Спосіб формування коефіцієнта підсилення та пристрій для його здійснення

1. Спосіб формування коефіцієнта підсилення, при якому отримують диференційну напругу як різницю вхідного сигналу та напруги зворотного зв’язку, підсилюють цю диференційну напругу за допомогою першого операційного підсилювача з нескінченно великим коефіцієнтом підсилення та одержують вихідний сигнал, який відрізняється тим, що додатково ви хідний сигнал підсилюють безпосередньо та з інверсією за допомогою другого та третього операційних підсилювачів, ділять отримані таким чином протифазні вихідні сигнали за допомогою подільника напруги у заданій n- пропорції, де n – коефіцієнт ділення подільника напруги та регулюють вхідний сигнал за допомогою зворотного зв’язку, чим Спосіб формування коефіцієнта підсилення та пристрій для його здійснення відносяться до областей електроніки, наноелектроніки, зокрема аналогової схемотехніки, та можуть бути застосовані в широкому класі підсилювачів та перетворювачів різноманітного призначення. Відомі способи задания коефіцієнта підсилення пристроїв на активних диференційних схемах, виконаних на операційних підсилювачах (ОП) за рахунок встановлення співвідношення опору елементів кіл зворотного зв'язку [Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 2-х томах. Пер. с англ. - Μ.: Мир, 1983.-598с, ил.]. Недоліками таких способів є похибки перетворення, складність визначення коефіцієнта підсилення, низька функціональність, оскільки існують окремо тільки інвертуючі та тільки неінвертуючі схеми. Найбільш близьким рішенням до запропонованого винаходу, яке можна прийняти за прототип, є спосіб формування коефіцієнта підсилення, який заключається у тому, що виконують різницю вхідного сигналу та зворотного зв'язку, підсилюють цю диференційну напругу з нескінченно великим коефіцієнтом для одержання вихідної напруги, а коефіцієнт підсилення встановлюють за рахунок відношення опору резистора зворотного зв'язку та опору резистора прямої передачі [Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника /полный курс/: Учебник для вузов / под ред. О.П.Глудкина.- М.: Горячая линияТелеком, 2002.-768с: ил., с.289-291]. забезпечують та (13) 81087 (11) 2. Пристрій для формування коефіцієнта підсилення, який включає в собі подільник напруги, активну диференційну схему у вигляді операційного підсилювача, на один із входів якого підключено вхід пристрою, а на другий вхід під’єднано вихід подільника напруги, який відрізняється тим, що додатково введені дві аналогічні активні диференційні схеми, альтернативні виходи яких попарно з’єднані між собою і підключені першим таким з’єднанням до виходу існуючої активної диференційної схеми, другим з’єднанням альтернативних входів – до точки опорного потенціалу, а виходи введених активних диференційних схем з’єднані зі входами подільника напруги та є виходами пристрою. C2 одночасно. UA 1 1 - 2n 1 1 - 2n (19) коефіцієнт підсилення 3 81087 Недоліками цього способу задания коефіцієнта підсилення, який вважається класичним, є значна похибка за рахунок двопараметрової залежності від номіналів застосованих резисторів, несиметрична залежність коефіцієнта підсилення від знаку перетворення. Так, досягнення коефіцієнтів R R підсилення Ku - 2 або Ku = 1+ 2 можливе з = R1 R1 R + R2 Δ-похибкою: D = 1 , при цьому R1 визначає K on вхідний опір схеми, R2 - опір зворотного зв'язку, а Kon - власний коефіцієнт підсилення операційного підсилювача. На практиці Kon =105...106 . Дійсно, для схеми підсилювача, наприклад, з інверсією вхідної U1, напруги, вихідн у напругу U2 можна визначити: Таким чином, похибка перетворення способупрототипу для підсилювача з інверсією сигналу R + R2 складає D= 1 . Легко довести, що K on аналогічне значення має похибка і при неінвертуючому включенні ОП. Технічними задачами винаходу є суттєве підвищення точності за рахунок зменшення похибок перетворення до нано-піко-рівня (1010 ...10-12 замість 10-5 ...10-6), розширення функціональних можливостей схемотехнічних рішень за рахунок