Имитатор отрицательной индуктивности

 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для имитирования отрицательной индуктивности в селективных устройствах микроэлектроники. Цель изобретения - повышение стабильности отрицательной индуктивности. Имитатор отрицательной индуктивности содержит первый 1 и второй 2 операционные усилители , первый 3 и второй 4 конденсаторы, первый 5, второй 6 и третий 7 резисторы Имитатор отрицательного сопротивления работает на основе конвертора отрицательного сопротивления, преобразуя емкостное сопротивление в отрицательное индуктивное . 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 03 Н 11/48

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

19 FEH i:".„1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4772099/09 (22) 22.12.89 (46) 07.06.92. Бюл. N 21 (71) Минский радиотехнический институт (72) В.Л, Свирид (53) 621.372,45(088,8) (56) Горошков Б,И. Элементы радиоэлектронных устройств. Справочник. — М.: Радио и связь, 1988, с, 56, рис. 2.10. (54) ИМИТАТОР ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ИНДУКТИВНОСТИ (57) Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для имити„„. Ж„„1739480 А1 рования отрицательной индуктивности в селективных устройствах микроэлектроники.

Цель изобретения — повышение стабильности отрицательной индуктивности. Имитатор отрицательной индуктивности содержит первый 1 и второй 2 операционные усилители, первый 3 и второй 4 конденсаторы, первый 5, второй 6 и третий 7 резисторы.

Имитатор отрицательного сопротивления работает на основе конвертора отрицательного сопротивления, преобразуя емкостное сопротивление в отрицательное индуктивное, 1 ил.

1739480

Изобретение относится к интегральной микросхемотехнике, предназначено для моделирования отрицательной индуктивности с повышенной точностью и может быть использовано как схемотехнический элемент

B селективных устройствах. микроэлектроники, а также в качестве эквивалента мер ,.трлцательных индуктивности и емкости ,,)1иоизмерительных приборов.

Целью изобретения является повыше. -:)в стабильности отрицательной индуктивi); ти.

На чертеже представлена принципи)ьная электрическая схема устройства дл.: оделирования отрицательной индуктивно; : и

Устройство для моделиров ия отрица, ельной индуктивности (ржит первый перационный усилитель 1, первый 2 и ВТорой 5 резисторы, первый конденсатор 4, третий резистор 3, второй конденсатор б и

=.торой операционный усилитель 7, Первый резистор 2, первый конденсатор 4 и второй резистор 5 соединены последовательно. Инвертирующий вход и выход первого операционного усилителя 1 подключены соответственно к точкам соедине:-:nÿ первого конденсатора 4 с первым 2 и вторым 5 резисторами, а его неинвертирую:: ий вход, являющийся входом 9 устройства, соединен со свободным выводом второго резистора 5.

Неинвертирующий вход второго опера.,лонного усилителя 7 посредством третьего

Резистора 3 соединен с выходом первого

: перационнаго усилителя 1 и через второй

;.онденсатор б соединен с общей шиной 8 .стройства, а инвертирующий вход и выход ь: орого операционного усилителя 7 соеди, =ны со свободным выводом первого рези.-.; ора 2.

Устройство для моделирования отрица::льной индукгивности рабоiàå1 следую:,лм образом.

При подключении между входом 9 и обгцей шиной 8 устройства источника сигнала напряжением 0 на выходе первого опера,:лоннпго усиллтеля 1 образуется напряжен:.,е U . Под влиянием разности напряжений

1.1-U действующей между неинвертирующим входом и выходом первого операционно"o усилителя 1, по второму резистору 5 протекает ток 1, который совместно с нап ря>кением источника сигнала U определяет полное входное сопротивление, реализуемое предлагаемым устройством (исходя из идеальности свойств операционного усилителя. его входная цепь не потребляет тока. из-за обесконечно большого в первом приближении входного дифференциального соп ротивления):

u R:

1 ——

U где Rg — номинальное значение сопротивления второго резистора 5.

10 Под действием переменного выходного напряженля U первого операционного

1 усилителя 1 через первый конденсатор 4, первый резистор 2 и малое выходное сопротивление Raiix второго операционного

15 усилителя 7 (этот усилитель охвачен стопроцентной параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, и его выходное сопротивление, определяющееся

А соотношением Явв, = Riiiiy, / (1 Kn), пренеб20 режимо мало по сравнению с номинальным значением сопротивления первого резистора 2, где Rishi,i< и Ki> — выходное сопротивление и коэффициент передачи операцион ного усилителя без обратной свя25 зи — параметры усилителя, реально составляющие сотни Ом и сотни тысяч раз соответственно) протекает переменный ток, который на первом резисторе 2 создает напряжение, в точности равное входному на30 пряжению U (разность напряжений ме>кду входами операционного усилителя принимается pdBHGYi нулк>, из-за бесконечно большого в первом приближении коэффициента передачи К> без обратной связи):.

