Устройство для выделения модуля Советский патент 1982 года по МПК G06G7/12 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ

1

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, в ча-стности к устройствам для вычисления модуля (абсолютного значения), т.е. функции вида , представленной в форме электрического сигнала, и может быть использовано в умножителях частоты, квадраторах и прочих функциональных преобразователях, перёмножителях аналоговых сигналов, вычислительных модулях многомерных функций, а также в измерительной технике двухполупериодного выпрямителя.

Известны устройства для выделения модуля, содержащие операционные усилители, диоды и резисторы, построенные по типу коммутации цепей прохождения входного сигнала в зависимости от его полярности на инвертирующий или на неинвертирующий входы дифференциального операционного усилителя Г 1 Ъ

Для уменьшения погрешностей, вно-. симых элементами коммутации (диода и), В таких устройствах обычно применяют либо цепи типа прецизионный диод, либо цепи компенсации погрешности, содержащие диод,,однотипный с коммутирующим.

При использовании цепи прецизион ный диод устройство для выделения модуля получается слишком сложным, и относительно медленнодействующим, так как обычно содержит два операционных усилителя, причем один из них работает как в линейном, так и в переключ ющем режимах, что неблагоприятно для быстродействия.

Устройства же с одним операционным усилителем, как правило, либо не имеют провода, общего для входного и выходного сигналов, либо обладают неодинаковыми и высокими выходными сопротивлениями для разнополярных входных сигналов.

