементов подключены к выходу первого отражателя тока, катоды диодов вторых управляющего и ключевого элементов подключены к выходу второго отражателя тока, второй вывод резистора обратной связи подключен к первым выродам ограничительного элемента и резистЗра токозадающего элемента, второй вывод которого является информационным входом устройства, дополнительно введен биполярный преобразователь, информационный вход которого подключен к первому выводу резистора токозадающего элемента, а первый и второй информационные выходы - к информационным входам первого и второго отражателей тока соответственно, входы питания которых объединены с соответствующими входами питания биполярного преобразователя и подключены соответственно к первой и второй шинам питания устройства.

Биполярный преобразователь состоит из масштабирующего элемента на резисторе, двух элементов смещения на диодах,

двух источников тока, двух преобразовательных элементов на транзисторах соответственно n-p-п и p-n-p-типов, эмиттеры которых объединены с первым выводом резистора масштабирующего элемента, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала устройства, коллекторы транзисторов первого и второго преобразовательных элементов подключены соответственно к информационным входам соответствующих отражателей ка, база транзистора первого преобразовательного Элемента подключена к выходу первого источника тока, объединенного с анодом диода первого элемента смещения, катод которого объединен с анодом второго элемента смещения и является информационным входом биполярного преобразователя, катод диода второго элемента смещения объединен с базой транзистора второго

преобразовательного элемента и выходом второго источника тока, входы первого и второго источников тока подключены соответственно к первой и второй шинам питания устройства.

Устройство относится к аналоговым запоминающим устройствам интегрэторного типа, преимуществом которых является возможность относительно быстрой выборки с довольно малыми погрешностями запоминания.

Известны также аналоговые запоминающие устройства разомкнутого типа. Однако такие устройства, обладая хорошим

0 быстродействием, имеют относительно большие погрешности. Объясняется это отсутствием общей отрицательной связи (погрешности ключевого элемента непосредственно передаются на выход схе5 мы), а также необходимостью формировать для управления мостовым диодным ключом сигналы большой амплитуды (превышающей диапазон входных напряжений). Последнее неизбежно приводит к увеличению

0 апертурных погрешностей. Аналогичная ситуация будет и при использовании полевых транзисторов в качестве коммутатора. Причем в этом случае придется для минимизации погрешностей пролезания

5 существенно увеличивать номинал конденсатора хранения (в статье до 0,1 мкФ). что неизбежно приведет к необходимости учитывать абсорбционные эффекты в диэлектрике. Для уменьшения погрешности

0 абсорбции разработана схема компенсации на RC-элементах. Очевидно, что при этом говорить о долговременной и температурной стабильности схемы компенсации и всего устройства не приходится.

5 Предлагаемое устройство не содержит элементов, температурная зависимость параметров которых влияет на точность функционирования. Кроме того, использование биполярного преобразователя напряжение0 ток позволило достичь небольшой рассеиваемой мощности и довольно высокого быстродействия и точности. Объясняется это тем, что ток покоя биполярного преобразователя напряжение-ток абсолютно не ог5 раничивает импульсные параметры данного узла. А возможность изменять в широких пределах передаточную характеристику при перезаряде конденсатора хранения (путем выбора масштабирующего резистора) по0 зволяет оптимально сочетать быстродействие и точность с характеристиками выбранного конденсатора.

На фиг. 1 представлена функциональная схема аналогового запоминающего уст5 ройства; на фиг, 2 - возможное исполнение отражателей тока.

Устройство содержит токозадающий элемент 1 и элемент 2 обратной связи на резисторах, ограничительные элементы 3, 4 и управляющие элементы 5, 6 на диодах,

которые с помощью управляющих сигналов, формируемых в формирователях 7.8 управляющих сигналов, осуществляют закрывание и открывание диодов и ключевых элементов 9, 10, операционный усилитель 11, накопительный элемент 12 на конденсаторе, который заряжается током, формируемым в отражателях 13 и 14 тока, которые имеют информационные входы 15 и 16, выводы 17 и 18 подключения к клеммам питания, информационные выходы 19 и 20; биполярный преобразователь 21 напряжение-ток, который состоит из двух элементов 22,23 смещения на диодах, двух источников 24, 25 тока, масштабирующего элемента 26 на резисторе, задающего ток заряда, и переключающих элементов 27 и 28 на транзисторах разной проводимости.

