Аналоговое запоминающее устройство

 

АНАЛОГОВОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее дифференциальный усилитель, выход которого является выходом устройства, первый накопительный элемент на первом конденсаторе, включенный в цепь отрицательной обратной связи дифференциального усилителя, первый ключ, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя , первый пассивный элемент на первом резисторе, один из выводов которого является входом устройства, другой вывод первого резистора соединен с одним из выводов второго пассивного элемента на втором резисторе , другой вывод которого соединен с выходом дифференциального усилителя, первый вход первого ключа соединен с щиной управления, и шину нулевого потенциала , отличающееся тем, что, с целью повыщения его быстродействия, в него введены неинвертирующий усилитель, пассивный RC-фильтр высоких частот, второй ключ, активный фильтр низких частот и второй накопительный элемент на втором конденсаторе , одна из обкладок которого соединена с щиной нулевого потенциала, другая обкладка второго конденсатора соединена с неинвертирующим входом дифференциального усилителя и с выходом второго ключа, первый вход которого соединен с выходом i активного фильтра низких частот, вход активного фильтра низких частот соединен с (Л другим выводом первого резистора и с входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом пассивного RCфильтра высоких частот, вы.чод которого соединен с вторым входом первого ключ.а, второй вход второго ключа соединен с шиной управления. О5 СП СХ) СХ) со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК < у (з 11 С 27/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3480279/18-24 (22) 02.08. 82 (46) 07.01.84. Бюл. ¹ 1 (72) А. А. Данилов (71) Ордена Ленина институт проблем управления (53) 681.327 (088.8) (56) 1. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. М., «Советское радио», 1979, с. 328.

2. Ленк Дж. Руководство для пользователей операционных усилителей. M., «Связь»

1978, с. 226 (прототип). (54) (57) АНАЛОГОВОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее дифференциальный усилитель, выход которого является выходом устройства, первый накопительный элемент на первом конденсаторе, включенный в цепь отрицательной обратной связи дифференциального усилителя, первый ключ, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, первый пассивный элемент на первом резисторе, один из выводов которого является входом устройства, другой вывод первого резистора соединен с одним из выводов

„„SU„„1065889 А второго пассивного элемента на втором резисторе, другой вывод которого соединен с выходом дифференциального усилителя, первый вход первого ключа соединен с шиной управления, и шину нулевого потенциала, отличающееся тем, что, с целью повышения его быстродействия, в него введены неинвертирующий усилитель, пассивный

RC-фильтр высоких частот, второй ключ, активный фильтр низких частот и второй накопительный элемент на втором конденсаторе, одна из обкладок которого соединена с шиной нулевого потенциала, другая обкладка второго конденсатора соединена с неинвертирующим входом дифференциального усилителя и с выходом второго ключа, первый вход которого соединен с выходом активного фильтра низких частот, вход активного фильтра низких частот соединен с другим выводом первого резистора и с входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом пассивного RCфильTра высоких частот, выход которого соединен с вторым входом первого ключа, второй вход второго ключа соединен с шиНой управления.

10б5889

Изобретение относится к аналоговой и аналого-цифровой вычислительной технике и может быть применено при создании аналого-цифровых преобразователей и устройств связи с объектом.

Известно аналоговое запоминающее устройство, предназначенное для выборки и последующ го хранения мгновенного значения амплитуды аналогового сигнала, содержащее дифференциальный усилитель с конденсатором хранения, включенным меж ду выходом дифференциального усилителя, являющегося выходом устройства, и его инвертирующим входом, неинвертирующий вход усилителя подключен к шине lli )евого потенциала, резис)ор срицательньй обратной связи, подключенный между выходом ус-ройства и входом токового ключа, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, и входной ре= )стор, подключенный первым выводом к источнику сигнала, а вторым выводом — к входу токового ключа, устройство имеет также шину управления ключом (1).

