Аналоговий експоненціальний перетворювач

Винахід відноситься до аналогових обчислювальних пристроїв і використовується для реалізації експоненціальної залежності при створенні різних аналогових функціональних перетворювачів, для створення вузлів множення та ділення неперервних сигналів, які побудовані по методу "Іn-ехр", а також в різноманітних схемах інформаційно-вимірювальної техніки для розширення динамічного діапазону вхідного сигналу тобто для його еспандування. Відомі аналогові експоненціальні перетворювачі (АЕП), які використовують в якості нелінійного елементу біполярний транзистор (БТ), який приєднаний по триполюсній схемі до входу операційного підсилювача (ОП), у якого в колі зворотнього зв'язку приєднано операційний резистор R [див. книгу "Руководство для пользователей операционных усилителей" Дж. Ленка.- М.:Связь,1978, с.220; патент США №3532868 по класу 235-194; реферативний журнал "Автоматика" 1966, №7, Б42; книга Шило В.П. "Линейные интегральные схемы".- М.: Сов. Радио, 1974, с. 159 та інші]. Всі ці аналогові експоненціальні перетворювачі, або просто експоненціатори, мають в роботі суттєвий недолік, а власне із зміною навколишньої температури вихідна напруга перетворювача теж змінюється згідно виразу: Uв их = RI C = RI S (T )e Uвх jT a (T - T0 ) = RI S (T0 )e Re Uвх 11600 T , (1) Де R - опір в колі зворотнього зв'язку ОП; IC - колекторний струм транзистора; T0 - відома температура (звичайно кімнатна); T - температура кристалу транзистора; a - постійна, яка залежить від напівпровідника (для кремнію a=0,1град-1); IS(T0) - так званий струм насичення транзистора (його початковий струм) при температурі T0; IS(T) - стр ум насичення транзистора при температурі T , який визначається по формулі: (2) IS (T ) = IS (T0 )ea (T- T0 ) jT - так званий температурний потенціал емітерного переходу транзистора, який залежить від коефіцієнта Больцмана (k), від заряду електрону (q) та від температури кристалу (T) і визначається по формулі: kT T (3) jT = = q 11600 Ця температурна похибка експоненціального перетворювача домінує у порівнянні з його іншими складовими статичної похибки та істотно обмежує застосування пристрою. Відомі різні технічні рішення, які направлені на зменшення температурної похибки аналогових експоненціальних перетворювачів. Так, відомі пристрої, в яких температура транзистора підтримується з допомогою пасивного або активного термостату [див. книгу Ингермон М.И. и др. "Термостатирование в технике связи".-М.: Связь, 1979, с.143]. До недоліків подібних пристроїв треба віднести громіздкість та істотне зростання потужності споживання. Відомі експоненціальні перетворювачі [див. книгу Шейнголда Д. "Справочник по нелинейным схемам".-М.: Мир, 1977 та книгу А.Дж.Пептон, В.Волш "Аналоговая электроника на операционных усилителях''-M.: БИНОМ, 1994- c.222-229], які використовують експоненціальну залежність колекторного струму від різниці напруги база-емітер двох біполярних транзисторів з ідентичними параметрами, а також резистивний подільник напруги, в якому один із резисторів має певний температурний коефіцієнт опору, причому цей резистор конструктивно виконаний в одному чіпі (кристалі) з транзисторами. Тобто, у цьому випадку температурні зміни струму Is компенсуються завдяки застосуванню пари узгоджених транзисторів; у яких однакові значення цих струмів, а вплив температурних коливань параметру j T нейтралізується з допомогою термістора (терморезистора) з температурним коефіцієнтом опору (ТКО), який рівний +0,33%/°С при кімнатній температурі. Недоліком такого експоненціатора можна вважати складність технології виготовлення подібних схем термокомпенсації, що зрештою приводить до обмеженості їх номенклатури, а це означає неможливість застосування в таких перетворювачах в якості експоненціаторів широкого ряду транзисторів з розширеними (по відношенню до тих, що випускаються) параметрами. Встановлення терморезистора поза кристалом (на корпусі транзистора) різко зменшує точність термокомпенсації [див. книгу А.