Устройство работает следующим образом.

При переходе из режима хранения в режим выборки на первый и второй управляющие входы устройства подаются такие ТТЛ-уровни управляющих сигналов Ui и Ua, при которых элементы 3 и 4 закрыты и токи текут через диоды 10 и 11 ключевого элемента. При этом происходит заряд элемента 12, и напряжение на выходе устройства отслеживает напряжение на его входе. При изме- нении логических уровней сигналов управления Ui и Uz на противоположные происходит открывание элементов 3 и 4 и закрывание элементов 10 и 11, при этом устройство переходит в режим хранения. Выбирая величину элемента 26, можно регулировать скорость заряда элемента 12.

Имея малую погрешность выборки и не рассеивая большую мощность, так как начальные токи минимальны, а в импульсном режиме изменение тока заряда согласовано с изменением входного напряжения, устройство является более быстродействующим, чем прототип. Увеличение быстродействия происходит из-за уменьшения постоянной времени заряда конденсатора Тзар, определяемой масштабирующим резистором RM, а не RBX, как в прототипе.

Определим коэффициент Кб увеличения быстродействия устройства по сравнению с прототипом. При этом зададимся одинаковыми максимальными токами заряда конденсатора и погрешностями выборки.

Быстродействие аналогового запоминающего устройства определяется временем выборки до заданной точности. Время выборки прототипа

Схр. U вх.макс.

1выб.прот. Tln(1-|

+ RexCxpIn

макс

вх.макс

0)

0

5

0

5

0

5

0

5

0

где т- постоянная времени генератора экспоненциальных токов;

Схр - емкость хранения;

Uвх.макс. - максимальное входное напряжение аналогового запоминающего устройства;

(макс. максимальный ток генератора экспоненциальных токов;

RBX. - входное сопротивление аналогового запоминающего устройства;

pi - температурный потенциал, равный 25 мВ;

д - допустимая погрешность выборки аналогового запоминающего устройства.

Приведенное выражение показывает два цикла заряда конденсатора, которые происходят по экспоненциальному закону. Первое слагаемое определяется экспоненциальным током генератора экспоненциальных токов, а второе слагаемое определяет заряд конденсатора, когда напряжение разбалансировки Уразб. мостового диодного ключа станет меньше 60 мВ.

Время выборки предлагаемого устройства

RH Схр. , RM Схр

1вы6.устр.

К RM

К

xln(1/(5) - RM KCxP 1+ln(, (2)

где RM сопротивление масштабирующего резистора 26;

К - коэффициент умножения тока заряда, определяемый исполнением отражателей 13 и 14 тока.

В данном выражении учитывается как линейный заряд конденсатора хранения, так и экспоненциальный заряд, длительность которого определяется точностью установления выходного напряжения.

Сопротивление резистора RM для определения коэффициента Кб выбирается исходя из максимального тока заряда: Ug -К

RM

.(3)

I с.макс.

где Ug - напряжение падения на элементах 5 и 6 при максимальных входных сигналах;

1с.макс.1макс. максимальный ток заряда конденсатора хранения.

Рассчитаем коэффициент увеличения быстродейстия устройства по сравнению с прототипом.

5

КГ вь1&-про Г1Ь0ы&

усгпр Ьхр

и

вд .макс

(ЬСг-)

,-9

Подставив т 300 10 с; пФ; ивх.макс.5 .В; ма1Сс 2 10 3 A: RBX.5 кОм; 25мВ; (,001%,

RM

ид к

0,7 -4

1,4 кОм,

с.макс 2 10 получим

,3.

