Спосіб задання коефіцієнта підсилення активної схеми на операційному підсилювачі та універсальний підсилювач для його реалізації (варіанти)

1. Спосіб задання коефіцієнта підсилення активної схеми на операційному підсилювачі, який полягає в тому, що вказаний коефіцієнт встановлюється відношенням опору резистора зворотного зв'язку та опору вхідного резистора прямої передачі для інвертуючого або неінвертуючого входу, який відрізняється тим, що додатково встановлюють номінали опору вхідних резисторів прямої передачі інвертуючого та неінвертуючого входів чисельно рівними власному коефіцієнту підсилення операційного підсилювача, а номіналом опору не менше одного резистора зворотного зв'язку чисельно задають значення коефіцієнта підсилення активної схеми на операційному підсилювачі. 2. Універсальний підсилювач, який включає активну схему на операційному підсилювачі, інвертуючий та неінвертуючий входи якого через перший та другий резистори зв'язані з відповідними входами універсального C2 2 UA 1 3 82119 елементів пасивних та активних кіл зворотного зв'язку [Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 2-х томах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1983. - 598 с., ил.]. Недоліками таких способів є складність визначення коефіцієнта підсилення, нелінійна його залежність та великі похибки, що призводить до низької достовірності, наприклад, в процесі визначення біопотенціалів. Найбільш близьким рішенням до запропонованого винаходу, яке можна прийняти за прототип, є спосіб задання коефіцієнта підсилення активної схеми на операційному підсилювачі, який заключається в тому, що вказаний коефіцієнт встановлюється відношенням опору резистора зворотного зв'язку та опору вхідного резистора прямої передачі для інвертуючого або неінвертуючого входу ОП. Недоліками цього класичного способу завдання коефіцієнта підсилення є значна похибка за рахунок номіналів застосованих резисторів у колах вхідному та зворотного зв'язку, нелінійна залежність коефіцієнту підсилення пристроїв на ОП. Так, для досягнення коефіцієнту підсилення R R K= - 2 K= 1 + 2 R1 R1 або похибка D складає: R1 + R 2 K OУ , при цьому R визначає вхідний опір 1 схеми, , а КОУ - власний коефіцієнт підсилення операційного підсилювача. Дійсно, для схеми інвертуючого підсилювача вхідної напруги U1 вихідну напругу U2 можна записати: D= æ ×R U - U2 ö K K ×R ÷= - ОУ 2 × U1 - ОУ 2 × U2 ; U2 = Uвих = -К ОУ × Uдиф = -К ОУ × çU1 - 1 ç R1 + R2 ÷ R1 + R2 R1 + R 2 è ø æ ×R ×R ö K K U2 ç1 + ОУ 1 ÷ = - ОУ 2 × U1; ÷ ç R1 + R2 ø R1 + R2 è U 2 = K × U1; R2 × K ОУ R2 = × R1 + R2 + K ОУ × R1 D + R1 Таким чином, похибка перетворення способупрототипу для інвертуючого підсилювача складає R1 + R2 × D= K ОУ Аналогічне значення похибки K= становить при неінвертуючому включенні ОП. Технічною задачею винаходу є підвищення точності, створення лінійної залежності коефіцієнта підсилення, розширення функціональних можливостей. Вказана задача досягається тим, що у способі задання коефіцієнта підсилення активної схеми на операційному підсилювачі, який заключається в тому, що вказаний коефіцієнт встановлюється відношенням опору резистора зворотнього зв'язку та опору вхідного резистора прямої передачі для інвертуючого або неінвертуючого входу, згідно винаходу, додатково любим чином встановлюють номінали опору вхідних резисторів прямої передачі інвертуючого та неінвертуючого входів чисельно рівними 4 власному коефіцієнту підсилення операційного підсилювача, а номіналом опору резисторів (резистора) зворотнього зв'язку задають чисельне значення коефіцієнта підсилення активної схеми на операційному підсилювачі. Для реалізації цього способу потрібен новий пристрій. Найбільш близьким за технічним рішенням до заявленого пристрою, який можна прийняти за прототип, є підсилювач [DATASHEET AD629, WWW.analog.com.], який включає операційний підсилювач, інвертуючий та неінвертуючий входи якого через перший та другий аналогічні резистори зв'язані з відповідними входами підсилювача, вихід якого є виходом операційного підсилювача, який через резистор зворотнього зв'язку зв'язаний з інвертуючим входом операційного підсилювача. Додаткові резистори прив'язки входів операційного підсилювача до потенціалу шини заземлення штучно знижують власний коефіцієнт підсилення операційного підсилювача для вказаної мікросхеми (до К’ОУ » 20000 замість 106) для розширення діапазону подавлення синфазної складової вхідного сигналу. Загальна структура