Аналоговое делительное устройство

 

Союз Советск ик

Социалистнчесиик

Ресттубттии

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ iii898446 (6! ) Дополнительное к авт. свиа-ву (22)Заявлено 10.01.80 (21) 2872345l18 24 (51)М. Кл. с присоединением заявки М

G 06 G 7/163

Ркударотвснный коинтвт

СССР о делам нзобретенн11 н открытнй (23) Приоритет

Опубликовано I 5.01.82. Бюллетень Ph 2

Дата опубликования описаьия 15.0 1. 82 (S3) УДК 681.335 (088.8) (72) Авторы изобретения

Г.В.Антонов, В.А.Васильков и И.В.Гуре

Ленинградский электротехнический институт им. профессора M.À.Áîí÷-Бруевича (7I) Заявитель (54) АНАЛОГОВОЕ ДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах, средствах связи, измерительных комплексах и других радиоэлектронных устройствах для вычисления результата деления мгновенных значений двух входных напряжений.

Известно аналоговое делительное устройство, основанное на принципе управления коэффициентом передачи четырехполюсника (усилителя, аттенюатора) с помощью полевых транзисторов в качестве управляемых резисторов. В этом устройстве используется тот факт, что сопротивление канала полевоro транзистора имеет обратно-пропорциональную,зависимость от напряжения на затворе (I)

Поскольку диапазон изменения сопротивления канала мал (3-5 раз), то делительное устройство имеет малый динамический диапазон входного сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является аналоговое делительное устройство, содержащее два управляемых регистра, выполненных на полевых транзисторах, источники напряжений смещения, делимого и делителя, три дифференциальных усилителя, инвертиру10 ющий вход первого дифференциального усилителя соединен с источником напряжения делителя и источником напряжения смещения, неинвертирующий вход первого дифференциального усите лителя подключен к шине нулевого потенциала, выход первого дифференциального усилителя подключен к пер» вому управляемому резистору, источник напряжения делимого подключен к неинвертирующему входу второго дифференциального усилителя, инвертирующий вход которого подключен к шине нулевого потенциала, а выхоа898446 к неинвертирующему входу третьего дифференциального усилителя, инвертирующий вход третьего дифференциального усилителя через второй управляемый регулятор подключен к шине нулевого потенциала и через делитель напряжения — к источнику напряжения делимого выход третье/ го дифференциального .усилителя через согласующий резистор подключен к неинвертирующему входу второго дифференциального усилителя 1 2 ).

Недостатком этого устройства яв" ляется большая дополнительная погрешность от изменения напряжения смещения Для уменьшения этой дополнительной погрешности приходится предь" являть высокие требования к стабильности источника смещения, что значительно усложняет его. Кроме того, температурная компенсация,.обеспечи" ваемая дополнительным полевым транзистором, — неполная, так как ан работает при нулевом смещении в отличие от основного полевого транзистора. И, наконец, положительная обратная связь, обеспечивающая большой динамический диапазон делителького устройства, осуществляется через дополнительный операционный усилитель, в котором производится суммирование напряжения делимого с капря>кением обратной связи. Наличие этого усилителя в петле обратной связи вносит дополнительные фазовые сдвиги и изменения амплитудно-частотной характеристики и, следовательно, снижает максимальную рабочую частоту делительного устройства и его точность.

Цель изобретения — повышение точности делительного устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в аналоговое делительное устройство, содержащее первый сумматор, первый и второй управляемые резисторы, выполненные на полевых транзисторах дифференциальный усилитель, первый и второй масштабные резисторы, резистор отрицательной обратной связи, источник напряжения смещения, источник напряжения делимого и источник налряжения делителя, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя и через первый масштабЭ

16

1%

ЗЕ

О

36

3$

QQ

43 ф ный резистор — к выходу источника напряжения делимого, третий вход первого сумматора подключен к выходу источника напряжения смещения, выход первого сумматора подключен к управляющему входу первого управляемого резистора, инвертирующий вход дифференциального усилителя через второй масштабный резистор подключен к шине нулевого потенциала и через резистор отрицательной обратной связи — к выходу дифференциального усилителя, неинвертирующий и инвертирующий входы дифференциального усилителя через первый и второй управляемые резисторы соответственно подключены к шине нулевого потенциала, выход дифференциального усилителя является выходом устройства, введены второй сумматор и резистор положительной обратной связи, включенный между неинвертирующим входом и выходом дифференциального усилителя, первый вход второго сумматора подключен к выходу источника напряжения смещения, второй вход второго сумматора подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, а третий вход — подключен к шине нулевого потенциала, выход второго сумматора подключен к управляющему входу второго управляемого резистора.