Таким образом, введение новых блоков и связей позволило повысить быстродействие устройства.

Формула изобретения

1. Аналоговое запоминающее устройство, содержащее операционный усилитель, токозадающий элемент и элемент обратной связи на резисторах, ограничительный и первые и вторые ключевые и управляющие элементы на диодах, первый и второй фор- мирователи управляющих сигналов, первый и второй отражатели тока, накопительный элемент на конденсаторе, первый вывод которого соединен с первым выводом резистора элемента обратной связи и выходом операционного усилителя и является информационным выходом устройства, второй вывод конденсатора накопительного элемента объединен с катодом диода первого и анодом диода второго ключевых элементов и подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвер- тирующ й вход которого подключен к шине нулевого потенциала устройства, входы первого и второго формирователей управ- ляющий сигналов являются первым и вторым управляющими входами устройства, а их выходы подключены соответственно к катоду диода первого и аноду диода второго управляющих элементов, аноды диодов первых управляющего и ключевого элементов подключены к выходу первого отражателя тока, катода диодов вторых управляющего и ключевого элементов подключены к выходу второго о гчажателя тока, второй вывод резистора эле .е обратной связи подключен к первым ВЫР. ЛЛО рези

0

5

,.

0

сторов ограничительного элемента и токо- задающего элемента, второй вывод которого является информационным входом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введен биполярный преобразователь напряжение-ток, информационный вход которого подключен к первому выводу резистора токозадающего элемента, а первый и второй информационные выходы - соответственно к информационным входам первого и второго отражателей тока, входы питания которых объединены с соответствующими входами питания биполярного преобразователя и подключены соответственно к первой и второй шинам питания устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающее- с я тем, что биполярный преобразователь напряжение-ток состоит из масштабирующего элемента на резисторе, двух элементов смещения на диодах, двух переключательных элементов на транзисторах соответственно п-р-п- и р-п-р-типов, эмиттеры которых объединены с первым выводом резистора масштабирующего элемента, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала устройства, коллекторы транзисторов первого и второго переключательных элементов подключены соответственно к информационным входам соответствующих отражателей тока, база транзистора первого переключательного элемента подключена к выходу первого источника тока, объединенного с анодом диода первого элемента смещения, катод которого объединен с анодом диода второго элемента смещения и является информационным входом биполярного преобразователя, катод диода второго элемента смещения объединен с базой транзистора второго переключательного элемента и выходом второго источника тока, входы первого и второго источников тока подключены соответственно к первой и второй шинам питания устройства.

Фиг I

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, в частности к аналоговым запоминающим устройствам, и может быть использовано в аналого-цифровых преобразователях. Цель изобретения - повышение быстродействия устройства - достигается тем, что в устройство, содержащее операционный усилитель 11, токозадающий элемент 1 и элемент 2 обратной связи на резисторах, ограничительный StodOgi 1 3, ключевые и управляющие элементы на диодах; формирователи 7, 8 управляющих сигналов, отражатели 13, 14 тока, накопительный элемент 12 на конденсаторе, дополнительно введен биполярный преобразователь 21 напряжение-ток, состоящий из масштабирующего элемента 26 на резисторе, элементов 22, 23 смещения на диодах, двух источников тока, двух переключательных элементов на транзисторах разных проводимостей. Использование биполярного преобразователя 21 напряжение-ток позволяет достичь небольшой рассеиваемой мощности и высокого быстродействия вследствие того, что ток покоя биполярного преобразователя 21 напряжение-ток не ограничивает импульсные параметры данного узла. Возможность изменять в широких пределах передаточную характеристику при перезаряде накопительного элемента 12 на конденсаторе путем выбора масштабирующего элемента 26 на резисторе позволяет оптимально сочетать быстродействие и -точность с характеристиками элемента 12. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. г О ю 00 Ю сл Strrod вы