U 2

------ — -- — = U .

1 2 + ! ()) С4

40 где К2 и Сл — номинальные значения сопротивления и емкости первого резистора 2 и первого конде1- сатора 4;

ы- круговая частота источника сигнала, Отсюда находим искомое соîTHошеHèå

45 напряжений, представляющее коэффициент передачи первого операционного усилителя 1 с отрицательной обратной связью (2)

Решая совместно уравнения (1) и (2). получаем соотношение для искомого полного входного сопротивления устройства

55 вх= j ® С4В2В5=j ()) 1-экв, (3) где Ькв — эквивалентная индуктивность, реализуемая между входом 9 и общей шиной

8 устройства;

1739480

Ькв= C4R2R5 (4) Из выражения (3) следует, что входное сопротивление, реализуемое предложенным устройством, носит отрицательный индуктивный характер и имеет эквивалентную отрицательную индуктивность, определяющуюся соотношением (4). Изменяя номинальные значения величин параметров, входящих в формулу (4), можно в широких пределах регулировать величину реализуемой отрицательной индуктивности, Переменная составляющая тока, образуемая под влиянием выходного напряжения U первого операционного усилителя 1, 1 проходит также через третий резистор 3 и второй конденсатор 6, образующие фильтр нижних частот, отфильтровывается данным фильтром, не создавая на неинвертирующем входе второго операционного усилителя 7 заметного напряжения (номинальное значение емкости второго конденсатора 6 выбирают намного больше номинального значения емкости первого конденсатора 4 (С6» С4), а постоянную времени фильтра реализуют намного большей

/ периода Тн= — самого низкочастотного тн сигнала, поступающего на вход устройства. r= R3 CI>»T>I, где R3-номинальное значение сопротивления третьего резистора 3.

Постоянная составляющая напряжения

U, возможно, появляющаяся на выходе

1 первого операционного усилителя 1 (этот усилитель сам по себе не охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току), беспрепятственно проходит через третий резистор 3 на неинвертирующий вход второго операционного усилителя 7 и с коэффициентом передачи, весьма близким к единице, передается на выход, а затем через первый резистор 2 воздействует на инвертирующий вход первого операционного усилителя 1, охватывая тем самым отрицательной обратной связью по постоянному току предельной глубины оба операционных усилителя 1 и 7, что существенно улучшает стабильность работы устройства в целом.

Изменяя частоту fc сигнала, подаваемого на вход 9 устройства по отношению к общей шине 8, входной ток t устройства. нагружающий источник сигнала, изменяется в широких пределах от некоторой максимальной величины iMBKc до минимальной

l », Максимальная величина входного тока устройства определяется максимально возможным напряжением на выходе первого операционного усилителя 1 (UMBKc <

0вых.макс, где 0вых.макс максимальное выходное напряжение операционного усилителя 1 — параметр усилителя) и минимальным номинальным значением второго резистора 5 (макс = Омакс /Rs) на некоторой

1 самой низкой частоте, 1сн. на которой сопротивление емкости первого конденсатора 4 велико, а сопротивление емкости второго конденсатора 6 еще мало. Частота верхнего среза фильтра нижних частот, образованного третьим резистором 3 и вторым конденсатором 6 определяется из условия .

10

1 вс- 2 - 1сн

15 саторе 6 создает напряжение, в точности соответствующее входному напряжению U

Минимальное значение входного тока устремляется к нулю(!мин +0 полное входное сопротивление (1) устремляется в беско20 нечность) на самой высокой частоте, на которой напряжение U на выходе первого операционного усилителя 1 приближается к входному напряжению U за счет уменьшения сопротивления емкости первого

25 конденсатора 4 и, следовательно, охвата стопроцентной отрицател ьной обратной связью по переменному току первого операционного усилителя 1, переводящей последний в режим повторения сигнала с

30 реализацией единичного коэффициента передачи.

Таким образом, диапазон изменения токов стремится к бесконечности

iMBKC (— — х> ), что позволяет спроектировать мин устройство для моделирования отрицательной индуктивности, изменяющейся в исключительно широком диапазоне.