схеми - інвертуючий підсилювач. Недоліком такого технічного рішення є значна залежність попередньо заниженого коефіцієнта підсилення на точність роботи за рахунок номіналів застосованих резисторів у колах вхідному та зворотнього зв'язку та схемного рішення. Як показано вище, для досягнення R2 R похибка коефіцієнту підсилення К=R1 + R 2 = D × K ОУ D складає: Крім того, схема не є симетричною, що змусило розробника прототипа застосувати різні за номіналом резистори прив'язки (20к0м та 21,1к0м). Вказані обставини знижують точність перетворення, обмежують функції використання. Технічною задачею при реалізації пристроя (вихідний варіант) є підвищення точності процесу підсилення, лінійне формування коефіцієнта підсилення і розширення функціональних можливостей. 1. Дана технічна задача вирішується таким чином. В універсальний підсилювач, який включає активну схему на операційному підсилювачі, інвертуючий та неінвертуючий входи якого через перший та другий аналогічні резистори зв'язані з відповідними входами універсального підсилювача, вихід якого є виходом операційного підсилювача, останній через третій резистор зворотнього зв'язку зв'язаний з інвертуючим входом операційного підсилювача, згідно винаходу, додатково введено четвертий резистор, який підключено між виходом та неінвертуючим входом операційного підсилювача, при цьому, згідно запропонованому способу, для резисторів першого та другого входів забезпечується одночасна чисельна відповідність номіналів власному коефіцієнту підсилення операційного підсилювача, а третій та четвертий резистори 5 82119 аналогічні, мають однаковий номінал, який чисельно визначає коефіцієнт підсилення. 2. Іншим варіантом виконання є універсальний підсилювач, який включає активну схему на операційному підсилювачі, інвертуючий та неінвертуючий входи якого через аналогічні відповідно перший та другий резистори підключені до першого та другого входу універсального підсилювача, згідно винаходу, введено третій резистор подвійного номіналу, який підключено між інвертуючим та неінвертуючим входами операційного підсилювача. 3. Більш доцільним варіантом пристроя є універсальний підсилювач, який включає активну схему на операційному підсилювачі, інвертуючий та неінвертуючий входи якого через аналогічні відповідно перший та другий резистори підключені до першого та другого входу універсального підсилювача, третій резистор подвійного номіналу підключено між інвертуючим та неінвертуючим входами операційного підсилювача у третьому резисторі подвійного номіналу, згідно з винаходом, виведено середню точку, яку з'єднано з загальним проводом нульового потенціалу. На фіг.1 наведена принципова схема вихідного варіанту пристрою. На фіг.2 зображена схема другого варіанту пристрою з формуванням коефіцієнта підсилення у вхідному колі на резисторі подвоєного номіналу. На фіг.З представлена схема третього варіанту пристрою з мультиплікативним подавлениям синфазної складової вхідного сигналу за рахунок використання заземлення середньої точки резистора подвоєного номіналу. Обгрунтування способу задання коефіцієнта підсилення активної схеми на операційному підсилювачі, що заявляється, роботу вихідного варіанту технічного рішення можна описати за допомогою аналітичного моделювання наступним чином: Для схеми фіг.1: Попередньо визначим напругу входів операційного підсилювача: (U - U3 ) × R1 = U1 × R1 + U1 × R 2 - U1 × R1 + U3 × R1 = U1 × R2 + U3 × R 1 ; U =U - 1 4 1 U5 = U2 R1 + R 2 R1 + R 2 (U2 - U3 ) × R1 = U2 × R1 + U2 × R2 - U2 × R1 + U3 × R1 R1 + R 2 R1 + R 2 R1 + R 2 = U2 × R 2 + U3 × R1 ; R1 + R2 Визначимо коефіцієнт підсилення схеми: æ U R - U1R 2 ö KОУ R 2 ÷= U3 = Uв их = К ОУ × (U 5 - U 4 ) = K ОУ × ç 2 2 ç R +R ÷ R + R × (U 2 - U1 ) = K × (U2 - U1), 1 2 1 2 è ø очевидно, що загальний К коефіцієнт підсилення може бути представленим: K R2 R2 ×R K = ОУ 2 = = × R1 + R 2 R1 R R1 + R 2 + 2 K ОУ K ОУ K ОУ На практиці R1 - визначає вхідний опір та КОУ власний коефіцієнт підсилення операційного підсилювача чисельно складають105...106. Тому доцільно забезпечити вказану чисельну рівність R1=KОУ, в результаті чого можна уточнити загальний К коефіцієнт підсилення: 6 R2 R2 D= , , K OУ маємо 1 + D або з похибкою К=R2 (численно). Таким чином, згідно зі запропонованим способом, дотримуючись чисельної рівності KОУ=R2, можна одержати для технічного рішення: Мінімальну похибку перетворення, суттєву меншу ніж у прототипі конкретно і, взагалі, у R2 R1 + R2