Операционный усилитель Советский патент 1980 года по МПК G06G7/12 

(54) ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Изобретение относится к автоматике вычислительной технике и может найти пр1менение в аналоговых вычислительны машинах. Известны схемы многокаскадных orie- ратшонных усилителей, в которых для обе печения устойчивости вводят последовательные корректирующие цепи. Один из известных усилителей содержит усилительный каскад с цепью обратной связи и входной цепью,- которая выполнена из последовательно включенных элемента с частотно, зависящим коэффициентом передачи, ключа и масштабного резистор1а, Причем между шиной нулевого потенциала и входом первого ключа, включена дополнительно последовательная цепочка из второго ключа и масштаб ного резистора flT . Другой известный усилитель содержит дополнительно развязывающий трансформатор и полевой транзистор для исключения взаимного влияния корректирующих прюпорциональной, интегрирующей и яиф ференцирующей цепей. Примем в усилителе операции интегрирования и пропорционального преобразования осуществляются находящимися в обратной связи цепочками, а дифференцирование осуществляется включeниe в прямую цепь операционногоусилителя развязывающего трансформатора и полевого транзистора Недостатками указанных операционных усилителей является сложность осуществления коррекции и невысокое быстродействие. Наиболее близким по принципу действия на большом сигнале является операционный усилитель, который содержит дифференциальный каскад с нелинейной зависимостью выходного напряжения от входного, выходной усилитель, корректирующий конденсатор, связанный со входом выходного усилителя и первым выводом корректирующего резистора, причем второй вывод корретстйрующего резистора соединен с общей шиной -йсто.чника питания . Недостаток этого усилителя состоит в том, что он имеет невысокое быстродействие на большом сигнале. Последнее обусловлено ограничешем входного напряжения.дифференциального каскада. Целью изобретения является повышение быстродействия операционного усилителя. Поставленная цель достигается тем, что операционный усилитель дополнительгно содержит корректирующий оптрон твгпа светодиод-фоторезистор к вьтрямительГ входы которого соединены с входами дифференциального усилительного каскада, а выход подключен к светодиоду корректирую щего оптрона, фоторезистор которого включён между входом выходного усилителя ивыходом дифференциального усипительно о каскада, который соединен с другим выводом корректирующего резистора. На фиг. 1 приведена схема операционного усилителя: на фиг. 2 - его логари4 мйческие амплитудно-частотные характеристики. Операционный усилитель (фиг. 1) содержит дифференциальный усилительный . каскад 1, выходной усилитель 2, корректирующий конденсатор 3, связанный со входом усилителя 2 и первым выводом корректирующего резистора 4, корректирующий оптрон 5 и выпрямитель 6, Второй вывод резистора 4 подключен к выходу дифференциального каскада 1. Па раллельно резистору 4 вк/аочен приемник света 7 корректируюшето оптрона 5. Источник света - светодйод оптрона 5 присоединен к выходу вьшрямителя 6 входного сигнала. Входы выпрямителя 6 соединены со входами дифференциального каскада 1. Амплитудно-частотная характеристика нескорректированнсэго усилителя приведена под номером 1 (фиг. 2). Кривая 5 соответствует малосигнальной амплитудно частотной характеристике скорректированного усилителя, Кривые iu и W показ вают деформацию линеаризованной амплитудно-частотной характеристики усилител при различных амплитудах входного сигнала. Многокаскадный усилитель при отсут ствии элементов частотной коррекции име ет амплитудно-частотную характеристику показанную под номером 1. Цля обеспе.чения усггойчивостн усилителя вводят кор ректирующие цепи-конденсатор 3 и рези ор 4. При этом малосигнальная амплитудо-частотная характеристика смещается лево, а верхняя граничная частота усималого сигнала i принимают ителя для начение При выводе формулы (1) принято, что входное сопротивление выходного усилителя 2 велико, а выходное сопротивление дифференциального каскада 1 мало. Дифференциальный каскад 1 представляет собойнелинейное звено с характеристикой Ug, (иа){),имеющей ограничение. Напряжение ограничения U/j обычно не велик о (lilts О-60 мВ). Угол наклона кривой иgf,(UQx) определяется коэффициентом усиления каскада 1 для малого сигнала. Нелинейность входного каскада основная причина невысокого быстродействия. Если усилитель работает в пределах линейного участка характеристики ивыч(),то его логарифмическая амплитудно-частотная характеристика соответствует кривойЖфнг.2). При этом быстродействие усилителя максимально, поскольку частота среза его амплитуавочастотной характеристики имеет наибольJ о / шее значение (площадь усилешгя максимальная), В этом режиме напряжение на выходе выпрямите;ю 6 отсутствует, ток через светодйод 8 оптрона 5 мал, а сопротивление фоторезистора 7 оптрона 5 во много раз превышает сопротивление корректирующего резистора 4, Следовательно, на малосигнальную амплитудно-частотную характеристику усилителя элементы 5 и б не оказывают влияния. При малых приращениях Ug tусилитель работает обычным образом. Если входное напряжение, превышает напряжение ограничения дифференциального каскада 1 U-j , то его усилительные свойства описывают с помощью коэффициента гармонической линеаризации Ч(А/и,(/и,,),; где Л - амплитуда входного напряжения UBX Коэффициент q,) для рассматриваемой нелинейности уменьшается с увеличением UBX причем график этой функщш :|.