Спосіб формування коефіцієнта перетворення схеми на операційних підсилювачах та пристрій для його реалізації (варіанти)

1. Спосіб формування коефіцієнта перетворення схеми на операційних підсилювачах, який полягає в тому, що чисельно номіналом опору резисторів зворотного зв'язку задають значення вказаного коефіцієнта перетворення схеми, встановлюють у двох диференційних каналах чисельну відповідність номіналів вхідних резисторів прямої передачі значенню власного коефіцієнта підсилення операційного підсилювача, який відрізняється тим, що додатково реалізують опорну напругу у вигляді напівсуми вхідних сигналів, також для згаданої відповідності у двох диференційних каналах задають необхідний масштабний коефіцієнт перетворення вхідних сигналів, відносно опорної напруги їх підсилюють, з одержаних таким чином вихідних сигналів формують їх різницю, яку наразі підсилюють для отримання опорної напруги, котрою компенсують дію синфазної складової на вході. 2. Універсальний підсилювач, який включає активну схему, два подільники вхідних напруг, підключені до входів підсилювача резисторами прямої передачі, а резисторами зворотного зв'язку - до виходу активної схеми, інвертуючий та неінвертуючй входи якої з'єднані з виходами відповідних подільників вхідних напруг, при цьому встановлена чисельна відповідність коефіцієнта перетворення 2 (19) 1 3 90338 4 5. Універсальний підсилювач за будь-яким з пп. 2, 3 або 4, який відрізняється тим, що виконаний у інтегральному вигляді він становить інтегральну операційну систему підсилення (ОСП). Спосіб формування коефіцієнта перетворення схеми на операційних підсилювачах та пристрій для його реалізації (варіанти) відноситься до області електроніки, аналогової схемотехніки та можуть бути застосовані в широкому класі підсилювачів різноманітного призначення, як система диференційного підсилення, наприклад для реєстрації біопотенціалів, від яких крім високої точності перетворення вимагають суттєвого подавлення синфазної складової вхідного сигналу. Відомі способи задання коефіцієнта підсилення пристроїв на активних елементах, виконаних на операційних підсилювачах (ОП) за рахунок встановлення співвідношення опору елементів кіл прямої передачі та зворотного зв'язку [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. 289-291]. Недоліками таких способів є складність визначення коефіцієнта підсилення, нелінійна його залежність та суттєві похибки, які призводять до низької достовірності, наприклад, в процесі визначення біопотенціалів. Найбільш близьким рішенням, яке можна прийняти за прототип, є спосіб задання коефіцієнта підсилення активної схеми на операційному підсилювачі, який заключається в тому, що вказаний коефіцієнт визначається опором не менше одного резистора зворотного зв'язку при установленні чисельної рівності власного коефіцієнта підсилення операційного підсилювача номіналам опору вхідних резисторів прямої передачі для інвертуючого та неінвертуючого входу активної схеми [патент України №82119 від 11.03.08]. Недоліками такого способу задання коефіцієнта підсилення є обмежене подавлення синфазної складової сигналу тільки за рахунок властивостей операційного підсилювача. Синфазна складова становить заваду корисному сигналу, а тому знижує точність перетворення. Технічною задачею винаходу є підвищення точності перетворення при лінійній залежності коефіцієнта підсилення й розширенні функціональних можливостей за рахунок додаткового активного диференційного подавлення синфазної складової. Вказана задача вирішується таким чином. У способі формування коефіцієнта перетворення схеми на операційних підсилювачах, який полягає в тому, що чисельно номіналом опору резисторів зворотного зв'язку задають значення вказаного коефіцієнта перетворення схеми, встановлюють у двох диференційних каналах чисельну відповідність номіналів вхідних резисторів прямої передачі значенню власного коефіцієнта підсилення операційного підсилювача, згідно винаходу реалізують опорну напругу у вигляді напівсуми вхідних сигналів, також для згаданої відповідності у двох диференційних каналах задають необхідний масштаб ний коефіцієнт перетворення вхідних сигналів, посилюють їх відносно опорної напруги, з одержаних таким чином вихідних сигналів формують їх різницю, яку наразі підсилюють для отримання опорної напруги, котрою компенсують дію синфазної складової на вході. До заявленого