Недостаток известного устройства большое время выборки входного сигнала, обусловленное большой постоянной времени, образованной входным резистором и конденсатором хранения (сопротивлением ключа в открытом состоянии в данном случае можно пренебречь) .

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является аналг:о::: запоминающее устройство, содержац1, дифференциальный усилитель, выход," орого является выходом устройства, коь ": .)са; с ) хранения — накопительный элемент. ло клю ченный между выходом устройств; и вертирующим входом дифференци, . о усилителя, резистор обратной связи (R„. 1 и входной резистор (R ), первые выводы которых объединены, а вторые подключены соответственно к входу и к выходу устройства, первый ключ, выход которого подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, шина управления режимом работы первого ключа, повторитель напряжения, выполненный на дифференциальном операционном усилителе, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с входом первого ключа, а неинвертирующий вход подключен к общей точке входного резистора и резистора обратной связи (2).

Недостатком данного устройства является большое время выборки входного сигнала, обусловленное ограничениями, налагаемыми на частоту с„еза устройства по контуру отрицательной обратной связи (ООС), которая описывается выражением

Rax 1 вх+ (с)с к)) хр где ) кл-сопротивление первого ключа в открытом состоянии, включая выходное сопротивление повторителя напряжения;

С„,— емкость конденсатора.

Кроме того, скорость нарастания выходного напряжения повторителя напряжения и выходного дифферен ци ального усилителя должна удовлетворять условию где д,щ«R

1;)1 (Вьх ° Ro):)

l5 причем 1;-1н,мне где 1)),),)-анс —— ный ток l!",узки ис);ол -,у мь;х усилителей;

1)ьх,макс .аксимал;)ое вх )ос напряжение. B противном с ",:lас р ота усилителей будет происходит)., нел .. ;.и)м режиме и

20 переходный процес оудег недопустимо затягиваться.

Для того, чтобы уст .и)йство обладало некоторым запасом ус) оичивости, а также имело минимальное вре,)я, е гановлс ни я вы ходного напряжения с зада))ной погре пнотью и апериодический переходный процесс, МОЖНО ПОКаэат), Что ЭКВИВаЛЕНтНаЯ ЧаСтЬта среза обои.". входящих в него усилителей (при условии, 1то фазовый сдвиг каждого из них на собствеklH()H частоте среза Hc прсвышает 90" ) должна удовлетворять условию оО< с1) = М?СР,Мрь )i 4 с?ср

В этом слу)ас время установления выходо напряжения с заданной погрсшнос..ю б, равное минимальному времени выборки (без учета апертурного времени) равно

1 „ . = Й -

1 ь)ср

Например, при использова нии в прототипе интегральных операционных усилителей (ОУ) типа К544УД1В (1ср> 1 мГц, Чщ 5 В/мкс, 1„„„,>5 мЛ) и токовых ключей, обеспечивающих совместно с ОУ I„„«

4s «300 Ом, при мин" чально возможной в этом случае емкое.,) конденсатора хр. пения, равной 1000 пФ, нельзя обеспечить выби:, ку входного сигнала 10 В с погрешностьн)

0,01 /о менее, чем за 5 75 мкс (без учета апертурного времени).

В целях дальнейшего уменьшения времени выборки в прототипе необходимо применять ОУ, обладающие черезвычайно высокими динамическими характеристиками, которые в настоящее время обеспечивают лишь уникальные образцы ОУ в модульном исполнении.

Цель изобретения — повышение быстродействия устройства.