На чертеже приведена функциональная схема аналогового делителького устройства.

Делительное устройство содержит первый управляемый резистор на полевом транзисторе 1, второй управляемый резистор на полевом транзисторе

2, первый масштабный резистор 3, второк масштабный резистор 4, резистор отрицательной обратной связи 5, резистор положительной обратной связи б, дифференциапьный усилитель 7, источник напряжения делимого 8, источник напряжения делителя 9, первый сумматор 10 второй сумматор

11 источник напряжения смещения 12.

Введение дополнительного сумматора приводит к тому, что первый управляемый резистор, выполненный на полевом транзисторе 2, помимо термокомпенсирующих свойств приобретает свойства компенсации влияния изменения напряжения источника смещения. Кроме того, поскольку величины смещения на затворах обоих поле89844 ь 1-!ч

Uyq ОХ вых транзисторов становятся при введении дополнительного сумматора одинаковыми, то компенсация температурных изменений сопротивления канала второго полевого транзистора 5 с помощью соответствующего температурного изменения сопротивления канала первого полевого транзистора становится полной, Обеспечение положительной обратной связи без дополнительного операционного усилителя повышает точность работы и расширяет частотный диапазон делительного устройства из-за уменьшения неравномерности амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик в канале обратной связи.

В качестве управляемых резисторов могут быть использованы транзисторы не только с р-каналом, но также и с п-каналом, а также любые транзисторы типа МДП. В делительном устройстве резисторы 3 и 4, 5 и 6 попарно равны. Сток транзистора 1 соединен с инвертирующим входом, а сток транзистора 2 — с неинвертирующим входом усилителя 7. Истоки обоих транзисторов соединены с шиной нулевого поI тенциала. Неинвертирующии вход orieрационного усилителя 7 соединен через резистор 3 с источником 8 напряжения (U„ ) делимого, а инвертирующий вход усилителя 7 через резистор ,!

4 соединен с шиной нулевого потенциала. Инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя

7 соединены через резисторы 5 и 6 соответственно с выходом усилителя

7. Выход усилителя 7 является выходом делительного устройства. Напряжение UI! снимается с источника 9 х напряжения делителя. Полевые транзисторы 1 и 2 используются в режиме управляемых резисторов, когда проводимость канала (сток-исток) представляет собой функцию управляющего напряжения затвор-исток. Параметры транзисторов 1 и 2 одинаковы, Затворы транзисторов 1 и 2 сое50 динены с выходами сумматоров 10 и

11, которые формируют управляющие напряжения транзисторов 1 и 2. Первый вход сумматора 11 и третий вход сумматора 10 соединены с источни55 ком 12 напряжения смещения. Вторые входы сумматоров 10 и 11 соединены

I со стоками транзисторов 1 и 2. Первый вход сумматора 10 соединен с

6 6 источником 9 напряжения делителя, а третий вход сумматора 10 — с шиной нулевого потенциала. Все ис" точники несимметричные, т,е. вторые зажимы их соединены с шиной нулевого потенциала. Все напряжения в схеме отсчитываются относительно шины нулевого потенциала.

Аналоговое делительное устройство работает следующим образом.

Поскольку все элементы делительного устройства используются в линейном режиме, то число входных переменных можно сократить, если описывать работу делительного устройства его коэффициентом передачи где — масштабный коэффициент, имеющий размерность (вольт);

0 — выходное напряжение дели3 теля.

Видим, что, во-первых, коэффициент передачи является функцией одного напряжения 0 следовательно, цепь— параметрическая и, во-вторых, обратный коэффициент передачи К = 1/К дол1» ь жен быть прямопропорционален напряжению делителя U><, т. е. л 1 к= — = ux

К 1 2 !!

Покажем, что описываемая схема удовлетворяет соотношению II и, следовательно, выполняет функции делительного устройства. Предварительно выпишем соотношения, описывающие работу сумматоров и полевых транзисторов. Сумматор 11 формирует напряжение (О затвор-исток транзистора

1, равное зи„

rpe k k,k — коэффициенты передач с, атора II с соотФ ..У 3 ветствуницего входа на выход, Š— напряжение источниCW ка 12 смещения, Π— напряжение сток-исток

СИ транзистора I.

Аналогично сумматор 10 формирует н апряжение (U ) затвор-исток тран3ll g. зистора 2, равное

ЬИ См си Ъ Х

898446 где (— напряжение сток-исток транзистора 2, а коэффициенты передач 1 „ „ k gи k обоих сумматоров одинаковы.

