Операционный усилитель Советский патент 1982 года по МПК G06G7/12 

(5) ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Изобретение относится к усилитель ным устройствам и может быть использовано в аналоговых вычислительных м шинах . Известен операционный усилитель, содержащий канал усиления низких час тот с модулятором на входе, канал усиления высоких 4acTot ll. Недостатки указанного устройства состоят в малом входном сопротивлени и низком быстродействии, Наиболее близким к предлагаемому является операционный усигмтель, содержащий модулятор, усилитель переменного тока, демодулятор, усилитель постоянного тока, звено обратной свя зи, генератор импульсов и разделительные конденсаторы 2. Недостатками известного устройства являются низкое входное сопротивление, малое быстродействие и ограни ченный динамический диапазон входных сигналов. Цель изобретения - повышение быстродействия, увеличение входного сопротивления и расширение динамического диапазона входных сигналов. Поставленная цель достигается тем, что операционный усилитель, содержащий модулятор, усилитель переменного тока, де лодулятор, усилитель Постоянного тока, звено обратной связи, генератор импульсов и разделительные конденсаторы, входы модулятора являются сЬответственно первым и вторым входами операционного усилителя, первый и второй выходы модулятора через первый и второй разделительные конденсаторы соединены соответственно с первым и вторым входами усилителя переменного тока, выходы которого подключены ко входам демодулятора, управляющий вход которого соединен с выходом генератора импульсов, входы модулятора через третий и четвертый разделительные конденсаторы соедине ны соответственно с первым и вторым входами усилителя постоянного тока, выход которого является выходом операционного усилителя, выход усилителя постоянного тока через звено обратной связи подключен к одному входу модулятора, введены повторитель напряжения, амплитудный модулятор, изодромное звено и развязывающие резисторы, причем один вход модулятора соединен со входом повторителя напря жения, выход которого через первый и второй развязывающие резисторы под ключен соответственно к первому и (Второму входам усилителя переменного |тока, выход генератора импульсов соединен со входом амплитудного модуля тора , управляющий вход которого подключен к выходу повторителя напряжения, выход амплитудного модулятора соединен с управляющим входом модулятора, выход повторителя напряжения че рез третий и четвертый развязывающие резисторы подключен соответственно к первому и второму входам усилителя постоянного тока, выход демодулятора через изодромное звено:соединен со входом балансировки нуля усилителя постоянного тока. На чертеже изображена функциональ ная схема предлагаемого операционного усилителя. Усилитель содержит модулятор 1, усилитель 2 переменного тока, демо;дулятор 3 изодромное авено 4, генератор 5 импульсов, амплитудный модулятор 6, повторитель 7 напряжения, усилитель 8 постоянного тока, первый второй 10, третий 11 и четвертый 12 раздел и тельные конденсаторы, первый второй 1, третий 15 и четвертый 16 развязывающие резисторы, звено 17 об ратной связи, первый 18 и второй 19 входы и выход 20 операционного усилителя. Устройство работает следующим образом. Высокочастотные составляющие спек ра напряжения с первого входа 18 через третий разделительный конденса тор 11 поступают на вход усилителя В постоянного тока, образующего канал усиления высоких частот. Сигнал отрицательной обратной связи с выхода 20 через звено 17 отрицательной обратной связи поступает на второй вход 19. Низкочастотные составляющие спект ра входного напряжения модулируются 9 8 модулятором 1, усиливаются усилителем 2 переменного тока, демодулируются демодулятором 3 и через изодромное звено поступают на вход балансировки нуля усилителя 8 постоянно-, го тока, изменяя его выходной сигнал до тех пор, пока разность входного сигнала и сигнала обратной связи не станет равной нулю. Так как напряжения на первом 18 и втором 19 входах равны друг другу, то на выходе повторителя 7 напряжения напряжение практически равно входному напряжению. С выхода повторителя 7 напряжения сигнал поступает на управляющий вход амплитудного мо yлятopa 6, а через соответствующие |развязывающие резисторы на входы усилителя 2 переменного тока и усилителя 8 постоянного ток . Генератор 5 импульсов вырабатывает управляющие сигналы, которые поступают на управляющие входы демодулятора 3 и через амплитудный модулятор 6 на управляющие входы модулятора 1. Уровень выходных сигналов амплитудного модулятора 6 зависит от уровня входного напряжения. Увеличение уровня входного напряжения вызывает пропорциональное увеличение уровня выходных сигналов амплитудного модулятора 6, уменьшение входного напряжения приводит к уменьшению уровня на его выходе. Связь выхода повторителя 7 напряжения со входами усилителя 8 постоянного тока и усилителя 2 переменного тока обеспечивает