Операционный усилитель

 

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий дифференциальный усилитель , инвертирующий вход которого через фильтр верхних.частот подключен к ВХОДУ операц.ионного усилителя, демодулятор , выполненный на транзисторе , исток которого связан с шиной нулевого потенциала, а сток через выходной разделительный конденсатор соединен с выходом усилителя пере- , менного тока и через первый фильтр нижних частот - с неинвертирующим ВХОДОМ дифференциального усилителя, модулятор,выполненный на двухзатво{ ном транзисторе, исток которого соединен с шиной нулевого потенциала , и второй фильтр нижних частот, от л и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения стабильности, ynf рощения и повышения технологичности изготовления операционного усилителя, В него введены входной разделительный конденсатор, два резистора обратной СВЯЗИ, зарядно-разрядный конденсатор , две формирующие RC-цепи, ограничивающий резистов и четыре даухвходовых элемента И-НЕ, входы первого из которых через зарядно-разрядный конденсатор соединены с выходом второго элемента И-НЕ, входы которого подключены к выходу первого элемента И-НЕ, а ВЫХОД соединен с входом третьего элемента И-НЕ и с лервым затвором двухзатворного транзистора модулятора, второй затвор которого соединен с выходом третьего элемента И-НЕ, подключенным через первый резистор обратной связи к входам первого элемента И-НЕ, через последовательно соединенные резистор и конденсатор первой формирующей RC-цепи (О к первому ВХОДУ четвертого элемента И-НЕ и через резистор второй форми- , рующей RC-цепи - к второму входу четвертого элемента И-НЕ, выход которого соединен с затвором транзистора демодулятора, первый вход через ого раничивающий резистор подключен к 4 отрицательной шине, а второй вход 00 4ib через конденсатор второй формирующей RC-цепи - к положительной шине источника питания, соединенной 00 через второй резистор обратной свясл зи с входами первого элемента И-НЕ, причем сток транзистора модулятора через ВХОДНОЙ разделительный конденсатор соединен с входом усилителя переменного тока и через второй фильтр нижних частот подключен к операционногоусилителя.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (11) 3ug6066 12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3437486/18-24 ,(22) 13.05.82 (46) 15. 10.83. Бюл. N 38 (72) А.А.Данилов, Д.Е.Полонников, О.С.Андреев, В.А.Калынюк, И.Б.Мелихов и Г.Б.Шандро (53) 681 ° 335(088.8) (56) 1. Патент Великобритании

Н 1122160, кл. Н 3 Т, опублик. 1968.

2. Авторское свидетельство СССР

N 705463, кл. G 06 6 7/12, 1977 (прототип). (54)(57) ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий дифференциальный усили-. тель, инвертирующий вход которого через фильтр верхних. частот подключен к входу операционного:усилителя, демодулятор, выполненный на .транзисторе, исток которого связан с шиной нулевого потенциала, а сток через выходной разделительный конденсатор соединен с выходом усилителя пере", менного тока и через первый фильтр нижних частот - с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, модулятор, выполненный на двухзатворном транзисторе, исток которого соединен с шиной нулевого потенциала, и второй фильтр нижних частот, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности, упрощения и повышения технологичности изготовления операционного усилителя, в него введены входной разделительный конденсатор, два резистора обратной связи, эарядно-разрядный конденсатор, две формирующие RC-цепи, ограничивающий резистор и четыре двухвходовых элемента И-НЕ, входы первого иэ которых через зарядно-разрядный конденсатор соединены с выходом второго элемента И-НЕ, входы которого подключены к выходу первого элемента И-НЕ, а выход соединен с входом третьего элемента И-HE и с лервым затвором двухзатворного транзистора модулятора, второй затвор которого соединен с выходом третьего элемента И-НЕ, подключенным через первый резистор обратной связи к входам nep" вого элемента И-НЕ, через последовательно соединенные резистор и конден" g сатор первой формирующей ЯС-цепик первому входу четвертого элемента Ц ф

И-HE и через резистор второй форми- . рующей RC-цепи - к второму входу четвертого элемента И-НЕ, выход которо- Я го соединен с затвором транзистора демодулятора, первый вход через ограничивающий резистор подключен к отрицательной шине, а второй вход . через конденсатор второй формирующей RC-цепи - к положительной шине источника питания, соединенной через второй резистор обратной связи с входами первого элемента И-НЕ, причем сток транзистора модулятора через входной разделительный конденсатор соединен с входом усилителя переменного тока и через второй фильтр фр нижних частот подключен к входу операционного усилителя. 1048485 2

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано при построении прецизионных решающих усилителей.