1065889

Поставленная цель достигается тем, что в аналоговое запоминающее устройство, содержащее дифференциальный усилитель, выход которого является выходом устройства, первый накопительный элмент на первом конденсаторе, вклю ы. цепь отрицательной обратной связи ди<4ференциального усилителя, первый ключ, выход которого соедине с инвер. ирующим входом дифференц ального усилителя, первый пассивный элемент на пергом резисторе, один из выводов которого является входом устрой гва, другой вывод первого резистора соединен одним из выводов второго пассивного элемента на втором резис" оре, другой вывод которого соединен с выходом фференциального усилителя. первый вход первого ключа соединен с шиной управленя."., и шину нулевого потенциала, введены н: конвертирующий усилитель, пассивный г;С-фильтр высоких частот, второй ключ, активный фильтр низких частот и второй накопительный элемент на втором конденсаторе, одна из обкладок которого соединена с шиной нулевого потенциала, другая обкладка второго конденсатора соединена с неинвертирующ:tM входом дифференциального усилителя и с выходом второго ключа, первый вход которого соединен с выходом активного фильтра низких частот, вход активного фильтра низких частот соединен с другим выводом первого резистора и с входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом пассивного RCфильтра высоких частот, выход которого соединен с вторым входом первого ключа, второй вход «торого ключа соединен с шиной управления.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит дифференциальный усилитель 1, накопительные элементы на первом и втором конденсаторах 2 и 3, пассивные элементы на первом и втором ре*исторах 4 и 5, ключи 6 и 7, пассивный RC-фильтр 8 высоких частот, неинвертирующий у литель 9, активный фильтр 10 низких частот, шину 11 управления и ши у 12;,;левого потенциала.

Сущность изобре гения заключается в то . го введен широкополосный неинвертирующий усилитель м )щности с частотой среза, во много раз превышающей частоту среза выходного дифференциального усилителя, пассивный RC-фильтр высоких частот, который не позволяет постоянной составляющей выходного напряжения",; нлителя мощности проникать на вход первого токового ключа, активный инвертирующий фильтр низких частот инвертирует постоянную составляющую сигнала разбаланса, а также компенсирует смещение нуля выходного дифференциального усилителя, второй

30 к, :„ч, олокирующий в закрытом состоянии

::срезаряд второго конденсатора в режиме хранения, причем неинвертируюший вход выходного дифференциального усилителя подключен не к шине нулевого потенци; l2, а к незаземленной обкладке второго конденсатора

Устройство работает следующим образом.

При появлении на шине 11 управления определенного цифрового сигнала, например логической единицы, ключи 6 и 7 замыкаются и устройство переходит в режим выборки входного аналогового сигнала. При этом в общей (суммирующей) точке резисторов 4 и 5 появляется напряжение разбаланса (ошибки), равное сумме сигналов на входе и выходе устройства. Постоянная составляющая напряжения разбаланса, инвертированная и отфильтрованная активным фильтром 10 низких частот, через ключ

7 заряжает конденсатор 3 до величины напряжения смешения дифференциального усилителя 1.

Так как напряжение сме цения усилителя 1 дрейфует сравнительно медленно, то изменение напряжения на конденсаторе 3 за время между выборками входного сигнала будет небольLHèм, следовательно, требования к быстродействию цепи заряда этого конденсатора 3 будут невысоки ми.

Сигнал разбаланса поступает также на вход широкополосного неинвертирующего усилителя 9, частота среза которого во много раз превышает частоту среза усилителя 1. а выходное сопротивление невелико Ilo сравнению с сопротивлением ключа 6 в открытом состоянии, постоянная составляюша» выходного напряжения усилителя 9 блокируется пассивным RC-филь-,ром 8 высоких частот, причем собственное смещение нуля усилителя 9 может быть довольно большим, лишь бы во время переходного процесса (т.е. при наличии разбаланса) усилитель 9 работал в линейной области.

Переменная составляющая сигнала разбаланса поступает на вход ключа 6 и далее на. инвертирующий вход усилителя 1, который начинает отрабатывать это возмущение через цепь конденсатора 2 посредством его перезаряда так, чтобы сумма токов, втекающих в точку соединения ключа 6 и конденсатора 2, была в идеальном случае равна нулю. Таким образом, конденсатор 2 псрезаряжается до напряжения, равного по модулю и противоположного по знаку входному напряжению (при К „— = Й„) с точностью до величины, обратно пропорциональной коэффициенту усиления разомкнутого усилителя 1 на постоянном токе. Так как потенциал инвертирующего входа усилителя 1 практически равен нулю (смешение нуля усилителя 1 скомпенсировано по не1065889

