Аналоговое делительное устройство Советский патент 1982 года по МПК G06G7/163 

1

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах, средствах связи, измерительных комплексах и других радиоэлектронных устройствах для вычисления результата деления мгновенных значений двух входных напряжений.

Известно аналоговое делительное -устройство, основанное на принципе управления коэффициентом передачи четырехполюсника (усилителя, аттенюатора) с помощью полевых транзисторов в качестве управляемых резисторов. В этом устройстве используется тот факт, что сопротивление канала полевого транзистора имеет обратно-пропорциональную .зависимость от напряжения на затворе l.

Поскольку диапазон изменения сопротивления канала мал (3-5 раз), то делительное устройство имеет

малый динамический диапазон входного сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является аналоговое делительное устройство, содержащее два управляемых регистра, выполненных на полевых транзисторах, источники напряжений смещения, делимого и делителя, три дифференциальных усилителя, инвертиру10ющий вход первого дифференциального усилителя соединен с источником напряжения делителя и источником напряжекия смещения, неинвертирующий вход первого дифференциального уси(S лителя подключен к шине нулевого потенциала, выход первого дифференциального усилителя подключен к пер вому управляемому резистору, источник напряжения делимого подключен

20 к неинвертируняцему входу второго дифференциального усилителя, инвертирующий вход которого подключен к шине нулевого потенциала, а выход к неинвертирующему входу третьего дифференциального усилителя, инвертирующий вход третьего дифференциального усилителя через второй управляемь й регулятор подключен к пшне нулевого потенциала и через делитель напряжения - к источнику

напряжения делимого.

выход третьего дифференциального усилителя через согласующий резистор подключен к неинвертирующему входу второго дифференциального усилителя Zj.

Недостатком этого устройства является большая дополнительная погрешность от изменения напряжения смещения k Для уменьшения этой дополнительной погрешности приходится предъявлять высокие требования к стабильности источника смещения, что значителъно усложняет его. Кроме того, температурная компенсация,, обеспечиваемая дополнительным полевым транзистором, - неполная, так как он работает при нулевом смещении в отличие от основного полевого транзистора. И, наконец, положительная обратная связь, обеспечивающая большой динамический диапазон делительного устройства, осуществляется через дополнительньй операционный усилитель, в котором производится сумьшрование напряжения делимого с напряжением обратной связи. Наличие этого усилителя в петле обратной связи вносит дополнительные фазовые сдвиги и изменения амплитудно-частотной характеристики и, следовательно, снижает максимальную рабочую частоту делительного устройства и его точность.

Цель изобретения - повышение точности делительного устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в аналоговое делительное устройство, содержащее первый сумматор, первый и второй управляемые резисторы, вьшолненные на полевых транзисторах дифференциальный усилитель, первый и второй масштабные резисторы, резистор отрицательной обратной связи, источник напряжения смещения, источник напряжения делимого и источник напряжения делителя, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, второ вход которого подключен к неинвертирукщему входу дифферендиалвного усилителя и через первый маслптабный резистор - к выходу источника напряжения делимого, третий вход первого сумматора подключен к выходу источника напряжения смещения, выход первого сумматора подключен к управляклцему входу первого управляемого резистора, инвертирующий вход дифференциального усилителя через второй масштабный резистор подключен к шине нулевого потенциала и через резистор отрицательной обратной связи - к выходу дифференциального усилителя, неинвертирукяций и инвертирующий входы дифференциального усилителя через первый и второй управляемые резисторы соответственно подключены к шине нулевого потенциала, выход дифференциального усилителя является выходом устройства, введены второй сумматор и резистор положительной обратной связи, включенньм между неинвертирукнцим входом и выходом дифференциального усилителя, первый вход второго сумматора подключен к -выходу источника напряжения смещения, второй вход второго сумматора подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, а третий вход - подключен к шине нулевого потенциала, выход второго сумматора подключен к управляющему входу второго управляемого резистора.

На чертеже приведена функциональная схема аналогового делительного устройства.

Делительное устройство содержит первый управляемый резистор на полевом транзисторе 1, второй управляемый резистор на полевом транзисторе 2, первый масштабный резистор 3, второй масштабный резистор 4, резистор отрицательной обратной связи 5, резистор положительной обратной связи 6, дифференциальный усилитель 7, источник напряжения делимого В, источник напряжения делителя 9, первый сумматор 0, второй сумматор П, источник напряжения смещения 12.