Проводимость (6 „) канала полевого транзистора с управляющим рп-переходом в омической области является произведением трех сомножителей ")СИ с„и (1, оси((1ьиТ) с„(0 о)"Р то)ф с где Т температура полевого транзистора, проводимость канала поа левого транзистора при

U =0 и Т=Тд.

Ьи

H U.i — безразмерная функция, определяющая температурную зависимость проводимости канала, ©®Эи g „) безмерная функция, опре3Р си деляющая зависимость проводимости канала полевого транзистора от напряжений на его электродах, U — напряжение отсечки (параметр полевого транзистора).

Заметим, что последнее слагаемое в квадратных скобках выражения / определяет нелинейные искажения, создаваемые полевым транзистором. Эти искажения компенсируются, если на затвор полевого транзистора к управляющему напряжению добавить половину напряжения сток-исток, т.е. если положить в формулах III u IV коэффициент k =0,5.

Найдем теперь коэффициент передачи делительного устройства, определяемый коэффициентом передачи управ.ляемого усилителя от источника 8 на выход 0„» Ъ(1 4 5)

"Х 6 (6 +6 +6 )-б й„+64 6 ) Щ где G,,G,G,,G jgv G< — проводимости резисторов

1-6 соответственно.

Положив в VI G =44, 4 =4g, полуЪ чим выражение для обратного коэффициента передачи 5 )2 4

К = 1 Ц

К, G+c+c, Учитывая, что в практических схемах (G +G )eC Gg, пдлучим приближенное выражение для К

Раскрыв G u G на основании V с учетом III и 1Ч и йоложив k<=0,5, получим очное и приближенное значение

16 для 66 к= к, Ъ (Х

Омг

I (Оотг-M„Ec ы)+ 13отс (64+ g) (Gc (OTo) F (ТЦо)

1$ 2.

Матс " ем>

Следовательно, масштабный коэффициент зависит от напряжения смещения

g =-(uoTc-a„E„) —.„

5 Э

Это обстоятельство позволяет подбирать масштабный коэффициент делительного устройства при настройке изменением смещения. Точное выражение

I X показывает, что описываемое устройство выполняет операцию деления с масштабным коэффициентом 1, эааисящим от смещения и в меньшей степени от температуры (11= (см Т ГоФхл Iu)cg.), Х

3$ 4ц4б) )С си(ОТО)Г(Т !то))

Ни смещение, ни температура не меняют выполняемой функции: выходное напряжение всегда обратно пропорционально напряжению делителя и прямо

43 пропорционально (вследствие линейности схемы) напряжению делимого.

Изменяется только масштабный коэффициент.

Применение предложенного делительного устройства позволит повысить точность аналоговых вычислительных комплексов в интервале температур

0 — (+50) С до 1-2Ж при динамическом диапазоне делительного устройства

0 =50-100. При этом не требуется

ДЧ эталонного источника смещения, так как вместо него можно использовать стабилизированное напряжение питаФормула изобретения

Аналоговое делительное устройство, содержащее первый сумматор первый и второй управляемый резисторы, выполненные на полевых транзисторах, дифференциальный усилитель 15

Ф первый и второй масштабные резисторы, резистор отрицательной обратной связи, источник напряжения смещения, источник напряжения делимого и источник напряжения делите- ф1 ля, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого подключен к неиивертирующему входу дифференциального усилителя и через первый 2$ масштабный резистор — к выходу источника напряжения делимого, третий вход первого сумматора подключен к выходу источника напряжения смещения, выход первого сумматора Зф подключен к управляющему входу— первого управляемого резистора, инвертирующий вход дифференциального усилителя через второй масштабВНИИПИ Заказ 11951/66 Тираж 731 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

9 89844 сия операционных усилителей. Указанные преимущества достигнуты без увеличения сложности делительного устройства, в обоих случаях используэтся 3 операционных усилителя и два полевых транзистора.

6 10 ный резистор подключен к шине нулевого потенциала и через резистор отрицательной обратной связи — к выходу дифференциального усилителя, неинвертирующий и инвертирующий входы дифференциального усилителя через первый и второй управляемые резисторы соответственно подключены к шине нулевого потенциала, выход дифференциального усилителя является выходом устройства, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в устройство введены второй сумматор и резистор положительной обратной связи, включенный между неинвертирующим входом и выходом дифференциального усилителя, первый вход второго сумматора подключен к выходу источника напряжения смещения, второй вход второго сумматора подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, а третий вход — подключен к шине нулевого потенциала, выход второго сумматора подключен к управляющему входу второго управляемого резистора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент СБ1А К 3317179, кл. 235-196, опублик. 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

9 519695, кл. G 06 G 7/16, 1974 (прототип).