С уменьшением частоты f< до нулевых

40 значений (fc О), на которых сопротивление емкости второго конденсатора 6 заметно увеличивается с ухудшением фильтрующего действия, первый 1 и второй 7 операционные усилители охватываются стопроцентной отрицательной обратной связью по переменному току (выходное напряжение U приближается к входному U), и ток 1 через второй резистор 5 снижается до нулевого уровня (полное входное сопротивление (1)

50 устремляется в бесконечность).

В этой области нижних частот, когда влияние номинального значения емкости первого конденсатора 4 не сказывается, под действием напряжения U с выхода первого операционного усилителя 1 через третий резистор 3 и второй конденсатор 6 протекает переменный ток, который на втором конден1739480

U з + . С ) д С6

10 д1 — = I +) NC6R3

U (5) 15

20 (6) 25 з

Сэкв=-С6—

R5 (7) 30

40

55 (неинвертирующий вход второго операционного усилителя 7 и инвертирующий вход первого операционного усилителя 1 становятся эквипотенциальными);

Отсюда отношение напряжений

Подставляя соотношение (5) в выражение (1). получаем входное сопротивление устройства

R5 1 вх

j и) С6 3 j cuСэкв где Сэкв — эквивалентная емкость, реализуемая между входом 9 и общей шиной 8 устройства

Из соотношения (6) видим, что в рассматриваемой области низких частот устройство реализует на своем входе эквивалентную отрицательную емкость. которую можно регулировать, изменяя величины номинальных значений параметров элементов схемы, входящих в выражение (7), Распоряжаясь соответствующим образом номинальными значениями параметров элементов схемы, можно спроектировать устройство для реализации эквивалентных как отрицательной индуктивности (4), так и отрицательной емкости (7), изменяющихся в широких пределах, Предлагаемое устройство для моделирования отрицательной индуктивности по сравнению с известным выгодно отличается повышенной точностью моделирования отрицательной индуктивности.

Возможность моделирования высокоточной отрицательной индуктивности на микроэлектронной основе без применения катушки индуктивности как таковой обеспечена благодаря использованию в устройстве стопроцентной отрицательной обратной связи по постоянному току, позволяющей существенно улучшить стабильность его работы в целом, Без второго операционного усилителя 7 и фильтра нижних частот, образованного третьим резистором 3 и вторым конденсатором 6, устройство становится практически неработоспособным (погрешность реализации индуктивности стремится к бесконечности) даже в том случае, когда второй вывод первого резистора 2 соединен с общей шиной вследствие неустойчивой работы первого операционного усилителя из-за отсутствия в нем отрицательной обратной связи по постоянному току.

При отсутствии такой связи первый операционный усилитель 1, накапливая заряд в первом конденсаторе 4, образует на своем выходе постоянное напряжение, приближающееся к уровню питающих напряжений, и становится неуправляемым (неработоспособным).

Введенная глубокая отрицательная обратная связь по существу полностью устраняет отмеченный недостаток, и погрешность реализации отрицательной индуктивности и отрицательной емкости с помощью предложенного устройства определяется, в основном, нестабильностью элементов схемы, участвующих в образовании искомых величин в соответствии с выражениями (4) и (7), и может реально составить десятые доли процента.

В связи с этим выигрыш в повышении точности моделирования отрицательной индуктивности с помощью предлагаемого устройства может составлять реально несколько тысяч раз.

Таким образом, предлагаемое устройство по. сравнению с известным обладает высокой эффективностью и позволяет реализовать высокоточную отрицательную индуктивность на микроэлектронной основе.

Это устройство, как наиболее эффективное, целесообразно для использования в качестве схемотехнического элемента в различных селективных устройствах микроэлектроники, а также в качестве мер отрицательных индуктивности и емкости радиоизмерительных приборов.

Формула изобретения

Имитатор отрицательной индуктивности, содержащий первый операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первыми выводами первого резистора и первого конденсатора, второй вывод которого соединен с выходом первого операционного усилителя и с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, а также третий резистор, отл и чаю щийся тем, что, с целью повышения стабильности отрицательной индуктивности, введены второй

1739480

15

25

35

45

Составитель В.Свирид

Редактор Н,Лазаренко Техред М.Моргентал Корректор О.Ципле

Заказ 2009 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 операционный усилитель и второй конденсатор, первый вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод соединен с первым выводом третьего резистора и с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с его инвертирующим входом и вторым выводом первого резистора, а второй вывод третьего резистора соединен с выходом первого операционного усилителя, причем его

5 неин вентирующий вход я вляется входом имитатора отрицательной индуктивности,