Введение дополнительного сумматора приводит к тому, что первый управляемый резистор, выполненный на полевом транзисторе 2, помимо термокомпенсиру1сацих свойств приобретает свойства компенсации влияния изменения напряжения источника смещения. Кроме того, поскольку величины смещения на затворах обоих полевых транзисторов становятся при введении дополнительного сумматора одинаковыми, то компенсация температурных изменений сопротивления канала второго полевого транзистора с помощью соответствующего температурного изменения сопротивления канала первого полевого транзистора становится полной. Обесп1ечение поло жительной обратной связи без дополнительного операционного усилителя повышает точность работы и расширяет частотный диапазон делительного устройства из-за уменьшения неравномерности амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик в канал обратной связи. В качестве управляемых резисторо могут быть использованы транзисторы не только с р-каналом, но также и с п-канапом, а также любые транзисторы типа ЩП. В делительном устройстве резисторы 3 и 4, 5 и 6 попа но равны.Сток транзистора соедине с инвертирующим входом, а сток тран зистора 2-е неинвертирующим входо усилителя 7. Истоки обоих транзисторов соединены с шиной нулевого по тенциала. Неинвертируюищи вход операционного усилителя 7 соединен через резистор 3 с источником В напря жения (IL ) делимого, а инвертируюищй вход усилителя 7 через резистор 4 соединен с шиной нулевого потенци ала, инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя 7 соединены через резисторы 5 и 6 соответственно с выходом усилителя 7. Выход усилителя 7 является выходом делительного устройства. Напряжение и снимается с источника 9 напряжения делителя. Полевые транзисторы 1 и 2 используются в режиме управляемых резисторов, когда проводимость канала (сток-исток) представляет собой функцию управляющего напряжения затвор-исток. Параметры транзисторов 1 и 2 одинаковы. Затворы транзисторов 1 и 2 соединены с выходами сумматоров 10 и 11, которые формируют управляющие напряжения транзисторов 1 и 2. Первый вход сумматора 11 и третий вход сумматора 10 соединены с источником 12 напряжения смещения. Вторые входы сумматоров 10 и 11 соединены со стоками транзисторов 1 и 2. Первый вход сумматора 10 соединен с источником 9 напряжения делителя, а третий вход сумматора 10 - с шиной нулевого потенциала. Все источники несимметричные, т.е. вторые зажимы их соединены с шиной нулевого потенциала. Все напряжения в схеме отсчитываются относительно шины нулевого потенциала. Аналоговое делительное устройство работает следующим образом. Поскольку все элементы делительного устройства используются в линейном режиме, то число входных переменных можно сократить, если описывать работу делительного устройства его коэффициентом передачи Uv, Ё; где t масштабный коэффициент, имеющий размерность (вольт); (Jy - выходное напряжение делителя. Видим, что, во-первых, коэффициент передачи является функцией одного напряжения U.(, следовательно, цепь параметрическая и, во-вторых, обратный коэффициент передачи К 1/К должен быть прямопропорционален напряжению делителя п, т.е. K i-JПокажем, что описываемая схема удолетворяет соотношению II и, следовательдю, выполняет функции делительного устройства. Предварительно выишем соотношения, описывающие рабоу сумматоров и полевых транзистоов. Сумматор 11 формирует напряжеие (ti ) затвор-исток транзистора jui , равное и..,...и.и 1 C де k ,k. ,Ц - коэффициенты передач сумматора I1 с соответствукяцего входа на выход} Е - напряжение источни ка 12 смещения, и - напряжение сток-исток транзистора 1 . Аналогично сумматор 10 формирует апряжение (U... ) затвор-исток транистора 2, равное и. У 78 где напряжение сток-исток транзистора 2, а коэффициенты передач k , k и k обоих сумматоров одинаковы. Проводимость (J) канала полевого транзистора с управляницим рп-переходом в омической области является произведением трех сомножителейV (..о)Сг/То)Ф %v.Ue,G,,toT,)F(T|To)t- температура полевого транзистора, G.JOTJпроводимость канала полевого транзистора при VO . F() безразмерная функция, определяющая температур ную зависимость проводи мости канала безмерная функция, опре делающая зависимость про водимости канала полево го транзистора от напря жений на его электродах отс напряжение отсечки (параметр полевого транзистора) „ Заметим, что последнее слагаемое в квадратныхскобках выражения ( определяет нелинейные искажения, создаваемые полевым транзистором. Эти искажения компенсируются, если на затвор полевого транзистора к управ ляющему напряжению добавить половину напряжения сток-исток, т.е. если положить в формулах It и IV коэффициент ,5. Найдем теперь коэффициент передачи делительного устройства, опред ляемый коэффициентом передачи управ ляемого усилителя от источника 8 на выход C,(.G + ) UK .,QfcVC,, где G ,G.,G ,G.,аи Gg-проводимост резисторов 1-6 соответ ственно. Положив в VI , Gg.G, получим выражение для обратного коэффициента передачи Gg.Gl . К Слъ Учитывая, что в практических хемах ()«G, получим приблиенное выражение для К k - 5 ( Л Раскрыв G. и G« на основании V с учетом III и IV и положив ,5, получим точное и приближенное значение ля К К-- -К UoTc- EcwHUoTC ,(0,Tb)1(T/To) К-5, fb-b УОТС- ЕСМ) Следовательно, масштабный коэффициент зависит от напряжения смещения(UoTc-1«iEcM) Это обстоятельство позволяет подбирать масштабный коэффициент делительного устройства при настройке изменением смещения. Точное выражение IX показывает, что описываемое устройство выполняет операцию деления с масштабным коэффициентом I, зависящим от смещения и в меньшей степени от температуры V CM iToXUxJU;(a II iCUcTC ., )Г(Т/То) Ни смещение, ни температура не меняют выполняемой функции: выходное напряжение всегда обратно пропорционально напряжению делителя и прямо пропорционально (вследствие линейности схемы) напряжению делимого. Изменяется только масштабный коэффшщент. Применение предложенного делительного устройства позволит повысить точность аналоговых вычислительных комплексов в интервале температур О - (+50)с до 1-2% при динамическом диапазоне делительного устройства 1)|,,у 50-100. При этом не требуется эталонного источника смещения, так как вместо него можно использовать стабилизированное напряжение пита