Г.Алексенко, Е.А.Коломбет, Г.И.Стародуб "Применение прецизионных аналогових ИС"-М.: Сов.радио, 1980,стр.90]. Відомі експоненціатори [див. авторське свідоцтво на винахід №1101849 по класу G06G7/24 - Бюллетень изобретений, №25 за 1984г.- Р.В.Бегота "Аналоговый экспоненциальный преобразователь"], які використовують для зменшення температурної похибки роботи перетворювача корекцію вхідного сигналу Uвх шляхом використання одного з транзисторів кристалу в якості датчика температури кристалу T, і формування на цій основі певного функціонального перетворювача для каналу корекції (в даному експоненціаторі канал корекції утворений датчиком температури, підсилювачем, квадратором та суматором). Недоліком цього експоненціатора є апаратна складність реалізації каналу корекції, яка пов'язана, із реалізацією відносно складних функціональних залежностей, що описують нелінійні елементи. З цієї причини приходиться йти на компроміс, тобто обмежуватися спрощеними (математично і конструктивно) каналами корекції, а це значить, що температурна похибка перетворювача не буде зведена до нуля. В якості прототипу взято базову схему аналогового експоненціального перетворювача [див. книгу А.Дж.Пептон, В.Волш "Аналоговая электроника на операционных усилителях''-M.: БИНОМ, 1994- стр.224, рис.8.17], який містить експоненціатор у складі біполярного транзистора в якості нелінійного елемента, операційного підсилювача та операційного резистора, причому біполярний транзистор приєднаний по триполюсній схемі до входу операційного підсилювача, у якого у зворотному колі є операційний резистор. Основна проблема в цій базовій схемі пов'язана з температурними змінами параметрів IS та j T . В основу винаходу поставлено завдання створення аналогового експоненціального перетворювача, у якому введення нових елементів і зв'язків дозволило би підвищити точність перетворення вхідного сигналу завдяки зменшенню температурної похибки його роботи і за рахунок цього отримати перетворювач з більш якісними метрологічними параметрами. Поставлене завдання вирішується тим, що в аналоговий експоненціальний перетворювач, що містить експоненціатор у складі біполярного транзистора в якості нелінійного елемента, операційного підсилювача та операційного резистора, причому біполярний транзистор приєднаний по триполюсній схемі до входу операційного підсилювача, у якого у зворотному колі є операційний резистор, згідно з винаходом додатково введено вузол виділення температурного потенціалу транзистора, перший та другий інвертуючі підсилювачі, вузол виділення струму насичення транзистора, перший та другий вузли множення та ділення і джерело опорної напруги, причому вихід вузла виділення температурного потенціалу транзистора з'єднано із входом вузла виділення струму насичення транзистора і з входом першого інвертуючого підсилювача, вихід якого з'єднано із першим входом першого вузла множення та ділення, у якого другий вхід з'єднано із входом перетворювача, а третій вхід із джерелом опорної напруги та із другим входом другого вузла множення та ділення, третій вхід якого з'єднано з виходом вузла виділення струму насичення транзистора, а перший вхід з'єднано із виходом експоненціатора, у якого вхід з'єднано з виходом другого інвертуючого підсилювача, вхід якого з'єднано із виходом першого вузла множення та ділення, вихід другого вузла множення та ділення з'єднано з виходом перетворювача. Це дозволяє виділити температурно залежні параметри IS та j T нелінійного елемента - транзистора і з допомогою вузлів множення та ділення коригувати ви хідний сигнал експоненціатора, тобто звести до мінімуму вплив його температурної похибки нафоботу перетворювача, а отже підвищити його точність. На фігурі зображено аналоговий експоненціальний перетворювач, який дозволяє виконати