Известны операционные усилители с модуляцией сигнала, усилением на переменном токе и последующей демодуляцией fl) .

Недостатком данных усилителей является нестабильность компенсации выбросов от схемы управления модулятором в сигнальной цепи устройства, что приводит, к.нестабильности напря. жения смещения, появлению входного тока и шумов.

Наиболее близким к изобретению является операционный усилитель, содержащий дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого через фильтр верхних частот подключен к входу устройства, демодулятор на транзисторе, исток которого свя- зан с шиной нулевого потенциала, а сток через выходной разделительный .конденсатор соединен с выходом усилителя переменного тока и через второй фильтр нижних частот - с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, модулятор на двухзатворном транзисторе, исток которо го соединен- с шиной нулевого потенциала. В известном устройстве импульс управления демодулятором формируется одновибратором и элементом задержки более коротким, чем импульс управления модулятором. При этом исключается демодуляция паразитных импульсов, проходящих в сигнальную цепь из цепи управления модулятором. Кроме того, на затворы транзистора модулятора подаются импульсы противоположных полярностей, чем достигается компенсация паразитных импульсов во входной цепи.

Таким образом устраняется большинство из указанных недостатков f2) .

Однако известное устройство характеризуется низкой стабильностью, высокой сложностью в реализации и низкой .технологичностью вследствие применения разнородных узлов и элементов схемы.

Цель изобретения - повышение стабильности, упрощение и повышение технолоiичности изготовления операционного усилителя.

Поставленная цель достигается тем, что в операционный усилитель, содержащий дифференциальный усиI

55 литель, инвертирующий вход которого через фильтр верхних частот подключен к входу операционного уси" лителя, демодулятор, выполненный на транзисторе, исток которого связан с шиной нулевого потенциала, а сток через выходной разделительный конденсатор соединен с выходом усилителя переменного тока и через первый фильтр нижних частот - с неинвертирующим.входом дифференциально- " го усилителя, модулятор, выполненный на двухзатворном транзисторе, исток которого соединен с шиной нулевого потенциала, и второй фильтр нижних частот, введены входной разделительный конденсатор, два резистора обратной связи, зарядно-разрядный конденсатор, две формирующие RC-цепи, ограничивающий резистор и четыре двухвходовых элемента И-НЕ, входы первого из которых через зарядноразрядный конденсатор соединены с выходом второго элемента И-НЕ, входы которого подключены к выходу первого элемента И-HE а выход соединен с входом третьего элемента И-HE и с первым затвором двухзатворного транзистора модулятора, второй затвор которого соединен с выходом третье"

ro элемента И-НЕ, подключенным через первый резистор обратной связи к входам первого элемента И-НЕ, через последовательно соединенные резистор и конденсатор первой формирующей RC-цепи -. к первому входу четвертого элемента И-НЕ и через резистор второй формирующей RC-цепи к второму входу четвертого элемента И-НЕ, выход которого соединен с затвором транзистора демодулятора, первый вход через ограничивающий резистор подключен к отрицательной шине, а второй вход через конденсатор второй формирующей ЯС-цепик положительной шине источника питания, соединенной через второй резистор обратной связи с входами первого элемента И"НЕ, причем сток транзистора модулятора через входной раза делительный конденсатор соединен с входом усилителя переменного тока и через второй фильтр нижних частот подключен к входу операционного усилителя.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного операционного усилителя.

