Преобразователь электрического напряжения в ток Советский патент 1993 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для умножения двух сигналов.

Цель изобретения - расширение области использования за счет обеспечения преобразования двух напряжений в ток, пропорциональный их произведению в широком динамическом и частотном диапазонах.

На фиг.1 и 2 показаны примеры выполнения предлагаемого решения. На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - операционный или дифференциальный усилитель, 2 - первый биполярный транзистор, 3 - полевой транзистор, 4 - второй биполярный транзистор, 5 - переменное сопротивление, 6 - инвертор (инвертирующий каскад), 7 - нагрузка, 8 - источник питания транзисторного каскада, 9 - дополнительный источник питания Vr(t), V2(t) - первый и второй сигналы/задаваемые относительно земляной шины. 10, 11 -эмиттерные повторители, 12-сопротивление делителя напряжения, 13 - разделительный конденсатор, 14 - усилитель второго сигнала V2(t). Здесь Vn либо полюс дополнительного источника питания, либо полюс источника питания усилитель 1. Необходимо отметить, что на фиг.1 не обозначены схемы питания усилителя 1. Схемы питания усилителя 1 стандартные и указаны в справочниках по применению операционных или дифференциальных усилителей, которые зависят от типа применяемого усилит.еля. Выход усилителя 1 соединен с базой транзистора 2, эмиттер транзистора 2 соединен со стоком полевого транзистора 4, и с инвертирующим входом усилителя 1, исток полевого транзистора 4 соединен с земляной шиной, выход усилителя 1 соединен с входом инвертора 5, выход которого соединен с базой транзистора 3, эмиттер транзистора 3 соединен с одним концом переменного сопротивления - 6, другой конец которого соединен с земляной шиной, коллектор транзистора 3 соединен с одним полюсом источника питания 9, другой полюс источника питания 9 соединен со вторым концом нагрузки 7, первый конец которой соединен с земляной шиной, коллектор транзистора 2 через источник питания 8 соединен со вторым концом нагрузки 7, один сигнал Vi(t) подан на неинвертирующий вход усилителя 1, другой сигнал V2(t) подан на затвор полевого транзистора 4. На фиг.2 между выходом усилителя 1 и базой транзистора 2 включен эмиттерный повторитель 11, между выходом инвертора 5 и базой транзистора 3 включен эмиттерный повторитель- 10. На затвор транзистора 4 подано напряжение

смещения с выхода делителя напряжения - 13, на вход которого подано напряжение Vn. Сигнал V2(t) подан на вход усилителя 12, выход которого через разделительный конденсатор 14 соединен с выходом делителя 13.

Устройство работает следующим образом (см.фиг.1). Первый сигнал Vi(t) подается на неинвертирующий вход усилителя 1, а с

выхода усилителя 1 поступает на базу транзистора 2, между эмиттером которого и зем- ляной шиной включен полевой транзистор 3. Благодаря тому, что эмиттер транзистора 2 соединен с инвертирующим входом усилителя 1, обеспечивается глубокая отрицательная обратная связь и транзистор 2 открывается или закрывается таким образом, что на стоке полевого транзистора 3 поддерживается напряжение, равное Vi(t).

в результате по транзисторному каскаду, состоящему из элементов (2, 3, 7, 8) протекает ток.

25

4(0-.

RDS

(1)

где RDS - сопротивление полевого транзистора в момент времени t между стоком и истоком. Но RDS зависит от напряжения, поданного между затвором и источником VGS. Эта зависимость дается формулой 5.16, то есть

35 RDS

V

2lDS(VGS-VP)

(2)

где Vp - пороговое напряжение, IDS - ток стока при VGS - О, дп Vp и IDS являются параметрами и зависят от конкретного полевого транзистора. Тогда формула (1) с учетом (2) преобразуется в выражение

45,)(0 Vi(t)-2lDS(VGs-Vp)

vЈ

или, заменяя VGS на V2(t), получаем формулу тока

h(t) Vi(t)-2lDS-V2(t)

v2P

55 --У1Ш-11.МОХ Vp

V2P

XV2(t)(t).(3)

Таким образом, ток h(t), протекающий через элементы 2, 3, 7, 8 (см.фиг. 1 и 2), определяется формулой (3) и состоит из двух слагаемых: первое пропорционально произведению первого сигнала на второй и второго пропорционального первому сигналу. Чтобы ток 1, протекающий через нагрузку 7 и равный

1 11 + 2.

(4)

был пропорционален только произведению Vi(t)-V2(t), необходимо добавить ток г который бы был такого знака, чтобы уничтожал второе слагаемое в (3) или (4). Для этого добавляется цепь, состоящая из элементов 4, 5, 6 и 9. С помощью переменного сопротивления 5 ток подбирается ток, чтобы

l2 -- -Vi(t).

