Преобразователь среднеквадратического значения переменного напряжения в постоянное Советский патент 1992 года по МПК G01R19/02 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано, в частности, в универсальных цифровых вольтметрах.

Цель изобретения - повышение точности преобразования входного сигнала произвольной формы с большим коэффициентом амплит ды.

На чертеже приведена электрическая схема преобразователя среднеквадратического значения (GK3).

Преобразователь СКЗ содержит первый усилитель 1, вход которого соединен с выходрм формирователя 2 модуля и коллектором первого транзистора 3, а выход - с эмиттером второго 4 и третьего 5 транзисторов, коллектор последнего соединен со своей базой и эмиттером первого транзистора 3, второй усилитель б, выход которого соединен с выходной шиной и через параллельно включенные первый резистор 7 и конденсатор 8 - с его входом, а через второй резистор 9 -с входом третьего усилителя 10 и коллектором четвертого транзистора 11.

Выход третьего усилителя 10 соединен С базами второго 4 и шестого 12 транзисторов и эмиттерами четвертого 11 и пятого 13 транзисторов, база последнего соединена с базой четвертого транзистора 11, коллектором седьмого транзистора 14 и через третий резистор 15-с шиной нулевого потенциала, Коллектор пятого транзистора 13 соединен с коллектором шестого транзистора 12. базой первого транзисторэ 3 и через четвертый резистор 16 - с шиной 17 нулевого потенциала.

Эмиттеры третьего 5, шестого 12 м седьмого 14 транзисторов соединены.

Преобразователь СКЗ работает следую; щим образом.

Входное напряжение поступает на вход формирователя 2 модуля. При малом входном токе операционного усиутителя 1 выходной ток формирователя модуля пропорционален модулю входного напряжения и равен току коллектора транзистора 3. Напряжение на выходе усилители 1, охваченного обратной,связью через транзисторы 3 и 5, пропорционально удвоенному логарифму модуля входного сигнала 2 fn iUexf. Величина сопротивлений резисторов 15 и 15 мала и роль их при малых базовых токах не существенна. Напряжение на базе транзистора4 пропорционально логарифму выходного напряжения преобразователя, так как оно определяется логарифмирующим звеном (9.10 и 11), осуществляющим обратную связь. Падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора 4 пропорц аднально . разности выходных нагфяженмй логарифмических преобразователей на усилителях 1 и 1 О (2 л I Uex I - tn Uebix). а коллекторный ток транзистора 4 пропорционален exp( lUexl -fn Увых).

При достаточно большой постоянной

времени RC-цепочки, состоящей из конденсатора 8 и резистора 7, включенной в обратную саязь операционного усилителя 6, напряжение на выходе преобразователя

01 т

Увых --г / ехр (2tn t UBX t - fn UB«X) dt,

о

(1)

где Т - период изменения входного напряжения UBx(t);

Овых - среднеквадратическое значение входного напряжения UexCt).

Включение небольшой отрицательной ЭДС между низкопотенциальной шиной и базами транзисторов 3 и 11, создаваемой соответственно резисторами 16 и 15 при прохождении по ним коллекторных токов транзисторов 12, 13 и 14, приводит к изменению выходного напряжения преобразователя - напряжение на резисторе 16 приводит к увеличению выходного напряжения преобразователя, а напряжение на резисторе 15 - к уменьшению выходного напряжений преобразователя.

При преобразовании постоянного входного напряжения увеличение и спад выходного напряжения, обусловленные обратной связью, взаимно компенсируются.

При преобразовании напряжения ,. переменного тока мгновенные значения напряжений на переходах эмиттер-база и коллекторные токи транзисторов 3, 4 и 11 не равны и как следствие этой разницы увеличивается мгновенное значение отрицательного напряжения на резисторе 16, компенсирующее спад выходного напряжения при увеличени.и коэффициента амплитуды, являющейся погрешностью преобразователя.

Погрешность преобразования при любом коэффициенте амплитуды можно оценить следующим образом.

Из уравнений Эберса-Молла с учетом объемных сопротивлений базовой RB и эмиттерной RE областей падение напряжения на прямосмещенном переходе базаэмиттер UBE при условии равенства нулю напряжений на переходе коллектор-база UCB О и большого прямого смещения перехода база-эмиттер UBE Э: 3 составляет

UBE - ipr fti -д| 4- - RE 4- 4- RB (1-.

п sir -ч-

(2)

где 1с - коллекторный ток;

IEO - обратный ток насыщения перехода эмиттер-база;

-температурный потенциал;

а - статический коэффициент передачи тока в схеме с общей базой.