поставлене завдання. Аналоговий експоненціальний перетворювач містить вузол виділення температурного потенціалу транзистора 1, вузол виділення струму насичення транзистора 2, перший інвертуючий підсилювач 3, перший вузол множення та ділення 4, другий інвертуючий підсилювач 5, експоненціатор 6, другий вузол множення та ділення 7 і джерело опорної напруги 8. Вихід перетворювача під'єднано до виходу другого вузла множення та ділення 7, а вхід перетворювача до другого входу першого вузла множення та ділення 4. Джерело опорної напруги 8 діє на третьому вході першого вузла множення та ділення 4, на другому вході другого вузла множення та ділення 7 та на вході вузла виділення температурного потенціалу транзистора 1, з виходу якого сигнал поступає на вхід вузла виділення струму насичення транзистора 2 та через перший інвертуючий підсилювач 3 на перший вхід першого вузла множення та ділення 4. В свою чергу коректуючий сигнал з виходу вузла виділення струму насичення транзистора 2 поступає на третій вхід др угого вузла множення та ділення 7, на першому вході якого діє сигнал з виходу базового експоненціатора 6, вхід якого під'єднано через другий інвертуючий підсилювач 5 до виходу першого вузла множення та ділення 4. Пунктирні лінії на фігурі означають тепловий зв'язок між транзисторами, які виготовлені на одному кристалі і мають ідентичні параметри. Кількість транзисторів в одному кристалі повинна бути не менше 4. Один транзистор застосовується у перетворювачі як нелінійний елемент в базовій схемі експоненціатора 6, другий - аналогічно у вузлі виділення струму насичення транзистора 2, а решту два транзистори використовуються у двох подібних логарифматорах, які містяться у вузлі виділення температурного потенціалу транзистора 1. Промисловість випускає монолітні транзисторні збірки в інтегральному виконанні, тобто інтегральні схеми, які містять транзистори, вирощені в одному кристалі і які мають практично однакові параметри. Розміщення цих транзисторів в одному кристалі гарантує їх одинакові температурні зміни. Подібні монолітні транзисторні збірки використовуються в даному експоненціальному перетворювачі. Два вузли множення та ділення (4 та 7) є однакові і реалізують функціональну залежність у=(x1 x2)/x3 відповідно до сигналів, які діють на їх першому, др угому та третьому входах. В якості таких вузлів можуть бути використані промислові мікросхеми багатофункціональних перетворювачів типу AD538 фірми Analog Devices (4301/2 фірми Burr-Brown, LH0094 фірми National Semiconductor) або класичні вузли з логарифмуванням і антилогарифмуванням сигналів, які легко реалізуються з використанням ОП та чотирьох біполярних транзисторів, які виготовлені в одному кристалі і мають ідентичні параметри [див. книгу А.Дж.Пептон, В.Волш "Аналоговая электроника на операционных усилителях''-M.: БИНОМ, 1994- стр.250, рис.9.13]. Вузол виділення температурного потенціалу транзистора 1 містить два подібних до себе аналогових логарифматори, що працюють від опорної напруги при різних значеннях колекторного струму, а також диференціальний каскад, який виконує операцію віднімання потенціалів на емітерах двох логарифмуючи х транзисторів. Вузол виділення струму насичення транзистора 2 аналогічний по структурі до базової схеми експоненціатора 6. Джерелом опорної напруги 8 може служити кремнієвий стабілітрон з відносно малим температурним коефіцієнтом напруги. Робота перетворювача полягає в наступному. На виході вузла виділення температурного потенціалу транзистора 1 діє напруга, яка дорівнює різниці потенціалів на емітерах двох логарифмуючи х транзисторів. Відомо, що напруги UBE1 та UBE 2 на емітерних переходах цих логарифм уючи х транзисторів визначаються так [див. книгу А.Дж.Пептон, В.