формування коефіцієнта підсилення у 4-х квадрантах. Вказана задача досягається тим, що у способі, який заключається у тому, що виконують різницю вхідного сигналу та зворотного зв'язку, підсилюють цю диференційну напругу з нескінченно великим коефіцієнтом підсилення для одержання вихідного сигналу згідно винаходу, додатково аналогічно підсилюють згаданий вихідний сигнал з інверсією та безпосередньо, одержані таким чином протифазні вихідні сигнали ділять у заданій пропорції, та здійснюють зворотній зв'язок. Для реалізації цього способу потрібен новий пристрій. Найбільш близьким за технічним рішенням до заявленого пристрою, який можна прийняти за прототип, є підсилювач [Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника /полный курс/: Учебник для вузов / под ред. О.П.Глудкина.М.: Горячая линия-Телеком, 2002. - 768с: ил., с.291], який включає в собі подільник напруги на резисторах, активну диференційну схему у вигляді операційного підсилювача, на один із входів якого підключено вихід подільника напруг на опорах R1 і R2, причому в залежності від порядку включення подільника напруги та другого входу ОП одержують інвертуючий чи неінвертуючий підсилювачі. Недоліком такого технічного рішення є низька точність процесу підсилення (похибка становить 4 R1 + R2 = 10- 5 10- 6 ), низькі функціональні K on можливості - одноквадрантне підсилення: тільки інвертуюче підсилення ( Ku - R2 ) , або = R1 R2 Ku 1+ = - при неінвертуючому включенні. R1 Технічною задачею при реалізації пристрою є суттєве розширення функціональних можливостей, формування коефіцієнта підсилення у 4-х квадрантах, наявність прецизійного диференційного виходу, зменшення похибок процесу підсилення до нано-піко-рівня 10-10... 10-12. Дана технічна задача вирішується таким чином. В пристрій для реалізації способу формування коефіцієнта підсилення, включає в собі подільник напруги, активну ди ференційну схему у вигляді операційного підсилювача, на один із входів якого підключено вхід пристрою, а на другий вхід під'єднано вихід подільника напруги, згідно винаходу, додатково введені дві аналогічні активні диференційні схеми, альтернативні входи яких попарно з'єднані між собою і підключені першим таким з'єднанням до виходу існуючої активної диференційної схеми, другим з'єднанням альтернативних входів - до точки опорного потенціалу, а виходи введених активних диференційних схем з'єднані зі входами подільника напруги та є ви ходами пристрою. На Фіг.1 наведена принципова схема пристрою. На Фіг.2 представлений графік залежності коефіцієнта 4-х квадрантного формування підсилення у запропонованому способі. На Фіг.3 зображений графік залежності коефіцієнта підсилення відомих схем при неінвертуючому та інвертуючому включенні для спільного двоквадрантного представлення коефіцієнта перетворення. Виконаємо обґрунтування способу побудови пристрою для формування коефіцієнта підсилення та пристрою для його здійснення. Відповідно до схеми Фіг.1 визначимо наступне: 1. Вихідні умови: власні коефіцієнти операційних підсилювачів D= - вхідні струми ОП спрямовані до нуля, або рівні нулю; - для любого ОП справедлива залежність Uвих= К оn×Uвх.д иф . 2. Запишемо очевидні співвідношення для напруг у схемі Фіг.1. З виразів 3 з урахуванням умов (1), можна встановити взаємно інверсний стан вихідних напруг U2 і U3: 3. Визначимо напругу напругами U2 і U3 : U5 законом Ома за 5 81087 де n - коефіцієнт ділення R1/R2 (у відносних одиницях n = 0 ... 1 àáî n = 0...100% - в процентах), , вирахуваний від розрахункової базової точки з напругою U2. Цей вихід будемо вважати основним, а вихід з напругою U3 - інверсним по відношенню до основного. Підставимо результат виразу (5) у рівняння (2), визначимо: 4. Одержаний вираз (6) використаємо для находження вихідних напруг U2 і U3 відповідно записам (4) з урахуванням правил перемноження знаків. 