Соотношение (2) можно представить в следующем виде:

ивЕ В1-д|| 4-Д.(3)

1с

гдеА- ВЕ +

д Нв() (4)-падение

напряжения на объемных сопротивлениях змиттерной и базовой областях транзистоС учетом (2), (3) и (4) мгновенное значе ние напряжения на переходе база-эмитте транзистора 4 определяется выражением -I-A4UBEG4 1БО4 1сЗ оз IEOS -Ь-(с4+1с11)Rl54-2Aj-Aii где Q - отношение площади эмиттера топо логически одинаковых транзисторов 3, 4, и 11 к площади эмиттера топологически одн каковых транзисторов 12-14; 1сЗ.г4Лс11 - коллекторный ток транзи сторов 3, 4 и 11; CG, , «11 статический коэффициен передачи тока в схеме с общей базой тран зисторов 3, 4 и 11; Лз, At, Aii - обратный ток насыщени перехода эмиттер-база транзисторов 3, 4 11; 1ЕОЗ ЕОф IEOII - падение напряжени определяемое выражением (4); Ri5, Ri6- величина сопротивления рез сторов 15 и 16. Отсюда среднее значение тока колле тора транзистора 4 IE04 ЕОК 1 V. са - аи -т ей и.ах IEOJ IEOS |2/fa-A«-A - Ri5-f-(lc4-HttO I где UBMX - выходное напряжение преобр зователя СКЗ; Т - период входного напряжения; К - величина сопротивления обратн связи усилителя 6.

И погрешность преобразования напряжения периодической последовательности однополярных прямоугольных импульсов определяетря выражением

1сЗ

2 AJ-All-Д( -f-R,S+-(1с„ +1с4)

. Р)

При условии Ri5 - Rl6 выражение (7) принимает следующий вид:

,ГкЕ+Вв(1 -gl Rtsi

«зс1сз г - -П- а 0 J

(8)

2рг где 1с3скз- среднеквадратическое значение коллекторного тока транзистора 3; Ка - коэффициент амплитуды переменного напряжения. Ri6 Отсюда следует, что при -Q- RE -f RB ( 1 - g ) погрешность преобразования б « О при любом коэффициенте амплитуды, т.е. дополнительно введенные транзисторы и резисторы компенсируют погрешность преобразования, вызванную падением напряжения на объемных сопротивлениях области базы и эмиттера транзисторов. Аналогично можно определить погрешность преобразования преобразователя при других типах входных сигналов, однако при преобразовании однополярных прямоугольных импульсов погрешность наибольшая. Таким образом, предлагаемый преобразователь обеспечивает минимальные погрешности преобразования как сигналов синусоидальных, так и периодической последовательности прямоугольных импульсов с большим коэффициентом амплитуды. Формула изобретения 1. Преобразователь среднеквадратического значения переменного напряжения в постоянное, содержащий три усилителя, формирователь мрдуля, пять транзисторов, два резистора, причем вход первого усилителя соединен с выходом формирователя модуля и коллектором первого транзистора, а выход - с эмиттерами второго и третьего транзисторов, коллектор последнего соединен со своей базой и эмиттером первого транзистора, выход второго усилителя соединен с выходной клеммой и через параллельно соединенные первый резистор и конденсатор с его входом, а через второй резистор - с входом третьего усилителя и коллектором четвертого транзистораг; эмиттер которого соединен с базой второго транзистора и с выходом третьего усилителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования входного сигнала произвольной формы с большим коэффициентом амплитуды, введены шестой и седьмой транзисторы, третий и четвертый резисторы, причем переход базаэммттер шестого транзистора подсоединен параллельно переходу база-эмиттер второго транзистора, переход база-эмиттер седьмого транзистора подсоединен парал лельно переходу база-змиттер третьего транзистора, переход база-эмиттер пятого транзистора подсоединен параллельно переходу база-змиттер четвертого транзистора, коллектор седьмого транзистора соединен с базой четвертого транзистора и через третий резистор с шиной нулевого потенциала, база первого транзистора соединена с коллекторами шестого и питого транзисторов и через четвертый резистор - с шиной нулевого потенциала, коллектор второго транзистора соединен с входом ьторого усилителя.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, транзисторы размещены на общей подложке, площади переходов база-змиттер первого, второго, третьего, четвертого транзисторов а Q раз больше, чем площади переходов база-эмиттер пятого, шестого и седьмого транзисторов, а сопротивления третьего Ra и четвертого R4 резисторов удовлетворяют условию

2Qp

RE-f(1 -Q:)RB а

RE-b(1-a)RB

R4

а

где RE, Re сопротивление соответственно змиттерной и базовой области второго транзистора;

а - статический коэффициент передачи тока в схеме с общей базой второго транзистора.