Измерительный усилитель Советский патент 1992 года по МПК H03F3/38 

рой 20 входы измерительного усилителя, вход 21 для подачи напряжения установки среднего уровня выходного сигнала, выходы 22 и 23 измерительного усилителя, общую шину 24.

Устройство работает следующим образом.

Пусть Uig, 1)20- напряжения по отношению к общей шине 24 соответственно на входах 19 и 20; Die- напряжение источника 18 напряжения; U21 - напряжение установки среднего уровня выходного сигнала на шине 21. Номера снимаемых с шин сигналов соответствуют номерам шин, номера уп- равляющих сигналов - номерам коммутируемых ключей.

Временные диаграммы управляющих сигналов (фиг, 2) построены таким образом, чтобы-сигналы 8 и 10, а также сигналы 11 и 12 не перекрывались на фронтах для предотвращения сквозных токов между точками схемы ввиду одновременно открытых ключей, подключенных к этим точкам. Цикл работы усилителя по времени можно разделить на четыре такта: первый такт с момента to по момент t3 - заряд конденсаторов 5,6 и 7; второй - с момента гз по момент т.6- усиление входного напряжения; третий - с момента te по момент tg - заряд конденсаторов 6 и 7 напряжением противоположной полярности по сравнению с пер- вым тактом и повторный заряд конденсатора 5; четвертый - с момента tg по момент t-j2 - инверсное усиление входного напряжения (см. фиг. 2,3).

В некоторый момент времени to (фиг. 2) ключи 8,9 и 11,13,15, управляемые соответственно сигналами 8 и 11, открыты, а осталь- ные ключи закрыты. Операционный усилитель 1 охвачен глубокой отрицательной обратной связью (выход 2 замкнут накоротко с инвертирующим входом 3 через ключ 8), при этом происходит автокоррекция операционного усилителя 1 по напряжению смещения нуля на его входах. Наличие источника 18 напряжения позволяет выбором величины его напряжения задать оптимальную рабочую точку операционного усилителя 1 независимо от синфазной составляющей входного сигнала.

Конденсатор б заряжается до разности напряжения Dig - Uis, конденсатор 7 - до разности U20 - Uis, конденсатор 5 - до разности U21-U18. За такт настройки напряжение смещения нуля операционного усилителя 1 запоминается на конденсаторах 6 и 5 и в дальнейшем не влияет на точность передачи сигнала.

На выходе 2 операционного усилителя 1 при этом устанавливается напряжение, равное напряжению источника 18с точностью до напряжения смещения усилителя 1 (фиг. 3). После настройки операционного усилителя 1 в момент времени ц ключи 9, 8 и 13

5 размыкаются, но напряжение на выходе 2 усилителя 1 сохраняется, так как не происходит перезаряда конденсаторов устройства.

В момент времени t2 сигналом 10 откры0 вается ключ 10, в то же время сигнал 11 меняет полярность и управляемые им ключи 11,13 и 15 закрываются, при этом на выходе 2 усилителя 1 устанавливается напряжение, равное сумме напряжений на конденсаторе

15 5 и на инвертирующем входе 3 U2 Us+U3,

так как напряжение между инвертирующим входом 3 и неинвертирующим входом 4 различается на величину напряжения сме0 щения операционного усилителя 1, получаем

U2 U5+U4+UcM U21-(Ul8+UcM)+Ul8+UcM U21,

т.е. на выходе усилителя 1 устанавливается напряжение, равное напряжению на 5 входе 21.

В момент времени ts приходит отпирающий сигнал 14, ключи 12 и 14 открываются, и конденсаторы 6 и 7 подключаются соответственно к клеммам 20 и 19. При этом 0 происходит изменение напряжения на неинвертирующем входе 4 операционного усилителя 1 на величину

(Ui9-U2o)C7/(C7+C)-UBXC7/(C7+C)UBx(1) где С - емкость конденсатора 7; 5 С - суммарная емкость входа операционного усилителя (C«Cis).

Через конденсатор 6 на инвертирующий вход 3 операционного усилителя 1 передается заряд, равный заряду, 0 передаваемому через конденсатор

2C6UBx C5(UBWx-Ui8-UBx),(2)

где Се и Cs - емкости соответственно конденсаторов 6 и 5,

ивых - напряжение на выходе 2. 5 Из (2) получаем

(С5+2С6)/С5 +Uia.(3)

Таким образом, относительно заданного среднего уровня выходного сигнала (виртуального нуля) Die изменение выходного 0 напряжения равно

(1+2Сб/С5).(4) Когда на ключ 16 приходит отпирающий сигнал 16 (момент времени t4), напряжение (3) запоминается на внешнем конденсаторе, 5 который подключается к выходу 22, Далее в момент времени ts ключи 16 и 10 закрываются, затем в момент времени t6 открываются ключи 8,9 и 13, и процесс происходит аналогично описанному выше с той разни- цей, что теперь конденсатор 6 в режиме

настройки подключен к входу 20, а конденсатор 7 - к входу 19, а в режиме сравнения - наоборот, в момент времени tio (соответствует моменту t4) отпирается ключ 17 и запоминание полученного на выходе напряжения происходит на конденсаторе, подключенном к выходу 23, при этом величина этого напряжения по отношению к заданному среднему выходному уровню Die равна

ивых Ч1+2Сб/С5)иВх.(5)

Далее с момента ti2 процесс повторяется, причем момент ti2 соответствует моменту to.