(.A/Uj)f ()annpoKcHMHpoBaH гипербо- лой. . Таким образом, для большого сигнала дифференциальный каскад 1 заменяют линеаризованным дифференциальным каскадо коэффи1шент передачи которого q, (А /Ll) обратно пропорционально зависит от ампл туды входного напряжения А. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика усилителя с увеличением сигнала смещается вниз. Причем пр логарифмическом масштабе по оси К/ смещение пропорционально амплитуде вхо ного найряжения (фиг, 2). Из графиков видно, что с увеличением сигнала, уменьшается частота среза ср амплитудно-частотной характеристики уси лителя и площадь его усиления. Это отрицательно сказывается на основных параметрах переходного процесса, ко торые тем лучше, чем выше частота сре за. В усилителе улучшение динамических параметров достигается за счет перемещения вправо опустившейся под действие сигнала логарифмической амплитудно-частотной характеристики линеаризованного 5гсилителя. Например, если кривую § ил IV переместить до совпадения с малосигнальной частотной характеристикой J то площадь усиления и Р усилителя на болыиом сигнале не уменьшатся и им«от такие значения, как и при малых приращениях входного напряжения. Следовательно, максимальная скорость нарастания выходного сигнала усилителя со смещенной логарифмической амплитудночастотной характеристикой не хуже, чем для кривой 1. Таким образом, степень смещения логарифмической амплитудно-частотной характеристики вправо разная при разных Uftx;TeM амплитудах Ug, . Чем вьаие больше изменяется постоянная времени усилителя. В предлагаемом усилителе постоянная времени изменяется за счет изменения прямо пропорционально модулю U g)( проводимости фоторезистора 7 оптрона 5. Выпрямитель б преобразует модуль входного напряжения в ток светодиода 8 оптрона 5. Сопротивление фоторезистора 7 оптрона 5 обратно пропорционально току светодиода 8, и следовательно,обратно пропорционально амплитуде входного сигнала.Тахим образом, постоянная времени усилителя уменьшается с увеличением Us L При этом указанная х актеристика усилителя смещаемся вправо на столько же октав по оси част тот, на сколько (жтав произошло смещение ЭТОЙ характеристики вниз по оси заданного уровня сигнала. Так как сопротивление фоторезистора 7 оптрона 5 изменяется на несколько порядков, постоянная времени усилителя также изменяется на несколько порядков. Поэтому усилитель имеет высокое быстродействие в широком диапазоне изменения входного напряжения. Как известно, любой диодный вьтрямитель имеет зону нечувствительности в области начала координат на характеристике (Ug) . Наличие порогового напряжения и гт вьшрямителя 6 позволяет включать цепь нелинейной коррекций логарифмической амплитудно-частотной характеристики только на большом сигнале , В идеальном случае необходимо, чтобы J т.е. чтобы смещение характеристики вправо происходило только при насыщении дифференциального каскада 1. При отсутствии тока через светодиод 8 оптрона 5 сопротивление фоторезистора 7 достигает нескольких мОм. Поэтому на малом сигнале, когда выпрямитель 6 работает в пределах зоны нечувствительности, постоянная времени операционного усилителя определяется по формуле (1) На большом сигнале сопротивление фоторезистора 7 изменяется по закону нескольких преобразований полу,v.. ii-i частота среза амплитудночастотной характеристики усилителя при некотором произвольном входном напряжении U ( J частота среба при напряжении Uex-Uex4. Рассмотренный принцип повышения ыстродействия усилителя функционирует при других случаях включения коррекирующего конденсатора 3, например араллельно входному усилителю 2 фиг. 1 пунктир). Формула изобретения Операционный усилитель, содержащий фференциальный усилительный каскад.

.входы которого являются входами усилителя, вь1ходной усилитель, который входом непосредственно связан с одним выводом корректирующего резистора и через корректирующий конденсатор - с шиной нулевого потенциала, отличающийся тем, что, с цепью повышения быст родействйгя усилителя, он дополнительно содержит корректирующий оптрон типа светодиод-фоторезистор и выпрямитель входы которого соединены .с входами дифференциального усилительного каскада, а выход подкЯйчён к светоцйоду корректирующего оптрона, фоторезистор которого ёкЛЮ ёй ме:жау входом выходного усилителя и выходом дифференциаль8

ного усилительного каскада, который соединен с другим выводом корректирующего резистора.

Источники информации,, принятые «о внимание при экспертизе

с. 310-314, рис. 1а.

;

-LL

п

1

6 -OfФи.г.

X

Ч,

г-. X

. .;N

L

N

.5 .