5. Проведемо розрахунок коефіцієнта підсилення по основному виходу з використанням першого рівняння виразів (7). Очевидно, із (8) коефіцієнт Κυ підсилення можна записати: Таким чином, коефіцієнт основного виходу складає підсилення для Одночасно, згідно (4) та (9) на інверсному виході маємо коефіцієнт підсилення: Аналогічно, похибка на інверсному виході 1 становить: D = » 10-10.... 10-12 ® 0 . K1 3 K Аналіз залежності коефіцієнта підсилення Кu(n), показує, що Даний результат можна демонструвати графічно на Фіг.2. Згідно виразам (9-11) при повному діапазоні зміни n=0...1 параметра управління загальний коефіцієнт підсилення 1 одночасно складає Ku=(+&-) , що дозволяє 1 - 2n виконати коефіцієнт підсилення, регулювання якого здійснюється у 4-х квадрантах, при цьому похибка кожної сформованої напруги U2 і U3 зокрема, а тому і вихідного диференційного сигналу взагалі, становить нано-піко-рівень. Пристрій для реалізації способу формування коефіцієнта підсилення, згідно Фіг.1 та виразів (111) включає в собі подільник 1 напруги з коефіцієнтом ділення n=R1/R, активну диференційну схему 2 у вигляді операційного підсилювача, на один із входів якого підключено вхід 3 пристрою, а на другий вхід з'єднано вихід подільника 1 напруги, введені дві аналогічні активні диференційні схеми 4 та 5, альтернативні входи яких попарно з'єднані між собою і підключені першим таким з'єднанням довиходу існуючої активної диференційної схеми 2, другим 6 з'єднанням іншої пари альтернативних входів до точки 6 опорного потенціалу, а виходи введених активних диференційних схем з'єднані зі входами згаданого подільника 1 напруги, є ви ходами 7 та 8 пристрою. Робота пристрою реалізації способу формування коефіцієнта підсилення наведена аналітично виразами (1-11), та пояснена графічно на Фіг.2. Для порівняння запропонованого винаходу з класичними підсилювачами на Фіг.3 наведені залежності коефіцієнта підсилення існуючих неінвертуючи х 1 та інвертуючих 2 схем, кожна з яких є одноквадрантним перетворювачами. R При цьому для n = 1 коефіцієнт підсилення R R2 1 R Ku = 1+ приймає вигляд Ku = , а Ku = - 2 n R1 R1 1 - відповідно Ku= 1 - , що важливо для n порівняння. Доцільно вказати ще на одну суттєву ваду відомих схем - нерівні умови використання діапазону керування. Так, для інвертуючих підсилювачів він складає тільки половину можливого інтервалу зміни коефіцієнту керованості, що, як недолік, повністю відсутнє в запропонованому винаході. Отже, згідно зі запропонованими способом формування коефіцієнта підсилення та пристроєм для його здійснення можна одержати такі переваги: - Мінімальну похибку перетворення, суттєву меншу ніж у прототипу і, взагалі, у відомих класичних схемах (10-10...10-12 замість 10-5...10-6); - Раніш недосяжний коефіцієнт підсилення пристрою (+&-)Кu; - Симетричну зміну згаданого коефіцієнта Кu у 4-х квадрантах; - Прецизійний нано-піко-фазообертач, тобто диференційний вихід; - Функціональний взаємоперехід від + Кu (режим ‘’+насичення’’) до –Кu (режим ‘’насичення’’), який органічно сприяє підвищенню швидкодії всупереч сталим уявам, що для цього потрібно використовувати потужний вхідний сигнал або форсуючі кола. Для переключення запропонованої схеми достатня керована флуктуація при n=0,5; - Одночасне регулювання Кu у діапазонах Кu=±1...±Коn(¥) і навпаки. Таким чином, з урахуванням відмінних чинників, представлений спосіб реалізує формування коефіцієнта підсилення у 4-х квадрантах, а пристрій нано-піко-схемотехнічного його здійснення, дійсно, забезпечує суттєві переваги перед існуючими схемами на операційних підсилювачах, дозволяє досягти високу точність перетворення, має більші функціональні можливості, реалізує найвищі показники для підсилювачів. Запропонований винахід забезпечує точність, універсальність, не досяжну відомими пристроями та може бути віднесений до нано-піко-схемотехнічного рівня. 7 81087 Розглянуті спосіб побудови пристрою для формування коефіцієнта підсилення та пристрій для його здійснення можуть бути, використані в області електроніки, нано-піко-електроніки, як основа для схемотехнічних рішень різних напрямів застосування, наприклад для вимірювання біопотенціалів у медицині. 8