(5)

не реагирует на знак сигнала V2(t). Это выполняется для полевых транзисторов с управляющим р-п переходом и следует из того факта, что 1) сопротивление не может быть

отрицательным, 2) транзисторы с управляющим р-п переходом не должны работать при прямых смещениях (из-за нелинейности сопротивления RDS от величины V2(t) при прямых смещениях, хотя в принципе работа

возможна). Указанный недостаток устраняется для транзисторов с управляющим р-п переходом в устройстве на фиг.2. а именно смещением затвора транзистора 3 с помощью делителя напряжения, состоящего из сопротивлений 12. При этом для полевого транзистора с управляющим р-п переходом и каналом n-типа Vn должно быть отрицательным, а с каналом р-типа Vn должно быть положительным. При смещении

затвора условия (3) меняется на условие

Использование: в электроизмерительной технике для преобразования двух напряжений в ток, пропорциональный их произведению. Сущность изобретения: преобразователь содержит операционный или дифференциальный усилитель 1, биполярный транзистор 2 n-p-п или p-n-р типа, полевой транзистор 3, биполярный транзистор 4 противоположного типа проводимости, переменный оезистоо 5. инвертор б, нагрузку 7, источники питания 8,9, эмиттер- ные повторители 10, 11, делитель напряжения 12, разделительный конденсатор 13, усилитель 14. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Рассматривая цепь: выход усилителя, элементы 6, 4,5 следует, что

-тг1

перемен.

(б)

где Влерем. - величина переменного сопротивления 5.

Из (5) и (6) следует, что второе слагаемое уничтожается при

перемен

2 IDS

(7)

В случае выполнения условия (7) величина тока, протекающего через нагрузку (7), определяется как

(t)IV2(t)l, Vi(t)ol

VЈ

0,

Vi(t)0j

(8)

При этом предполагается, что V2(t) 0 для полевого транзистора с р-п переходом и каналом n-типа и /2(t) 0 с каналом р-типа.

Из выражения (8) следует, что устройство на фиг. 1 реагирует только на положитель- ные составляющие сигнала Vi(t). При изменении типа транзисторов 2 и 4 на противоположные и включении источников питания 8 и 9 на противоположные (фиг.1 и фиг.2) устройства будут реагировать только на отрицательную составляющую сигнала. Направление тока 1 определяется полярностью включения источника питания 8. Недостатком устройства, показанного на фиг.1, который устраняется, является то, что ток 1

2 IDS

( Vp - VCM )2 2 IDS

( VP - VCM ) а условие (7) на

Vi (t ) V2 (t ) - Vi(t)(3)1

30

R- I Vp VcM .

Нперем - I -2 |DS--

(7)1

a VCM напряжение, на которое смещается затвор полевого транзистора. Тогда величина тока, протекающего по нагрузке - 7 (фиг,2), определяется при соблюдении (71), т.е. при компенсации протекающего через нагрузку тока при Va(t) 0 из выражения

l 2 DS K „ Vi(t)V2(t) Vi(t)0

(VP-VCM)2

45

Vi(t)0, (19)

где К т коэффициент усиления усилителя 14. При выводе выражения (9) предлагалось, что величина емкости 13 очень большая. Из (9) следует, что устройство уже

0 реагирует на величину знака V2(t). Эмиттер- ный повторитель 10 и 11 (см.фиг 2) включены в схему в том случае, когда через транзисторы 2 и (или) 4 должны протекать большие токи, т.е. когда мощности усилителя не хва5 тает для управления транзисторными каскадами.

Устройство, изображенное на фиг.2, работает аналогично устройству на фиг. 1. Следует отметить, что частотный диапазон, в котором работает устройство, простирается

от постоянных токов и до самых высоких частот, до которых может работать усилитель. От постоянных токов до относительно низких частот (несколько мегагерц) в устройство применяется операционный усили- тель. На высоких частотах, где не работает операционный усилитель следует применять дифференциальный усилитель.

Из сказанного видно, что по сравнению с устройством прототипом заявляемого уст- ройство способно в широком динамическом и частотном диапазоне перемножаться два сигнала и преобразовывать результат в протекающий по нагрузке ток. Заявленное устройство позволяет осуществлять моду- ляцию одного сигнала другим, а также детектирование промодулированного сигнала в широком частотном диапазоне.

Формула изобретения 1. Преобразователь электрического напряжения в ток, содержащий операционный или дифференциальный усилитель, первый биполярный транзистор p-n-р- или n-p-n-типа, источник питания, неинверти- рующий вход усилителя соединен с первой входной клеммой устройства, инвертирующий вход усилителя соединен с эмиттером первого биполярного транзистора, коллектор которого через источник питания соеди- нен с выходной клеммой устройства и первым выводом нагрузки, второй вывод которой и первый вывод резистора соединены с общей шиной устройства,.о тличающи

5

0 5 0

5

и с я тем, что, с целью расширения области использования за счет обеспечения преобразования двух напряжений в ток, пропорциональный их произведению, в широком динамическом и частотном диапазонах, введены второй биполярный транзистор с типом проводимости, противоположным проводимости первого биполярного транзистора, полевой транзистор, дополнительный источник питания, инвертор, резистор выполнен переменным, причем эмиттер первого биполярного транзистора соединен со стоком полевого транзистора, исток которого соединен с общей шиной устройства, а затвор соединен с второй входной клеммой устройства, выход усилителя соединен с базой первого биполярного транзистора и через инвертор с базой второго биполярного транзистора, эмиттер которого соединен с вторым выводом переменного резистора, а коллектор через второй источник питания соединен с выходной клеммой устройства.

3. Преобразователь по п, 1 и 2, о т л и- чающийся тем, что выходы усилителя и инвертора соединены соответственно с базами первого и второго биполярных транзисторов через эмиттерные повторители.