поддержание нулевой разности напряжений на разделителвных конденсаторах . Так как в процессе работы операционного усилителя напряжения на первом 18 и втором 19 входах равны друг другу, то вход повторителя 7 напряжения может быть подключен как к первому 18, так и ко второму 19 входам. Преимущества предлагаемого операционного усилителя в сравнении с прототипом состоят в следующем. Быстродействие устройства-прототипа ограничено быстродействием канала МДМ, обязательно включающего в себя инерцисЛнное звено-фильтр низких частот, а также временем перезаряда реактивных элементов, напряжения на котСрых изме няются в зависимости от уровня входного сигнала. Для обеспечения работоспособности прототипа во всем динамическом диапазоне входных сигналов, уровень науправляющих сигналов модулятора должен быть выбран больше, чем максимально допустимый входной сигнал. Эт приводит к тому, что по входным цепя усилителя протекает значительный вхо ной ток, обусловленнь1й утечками ключевых элементов модулятора и утечкой конденсаторов канала усиления высоки ) частот. У предлагаемого операционного уси лителя наличие повторителя 7 напряже ния, выход которого связан со входами усилителя 2 переменного тока кана ла усиления низких частот , со входами усилителя 8 постоянного тока кана ла усиления высоких частот и через -следящий формирователь 6 коммутирующих импульсов с yпpaвляюlди ли входами модулятора 1 канала усиления низки с частот, обеспечивает нулевую разност напряжений на разделительных конденЬаторах 9-12 и постоянную разность напряжений на элементах модулятора 1 что повышает быстродействие операци- онного усилителя, так как при подаче скачков входного сигнала исключается перезаряд реактивных элементов операционного усилителя. Следящий режим работы реактивных элементов увеличивает запас устойчивости операционного усилителя по фазе, что позволяет ввести изодромное звено , установленное между вь1ходом канала усиления низких частот и корректирующим входом канала усиления высоких частот. Это расширяет полосу пропускания канала усиления низких частот и приводит к снижению уровня собственных шумов операционного усилителя до уровня собственных шумов усилителя канала низких частот Следящий режим работы модулятора позволяет обеспечить оптимальный режим работы ключей модулятора 1 независимо от уровня входного сигнала, ЧТО позволяет снизить входной ток операционного усилителя (повысить входное сопротивление) в широком динамическом диапазоне входных сигналов. Возможности повышения входного со противления прототипа ограничены утё кой конденсаторов, установленных на входах канала усиления низких частот и канала усиления высоких частот В П(эедлагаемом операционном усилителе сопротивление изоляции конденсаторов практически не влияет на величину входного сопротивления. Формула изобретения Операционный усилитель, содержащий модулятор, усилитель переменного ,тока, демодулятор, усилитель постоянного тока, звено обратной связи, генератор импульсов и разделительные конденсаторы, входы модулятора явля ются соответственно первым и вторым входами операционного усилителя, первый и второй выходы модулятора через первый и второй разделительные конденсаторы соединены соответственно с первым и вторым входами усилителя переменного тока,выходы которого подключены ко входам демодулятора, управляющий вход которого соединен с выходом генератора импульсов, входы модулятора через третий и четвертый разделительные конденсаторы соединены соответственно с первым и вторым входами усилителя постоянного тока, выход которого является выходом one1рационного усилителя, выход усилителя постоянного тока звено обратной связи подключен к одному входу модулятора, отличаю щийс я тем, что, с целыр ловышения быстродействия, увеличения входного сопротивления и расширения динамического диапазона входных сигналов, в него введены повторитель напряжения, амплитудный модулятор, изодромное звено и развязывающие резисторы, причем один вход модулятора соединен со входом повторителя напряжения, выход которого через первый и второй развязывающие резисторы подключен соответственно к первому и второму входам усилителя переменного тока, выход генератора импульсов соединен со входом амплитудного модулятора, управляющий вход которого подключен к выходу повторителя напряжения, выход амплитудного модулятбра соединен с управляющим входом модулятора, выход повторителя напряжения через третий и четвертый развязывающие резисторы подключен соответственно к первому и второму входам усилителя постоянного тока, выход демодулятора через изодромное звено соединен со входом балансировки йуля усилителя постоянного тока.

Источники информации, принятые во вниманиепри экспертизе 1. Лолонников Д.Е. Решающие усилители. Энергия, 1973, с. 126-127, рис. 3 109115 88

2. Судьин С.Л., Тимофеев В.Т. Усилитель сигналов низкого уровня для тензоизмерений. - Приборы и системы управления, 1978, № 1, с. , , рис. 1 (прототип).