В устройствах для выделения модуля, использующих принцип компенсации погрешностей, условия компенсации либо неодинаковы для инвертирующей и неинвертирующеи цепей прохождения .сигнала, либо зависят от нагрузки. Кроме того, погрешности известных устройств для выделения модуля содержат составляющую, возникающую из-за неодинаковости проводимостей, подключенных к входам дифференциальных операционных усилителей. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устрой ство для выделения модуля, содержащее дифференциальный,усилитель, два коммутирующих диода, компенсирующий диод и пять масштабных резисторов, р-азноименные электроды коммутирующих .диодов объединены и являются входом устройства, вторые электроды подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального усилителя и соответственно к первым выводам третьего и. четвертого масштабных резисторов, вторые выводы которых подключены шине нулевого потенциала, в цепь отрицательной обратной связи дифференциального усилителя включены последова тельно соединенные пятый масштабный .резистор и компенсирующий диод, выход дифференциального усилителя является выходом устройства 2.. Недостатками прототипа являются низкие точность, надежность и быстродействие, а также высокий уровень собственных шумов. Все составляющие, складываясь, делают погрешность формирователя мод ля неприемлемо .высокой. Кроме того, схема прототипа не допускает использования более совершенных чем прямосмещенные р-п переходы, коммутирующих элементов. В ча стности, обратносмещенные эммитерные р-п переходы интегральных транзисторов, обладающие более резким изломом вольтамперной характеристики и лучшей температурной стабильностью, нельзя использовать из-за невозможности компенсации их относи тельно большего (несколько вольт) напряжения открывания. Другой недостаток известного устройства - высокий уровень собственных шумов. В окрестностях нуля вхоиного сигнала, когда все диоды заперты и цепь отрицательной обратной связи практически разомкнута, операционный усилитель усиливает св собственные шумы. Кроме того, каждь1 запертый ДИОД также является источником шумового тока, быстро возрастающего с повышением температуры. Сумма указанных токов также приложена к входу усилителя, В результатеуровень шумов на выходе оказывается неприемлемо высоким, что сильно сокращает область применения известного устройства. Шумы операдионного-усилителя содержат составляющую вида 1/f, определяющую временной дрейф усилителя, то есть напряжение смещения .нуля с течением времени может изменяться по величине и менять знак. При анализе погрешностей указывалось, что это может привести к резкому возрастанию погрешности формирователя, то есть к отказу, что свидетельствует о недостаточной надежности известного формирователя модуля. Прототип характеризуется быстродействием. Выше указывалось, что сопротивление диодов в окрестности, нуля входного сигнала увеличивается на несколько порядков. На столько же увеличивается постоянная времени цепи обратной связи операционного усилителя и, следовательно, полоса пропускания .частотной характеристики известного устройства резко сокращается, а быстродействие ухудшается. Кроме того, возможность режима насыщения операционного усилителя, характерная для известного формирователя, может привести к дополнительной задержке сигнала на время, требующееся для переключения усилителя в линейный режим. Цель изобретения - повышение точности, надежности и быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для выделения модуля, содержащее дифференциальный усилитель, первый и второй коммутирующие диоды, компенсирующий диод и пять масштабных резисторов, один электрод первого коммутирующего диода является входом устройства, а другой электрод через первый масштабный резистор подключен к первому выводу второго масштабного резистора и к неинвертирущему входу дифференциального усижтеля, первый вывод третьего масштабного резистора подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, выход кото5рого является выходом устройства, вторые выводы второго и третьего ма штабных резисторов объединены,введен источник опорного напряжения, один электрод второго коммутирующего диода подключен к шине первого потенциала, а другой электрод подключен к первому выводу первого мас штабного резистора, причем первый и второй коммутирующие диоды включены встречно, один электрод компенсирующего диода подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, а другой - к первымвыводам четвертого и пятого масштабных резисторов, вторые которых под ключены соответственно к входу и выходу устройства, выход источника опорного напряженит подключен к объ единенным выводам второго и третьего масштабных резисторов. Устройство для выделения модуля приведено на чертеже. Устройство для выделения модуля содержит масштабные резисторы 1-5 коммутирующие диоды 6 и 7, компенсирующий диод 8,дифференциальный ус литель 9, источник 10 опорного напряжения. Такое включение элементов схемы, какое показано на чертеже, позволяет во много раз сократить диапазон изменения рабочих токов диодов, ис ключить возможность режима насыщени операционного усилителя и поддерживать одинаковыми проводимости, по ключенные к его входам, что в совокупности приводит к повышению точно сти, надежности,быстродействия и снижению шумов формирователя. Для оптимальной компенсации неидеальностей коммутирующих диодов необходимо обеспечить равенство и относительную стабильность токов, протекающих через коммут лрующие 6 и 7 и компенсирующий 8 диоды, во всем диапазоне изменения входного сигнала. .Условия равенства токов ле ко выполняются при выборе резистора 3 равным резистору k и обеспечений равенства проводимости резистора 1 полной проводимости, подключенной к аноду компенсирующего диода 8. Выполнение указанных условий, оч видно, обеспечивает также, соблюдение условий равенства проводимостей подключенных к входам дифференциального усилителя. 26 Устройство для выделения модулл работает следующим образом. Полагаем, что устройство осуществляет преобразование К|КГ где X - входной сигнал, У - выходной сигнал, К - коэффициент передачи, без усиления, т.е. при . Этому соответствуют соотношения резисторов: R,, где R - сопротивление резистора 1, R, - сопротивление резистора 2, R - сопротивление резистор.а 3 R4 - сопротивление резистора 4, Rg - сопротивление резистора 5. Очевидно, такие соотношения резисторов не нарушаютусловий баланса входных проводимостей -J--JL л 2. Р-5 . А и токов диодов, что свидетельствует об отсутствии в данном устройстве одной из составляющих погрешностей, характерной для прототипа. При пересечении входным сигналом нулевого уровня неинвертирующий вход дифференциального усилителя с помощью коммутирующих диодов 6 и 7 подключается либо к входу устройства, либо к нулевой шине, инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к входу устройства постоянного. Компенсирующий диод 8, однотипный с коммутирующим, открыт независимо от полярности ВХОДНОГОсигнала. При отрицательном входном сигнале коммутирующий диод 6 запирается, коммутирующий диод 7 открывается. Устройство работает как инвертор с коэффициентом передачи . При положительном входном сигнале коммутирующий диод 6 открывается, а кс)ммутирующий диод 7 закрывается, сигнал поступает на неинверирующий вход и, так как соблюдено авенство проводимостей на входах, силивается с коэффициентом , Так как положительный сигнал потупает также и на инвертирующий ход, то выходной сигнал формироваеля является разностью )-Таким образом, устройство инверирует отрицательные входные сигуалы и передает без изменения положительные, т.е. реализует преобразова ние Изобретение по сравнению с известным устройством обладает, повышенной точностью, некоторые .составляющие погрешности, характерные для прототипу, полностью скомпенсированы, а другие значительно уменьшены и стабилизированы, Другим достоинством предлагаемого устройства является низкий.уровень собственных шумов. Цепь отрицательной обратной связи дифференциального усилителя всегда замкнута, поэтому эффект усиления собственных шумов отсутствует, кроме того, шумовой ток закрытого коммутирующего диода шунтируется низким сопротивлением открытого коммутирующего диода. Кроме того, предлагаемое устройство характеризуется повышенной надежностью, достигнутой благодаря.ис ключению возможности ослабления и размыкания цепи отрицательной обрат ной связи дифференциального усилителя. Устройство имеет высокое быстродействие, независимость от. уровня входного сигнала, Так как цепь обратной связи дифференциального усилителя всегда замкнута и не иаменяет своих параметров, то частотные и .временные параметры устройства полностью определяются соответствующими параметрами применяемого операционного усилителя, охваченного глубокой, отрицательной обратной связью, to есть достаточно в соки (полоса пропускания - сотни кГц - единицы МГц) . Следует отметить, предлагаемое устройство для выделения модуля может одновременной усиливать обрабатываемый сигнал, TO есть функционировать с коэффициентом К71. Для установки нужного Коэффициента можно использовать любой известный способ, например, ввести в цепь обратной связи делитель либо изменить соотношени резистора обратной связ с.входными резисторами. В любом слу , чае следует соблюсти равенство проводимостей, подключенных к входам усилителя. Предлагаемое устройство для выде ния модуля может также инвертироват обрабатываемый сигнал, то есть функционировать при . Для этого достаточно изменить полярности включения диодов и источника опорного напряжения на обратные. Экономический эффект от использования изобретения обусловлен его техническими особенностями. Формула изобретения Устройство для выделения модуля, содержащее дифференциальный усилитель, первый и второй коммутирующие диоды, компенсирующий диод и пять масштабных.резисторов, один электрод первого коммутирующего диода является входом устройства, а другой электрод через первый масштабный резистор подключен к первому выводу второго масштабного резистора и к неинвертирующему входу дифференциального усилителя, первый вывод третьего масштабного резистора подключен.к инвертирующему входу дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства, вторые выводы второго и третьего масштабных.резисторов объединены, о тличающееся тем, что| с целью повышения точности, быстродействия и надежности устройства, в него введен источник опорного напряжения, один электрод второго коммутирующего диода подключен к шине нулевого потенциала, а другой электрод подключен к первому выводу первого масштабного резистора, причем первый и второй коммутирующие диоды включе- ны встречно, один электрод компенсирующего диода подключен к инвертирующему входу дифференциального усили- теля, а другой - к первым выводам чет вертого и пятого масштабных резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к входу и выходу устройства, выход источника опорного напряжения подключен к объединенным выводам Btoporo и третьего масштабных резисторов, I Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Шило А.В. Линейные интегральные схемы. М., Советское радио, 1979, с. 186-187. 2. Радио, телевидение, электроника, 1979, Vf 10, с. 17, НРБ,