3,1048485

Операционный усилитель содержит дифференциальный усилитель 1; фильтр верхних частот 2, второй и первый. фильтры нижних частот 3 и,, усилитель переменного тока 5, моду-. . 5 лятор, построенный на двухзатворном .- . тоте модуляции, которые могли бы притранзисторе б, демодулятор на транзисторе 7, входной и выходной разделительные конденсаторы 8 и 9, од-, нородную интегральную структуру 10, 10 включающую первый, второй, третий и четвертый двухвходовые элементы

И"НЕ 11, 12, 13 и 14, первый и второй резисторы обратной связи 15 и

16, третий, четвертый, и пятый резис;.15 торы 17, 18 и 19, а также первый, второй и третий конденсаторы 20, 21 и 22, образующие формирующие ЙС-цепи.

Операционный усилитель работает

;следующим образом. : 20 г .Сигнал, поступающий на вход устройства О д разделяется фильтрами верхних частот 2 и нижних частот 3 на высокочастотную составляющую, которая поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 1, и низкочастотную составляющую, посту= пающую после преобразования при помо- щи модулятора 6 через входной разделительныи конденсатор 8 на уси 30 литель переменного тока 5. Усиленный сигнал поступает через выходной разделительный конденсатор 9 на демодулятор 7, который производит об- ратное преобразование. Усиленная та. ким образом и восстановленная вторым фильтром нижних частот 4 низкочастот" ная составляющая входного сигнЪла поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя, в ко-.. 40 тором суммируется с высокочастотной составляющей, усиливается и поступает на выход устройства. Таким об- разом, выходной сигнал U>>,< представляет собой усиленный сигнал,. поступающий на вход устройства. При..;этом напряжение смещения., входной ток и их температурные дрейфы опре" деляются в основном параметрами мо- -, дулятора 6, демодулятора 7 и временными соотношениями между сигналами, управления. Напряжение смещения дифференциального усилителя 1 по отно " шению к входному сигналу ослабляетсН в число раз, пропорциональное коэф- . 55 фициенту усиления усилителя переменного тока 5. Постоянная составляю" щая напряжения на выходе усилителя вести к появлению низкочастотных помех после преобразования, задерживаются первым фильтром нижних частот и на модулятор не поступают.

Входной ток усилителя переменного тока-5 практически не влияет на параметры устройства, так как задержива-. ется входйым разделительным конденсатором 8.

Минимизация погрешностей преобразования модулятора и демодулятора обеспечивается введением в устройство схемы управления, построенной на однородной интегральной структуре 10. которая содержит четыре идентичных элемента И-НЕ 11- 14. Сигналы управления модулятором вырабатываются включенными последовательно элементами

И-НЕ 11,.12 и 13, охваченными отрицательной обратной связью с выхода третьего элемента И-НЕ 13 на вход первого элемента И-НЕ 11 через первый и второй резисторы 15 и 16, и положительной обратной связью с выхода второго элемента И-НЕ 12 на вход первого элемента И-НЕ 11 через первый кон" денсатор 20. В момент включения схемы конденсатор 20 начинает заряжаться по цепи: шина положительного потенци" ал@,.+Е, резистор 15 и выход третьего элемент И-НЕ 13, резистор 16, включенные параллельно, конденсатор

20 и выход второго элемента И"НЕ 12.

Пока ток заряда конденсатора 20 достаточно велик, положительная обратная связь преобладает и схема находится в одном из устойчивых состояний, например уровень напряжения на выходе второго элемента И-НЕ 12, соответствует уровню логического нуля, а уровень напряжения на выходе эле" мента И-HE 13 — уровню логической единицы. По мере заряда конденсатора ток-заряда уменьшается и положи.тельная обратная связь ослабевает до тех пор, пока под влиянием отри- цательной обратной связи состояние элементов не начнет изменяться, при этом ток через конденсатор 20 меняет направление и резко увеличивается. Появившаяся при этом положи тельная обратная связь содействует

1048485. изменению состояния элементов на обратной, например уровень напряжения на выходе второго элемента

И-НЕ 12 соответствует логической единице, а третьего элемента И-НЕ 13логическому нулю. Такое состояние поддерживается до тех пор, пока конденсатор не перезарядится ° Затем происходит очередное изменение состояния схемы. Частота повторения таких изменений (частота модуляции) определяется рассмотренной постоянной времени цепи заряда, а ее стабильность обеспечивается высоким значением коэффициента усиления. трех последовательно включенных элементов