Б .к ртиру.ощему входу), то напряжение на

:,, :оде устройства, равно напряжению на конденсаторе 2, а следовательно, равно по о.,улю и противоположно по знаку входнонапряжению (при R „= R ), поэтому н,шряжение разбаланса в суммирующей точке после окончания переходного процес-"а равно нулю (при нулевом смещении ОУ активного фильтра) и устройство переходит в состояние динамического равновесия (при условии, что за время выборки входной 10 сигнал не изменился). После этого на шину 11 поступает логический нуль, ключи 6 и 7 размыкаются и устройство переходит в режим хранения выбранного аналогового сигнала, причем конденсатор 2 запоминает инвертированную величину входного сигнала, а конденсатор 3 — величину напряжения смещения дифференциального усилителя 1.

Предлагаемое устройство реализовано в виде макета устройства выборки-хранения, имеющего время выборки входного сигнала

- 1О В с точностью 0,01 /р менее 500 нс и время хранения с точностью 0,01 /р при конденсаторе 510 пФ около 1 с. Столь высокие параметры устройства реализованы на базе элементов широкого применения: в усилителе 9 использованы транзисторы

КП307, К1342, КТ313, в активном фильтре 10 интегральный ОУ повышенной точности типа К153УД5, ключевые транзисторы — КП305, в схеме управления ключами 6

30 и 7 использованы транзисторы КТ371 и ,:;иоды КД514, во входном каскаде дифференциального усилителя 1 — транзисторы

КП350 без специального подбора. При этом усилитель 9 имеет частоту среза более

100 МГц, усилитель 1 — 16 МГц, а частота среза устройства по контуру обратной отрицательной связи (Rex = Roc = 10кОм) выбрана около 3 МГц при сопротивлении первого ключа в открытом состоянии (включая выходное сопротивление усилителя мощности) около 50 Ом. 40

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства определяется

:начительным уменьшением времени выборки входного сигнала за счет уменьшения времени установления выходного напряжения, что достигнуто вследствие увеличения частоты среза устройства по контуру отриIl,àòåëьной обратной связи, возможйостью реализовать устройство на доступйой элементной базе, а также по интегральной технологии, относительной простотой устрой; ства при высоких качественных показателях.

Положительным эффектом предлагаемого устройства является также значительное увеличение времени хранения, что обусловлено возможностью применения в нем

МОП-транзисторов во входном каскаде дифференциального усилителя, которые имеют черезвычайно низкий ток утечки по цепи затвора. В прототипе это невозможно из-за технологических ограничений на приемлемое согласование характеристик двух

МОП-транзисторов даже в одном технологическом цикле (при интегральной технологии), что порождало большой временной и температурный дрейф напряжения смещения в дифференциальных усилителях, выполненных на их основе. Предлагаемое устройство снимает указанные ограничения за счет введения инвертируюшего активного фильтра низких частот, второго ключа и второго конденсатора, так как активный фильтр может быть выполнен с усилением на постоянном токе в К„раз. В этом случае смещение нуля и дрейф выходного дифференциального усилителя уменьшаются соответственно в Кн раз и статические параметры устройства фактически определяются сме цением и дрейфом нуля ОУ, используемого в активном фильтре низких частот.

Кроме того, первый ключ в режиме хранения работает с равными и нулевыми потенциалами на входе и на выходе (вход ключа по постоянному току является заземленным, а смещение нуля дифференциального усилителя компенсируется напряжением на втором конденсаторе, следовательно, инвертирующий вход усилителя- имеет нулевой потенциал), что обеспечивает предельно низкий ток утечки через данный ключ в закрытом состоянии.

1065889

Составитель А. Воронин

Редактор А. Мотыль Техред И. Верес Корректор В. Бутяга

Заказ 10709/51 Тираж 5фМ Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретении и открытий

113035, Москва, )К вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патентэ, г. Ужгород, ул. Проектная, 4