Волш "Аналоговая электроника на операционных усилителях''-M.: БИНОМ; 1994стр.206]: IC1 (4) IS1 I UBE 2 = - j T2In C2 (5) IS2 де IC1 , IC2 - колекторні струми відповідних транзисторів; UBE1 = - j T1In IS1 , IS2 - стр уми насичення цих транзисторів; j T1 , j T2 - температурні потенціали цих транзисторів. Для монолітної матриці транзисторів на практиці виконується умова ідентичності температурних параметрів цих транзисторів, тобто: (6) j T1 = jT2 = jT IS1 = IS 2 = IS Тоді різниця напруг (4) та (5) дорівнює: U1 = UBE1 - UBE 2 = - j T1In IC1 æ I ö I - ç - jT2In C2 ÷ = - jTIn C1 IS1 ç IS 2 ÷ IC 2 è ø (7) (8) Якщо прийняти, що IC1 = 10IC2 , а коефіцієнт підсилення диференціального каскаду має величину KU = 10 , то тоді: (9) U1 = KUjTIn10 = 10jTIn10 = jTIn(1010 ) тобто ви хідна напруга U1 вузла 1 пропорційна температурному потенціалу транзистора j T . Вузол виділення струму насичення транзистора 2 є по своїй суті аналоговим експоненціатором, у якого на вході діє напруга U1 , що викликає згідно (1) колекторний струм IC2 : IC2 = ISe U1 jT = ISe jTIn(1010 ) jT 10 = ISeIn(10 ) = IS (1010 ) (10) Напруга U2 на виході цього вузла буде визначатися величинами струму IC2 та опору операційного резистора R2 в колі зворотнього зв'язку ОП, тобто: (11) U2 = ISR2(1010 ) Величину цього опору визначають з умови досягнення номінального рівня напруги на виході ОП, яка переважно для двополярних операційних підсилювачів рівна ±10В. Для типічних значень струму насичення -14 транзистора IS = 10 A значення опору R2 становить 100кOм. Перший інвертуючий підсилювач 3 забезпечує роботу вузла множення та ділення 4 з позитивними сигналами, тобто роботу у першому квадранті, а також підсилює напругу U1 до величини, близькою до 10В, при якій істотно зменшується похибки роботи вузла 4. Ви хідна напруга підсилювача 3 дорівнює: (12) U3 = -KU3 (-U1 ) = KU3j TIn(1010 ) де KU3 - коефіцієнт підсилення вузла 3, який приблизно дорівнює 16. Таким чином, на входах першого вузла множення та ділення 4 діють різні напруги, а власне: 10 - на першому вході: U3 = KU3j TIn(10 ) ; - на другому вході: UВХ ; - на третьому вході: UОП ; Результатом дії цього вузла 4 згідно його функції перетворення у=(x1 x2)/x3 буде вихідна напруга U4 . (13) U4 = (U3UВХ ) / UОП = K U3 jTIn(1010 )UВХ / UОП Другий інвертуючий підсилювач 5 нормалізує сигнал з виходу першого вузла множення та ділення 4 до рівня напруги на емітерному переході транзистора, який входить в склад вузла базового експоненціатора 6, який по своїй структурі є аналогічний вузлу виділення струму насичення транзистора 2. На його вході діє напруга U5 , яка пропорціональна величині: [ [ ] ] U5 = -KU5U4 = -UВХ K U3KU5jTIn(1010 ) / UОП = [ ] (14) = -UВХj T K U3KU5In(1010 ) / UОП = -UВХj TK1 [ ] 10 де K1 = KU3KU5In(10 ) / UОП - постійний коефіцієнт. Ця напруга U5 , яка прикладена до емітерного переходу транзистора базової схеми експоненціатора 6, викликає в нього колекторний струм IC6 , який з допомогою операційного резистора R6 перетворюється згідно (1) в напругу U6 : U6 = R6IC 6 = R 6IS e U5 jT = R 6ISe UВХjTK1 jT = R 6ISe UВХ K1 (15) Другий вузол множення та ділення 7 працює аналогічно першому вузлу, а власне на його входах діють такі напруги: UВХ K 1 - на першому вході: U6 = R6IS e ; - на другому вході і: UОП ; ( ) 10 - на третьому вході: U2 = IS R2 10 ; Результатом дії цього вузла 7 згідно його функції перетворення у=(x1 x2)/x3 буде вихідна напруга U7 . UВХ = U 7 = U6U ОП R 6IS eUВХK 1U ОП R U = = 6 ОП eUВХK 1 = K 2eK 1UВХ1 U2 I SR 2 1010 R 2 1010 ( ) ( ) (16) яка повністю не залежить від впливу температурних параметрів IS та j T нелінійного елемента - транзистора, який виступає в ролі експоненціатора. Отже, з допомогою двох вузлів 1 та 2 здійснюється виділення із інформаційного сигналу температурно залежних параметрів експоненціатора, а власне IS та j T ., а з допомогою двох функціональних перетворювачів множення та ділення реалізується корекція вихідного сигналу. Тим самим істотно зменшується температурна похибка перетворювача, а значить, підвищується його точність роботи.