И-НЕ. lj результате на первый затвор транзистора модулятора 6 поступает управляющее напряжение, представляющее собой прямоугольные импульсы, периодически открывающие и закрывающие транзистор 6. При этом низкочастотный сигнал, прошедший через первый фильтр нижних частот 3, преобразуется модулятором в сигнал, изменяющийся с частотой переменного тока 5. На второй затвор транзистора 6 поступает в противофазе к управляющему сигналу компенсирующий сиг. нал с выхода элемента И-НЕ 12. При 30 этом выбросы от фронтов управляющего сигнала, поступающие во входную цепь устройства, компенсируются выбросами противоположной полярности от компенсирующего сигнала. Поскольку паразитные емкости, по которым проходят .выбросы, имеют одинаковую природу (находятся в едином кристалле транзистора 6), а управляющие и компенсирующие сигналы вырабатываются од- 4р нородной интегральной структурой 1О, созданной в одном кристалле в едином технологическом цикле, то все изменения сигналов и емкостей, происхо- дящие в процессе работы устройства, идентичны. Этим обеспечивается более высокая по сравнению с прототипом стабильность компенсации выбросов модулятора.

Сигнал с выхода третьего элемента И-AE 13 поступает на один вход четвертого элемента И-HE 14 через последовательно включенные третий резистор 17 и второй конденсатор 21, в» аеляясь на четвертом резисторе 18, 55 а на другой вход - через пятый резистор 19, выделяясь на третьем конденсаторе 22. В связи с этим передний фронт выходного сигнала элемента

И-НЕ 14 задерживается -по сравнению с передним фронтом его входного сигнала на время, определяемое сопротивлением:пятого резистора 19 и номиналом третьего конденсатора 22. Длительность выходного импульса элемента И-НЕ 14 определяется постоянной заряда второго конденсатора, т.е. его номиналом и сопротивлением ре-, зисторов 17 и 18. Таким образом, соответствующий выбор пассивных элеч ментов 15-22 обеспечивает формирование более коротких, по сравнению с импульсами управления модулятором, импульсов, отпирающих транзистор 7 демодулятора. При этом транзистор 7 находится в открытом состоянии только в те промежутки времени, пока отсутствуют переходные процессы, вызванные паразитными выбросами модулятора 6. При этом полностью исключается демодуляция паразит" ных импульсов, а значит и обусловленные ими составляющие напряжения смещения.

Предложенный операционный усилитель существенно отличается от аналогов и прототипа более высокими технико-экономическими характеристиками. В отличие от прототипа высокие технические характеристики устройства обеспечиваются при построении схемы управления модулятором и демодулятором на единственной интегральной микросхеме. При этом упрощается монтаж, настройка и повышается надежность и технологичность изготовления устройства. Кроме того, идентичность характеристик логических элементов М-НЕ 11- 14, на которых построена схема управления, и использование двухзатворного транзистора 6 для построения модулятора обеспечивают, в отличие от аналогов, высокую стабильность параметров устройства в связи с отсутствием рассогласования характеристик задающих и компенсирующих цепей в процессе работы усилителя.

На основе предлагаемого технического решения flocTpoeH сравнительно простой прецизионный операционный усилитель, в котором дифференциальный усилитель и усилитель переменного тока построены на микросхемах

К574УД1А. В качестве однородной интегральной структуры использована мик7 . 1048485 8 росхема К164ЛА7, модулятора - тран- Полученные результаты соответствуют зистор К П306Б, демодулятора " КП301Б. параметрам усилителя, построенного

При этом напряжение смещения усилите- по значительно более сложной схеме ля составляет единицы мкВ, темпера- прототипа. Бще одним преимуществом турный дрейф напряжения смещения - реализованного.-технического решения

0,05-0,1 мкВ/ОС, входной ток и его является значительное снижение потемпературный дрейф составляет сост- требляемой мощности,так как схема упветственно 2"5 пА и 0;1-0,2 пА/ С. равления выполнена на К-МОЙ структуре.

Составитель 8. Белан

Редактор M.Áàíäóðà Техред Т.Маточка Корректор М .Демчик

Заказ 7934/55 Тираж 706 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва,. Ж-,35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4