Таким образом, в результате между выходами устройства 22 и 23 получаем разность напряжений, равную

U22-U23 2(1 +2Ce/C5)(Ui9-U2o), т.е. коэффициент передачи устройства равен

иВых/и8х 2(1+2Сб/С5).(6)

Можно показать, что в случае прототипа (где 1)) выходное напряжение равно UByx(1+C6/C5)Ui9,(7)

т.е. по сравнению с прототипом коэффициент усиления для данного устройства возрастает более чем в четыре раза при том же соотношении величины емкостей входного конденсатора и конденсатора обратной связи.

Таким образом, получаемое увеличение усиления более чем в четыре раза по сравнению с прототипом достигается за счет предварительного заряда двух конденсаторов 6 и 7 от входного сигнала в первом и третьем тактах и последующего суммирования во втором и четвертом тактах дифферен- циального входного напряжения и напряжения предварительно заряженных конденсаторов 6 и 7, а также за счет того, что после двух следующих друг за другом тактов работы устройства изменяется полярность подключения конденсаторов б и 7 во время предварительного заряда и изменяется полярность дифференциального входного сигнала, при этом одновременно производится считывание и запоминание двух разнополярных сигналов на конденсаторах нагрузки, подключенных к выходам 22 и 23, соответственно во втором и четвертом тактах работы устройства, т.е. еще одно удвоение сигнала производится за счет коммутационного инвертирования и

считывания дифференциального напряжения на выходах устройства.

Формула изобретения Измерительный усилитель, содержащий операционный усилитель, выход которого через первый ключ соединен с его инвертирующим входом и с первыми обкладками первого и второго конденсаторов, причем вторая обкладка первого конденсатора соединена с первым выводом второго ключа и через третий ключ - с выходом операционного усилителя, первый выход четвертого ключа является первым входом измерительного усилителя, второй вывод

четвертого ключа и первый вывод пятого ключа соединены с второй обкладкой второго конденсатора, источник напряжения, первый вывод которого соединен с общей шиной, причем первый и второй ключи являются нормально разомкнутыми, третий ключ нормально замкнутым, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления при постоянном отношении емкостей конденсаторов, введены

третий конденсатор и шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый ключи, причем первый вывод четвертого ключа через седьмой ключ соединен с первой обкладкой третьего конденсатора, вторая обкладка которого соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя и через шестой ключ - с вторым выводом источника напряжения, первый выводы пятого и восьмого ключей являются вторым входом измерительного усилителя, а второй вывод восьмого ключа соединен с первой обкладкой третьего конденсатора, первые выводы девятого и десятого ключей соединены с выходом операционного усилителя, а вторые выводы являются соответствующими выходами измерительного усилителя, второй вывод второго ключа является входом для подачи напряжения установки среднего уровня выходного сигнала, причем четвертый, восьмой и девятый ключи являются нормально замкнутыми, а пятый, шестой, седьмой и десятый ключи являются нормально разомкнутыми, частота включения первого, второго, третьего и шестого ключей

в два раза выше, чем частота включения остальных ключей.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве интегрального измерительного усилителя на КМОП-структурах с переключаемыми конденсаторами во вторичных преобразователях информации. Целью изобретения является повышение коэффициента усиления измерительного усилителя при постоянном отношении емкостей конденсаторов связи с входами операционного усилителя и обратной связи. Для этого в устройство, содержащее операционный усилитель, первый конденсатор, второй конденсатор, первый - пятый ключи, источник напряжения, общую шину, входИзобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве интегрального измерительного усилителя на КМОП структурах с переключаемыми конденсаторами во вторичных преобразователях информации. Цель изобретения - повышение коэффициента усиления измерительного усилителя при постоянном отношении емкостей конденсаторов связи с входами операционного усилителя и обратной связи. ную и выходную шины, введены третий конденсатор, пять ключей, шина установки среднего уровня выходного сигнала, вторые входная и выходная шины с соответствующими функциональными связями, а также применен четырехтактный цикл усиления входного сигнала. Коммутация осуществляется таким образом, что в первом такте из- мерительный усилитель запоминает входное напряжение на конденсаторах связи с входами операционного усилителя, во втором такте производится взаимное переключение конденсаторов связи, за счет чего напряжение на входах операционного усилителя удваивается, а усиленный выходной сигнал считывается на первый выход устройства, в третьем такте вновь осуществляется запоминание входного напряжения на конденсаторах связи, в четвертом такте осуществляется обратное переключение конденсаторов связи и на выходе операционного усилителя формируется сигнал противоположной относительно второго такта полярности, который считывается на второй выход устройства. 3 ил. На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема измерительного усилителя; на фиг. 2 - временные диаграммы управляющих сигналов; на фиг. 3 - временные диаграммы напряжений на выходе усилителя. Измерительный усилитель содержит операционный усилитель 1 с выходом 2, инвертирующий входом 3, неинвертирующим входом 4, первый 5, второй 6, третий 7 конденсаторы, первый - десятый ключи 8-17, источник 18 напряжения, первый 19 и втоСО с XI ю ел 4

totiitt31« 1$ ts Irtgtjtte

Фиг 1

фиг 2

to

titztyU tgtttjtstgtig I 112

... I

ю:

t

фиг.з