пристрою найбільш близьким за технічним рішенням, яке можна прийняти за прототип, є варіант універсального підсилювача [патент України №82119 від 11.03.08], який включає операційний підсилювач, інвертуючий та неінвертуючий входи якого через перший та другий резистори зв'язані з відповідними входами універсального підсилювача, вихід якого є виходом операційного підсилювача, який через резистори зворотного зв'язку роздільно підключено до інвертуючого та неінвертуючого входів операційного підсилювача, при цьому на інтегральному рівні має місце одночасна чисельна відповідність номіналів першого та другого резисторів на вході власному коефіцієнту підсилення операційного підсилювача, а номінали резисторів зворотного зв'язку чисельно дорівнюють коефіцієнту підсилення універсального підсилювача. Недоліком технічного рішення є функціональне навантаження на активну схему операційного підсилювача, що в підсумку не призводить до повного подавлення синфазної складової. Крім того, у загальному випадку жорстко встановлена чисельна відповідність номіналів вхідних резисторів власному коефіцієнту підсилення операційного підсилювача обмежує можливість різноманітної установки коефіцієнта підсилення номіналом резисторів зворотного зв'язку для інших варіантів виконання підсилювача. Технічною задачею реалізації пристрою (вихідний варіант) є підвищення точності процесу підсилення при лінійному й масштабному формуванні коефіцієнта підсилення і розширення функціональних можливостей за рахунок створення операційної системи підсилення замість використання операційного підсилювача. Дана технічна задача вирішується таким чином. В схемі універсального підсилювача, яка включає активну схему, два подільника вхідних напруг, підключених до входів підсилювача резисторами прямої передачі, а резисторами зворотного зв'язку - до виходу активної схеми, інвертуючий та неінвертуючий входи якої з'єднані з виходами відповідних подільників вхідних напруг, при цьому встановлена чисельна відповідність коефіцієнта перетворення універсального підсилювача значенню опору резисторів зворотного зв'язку, згідно винаходу активну схему складено з трьох операційних підсилювачів, інвертуючий вхід першого та неінвертуючий вхід другого операційних підсилювачів є точками підключення виходів згаданих по 5 90338 дільників вхідних напруг, інші входи двох вказаних та вихід третього операційних підсилювачів з'єднані між собою та існуючим виходом активної схеми, виходи першого і другого операційних підсилювачів безпосередньо підключені до входів третього та є основними виходами активної схеми, при цьому співвідношення опору резисторів прямої передачі до значення власного коефіцієнта підсилення операційного підсилювача складає масштабний коефіцієнт 0,5. Іншим варіантом виконання є універсальний підсилювач, який включає подільники напруги й активну схему, входи якого через резистори прямої передачі підключені до інвертуючого та неінвертуючого входів активної схеми, резистор зворотного зв'язку, значенням якого встановлена чисельна відповідність коефіцієнта перетворення універсального підсилювача, згідно винаходу резистор зворотного зв'язку підключено до виводів резисторів прямої передачі у точці їх з'єднання зі входами активної схеми, яку складено з трьох операційних підсилювачів, інвертуючий вхід першого та неінвертуючий вхід другого операційних підсилювачів є точками підключення елемента зворотного зв'язку, інші входи двох вказаних та вихід третього операційних підсилювачів з'єднані між собою, виходи першого і другого операційних підсилювачів безпосередньо підключені до входів третього та є основними виходами активної схеми, при цьому співвідношення опору резисторів прямої передачі до значення власного коефіцієнта підсилення операційного підсилювача складає масштабний коефіцієнт 0,25. 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. U3 K on 2 K on U4  U5 2 U3 1 2K on  2 2K onR1 R1 R2 R1U3 R1 R2 2 K on 1 R1 R2 2 K onR2 U1 U2 R1 R2 2 K onR2 U1 U2 2 1 2 K on R1 U1 R1 U2 K on R1 R2 2 R1 R2 2 U4 U1 K onR1 2 R1 R2 KU K onR2 2 R1 R2 K onR2 R1 R2 R2 2R1 2R2 K on K on K on 2 U2 U6 U1 U3 R2 R1 R2 U3 R1 R2 U7 K on R2 U1 R1 R2 K onR1 2 R1 R2 K on K on 2 , або (1) U2 U3 R2 R1 R2 U3 R1U3 R2U2 R1 R2 U7 , або (2) 3 урахуванням (1), (2) та основного рівняння операційного підсилювача (ОП) з власним коефіцієнтом Kоn підсилення знайдемо напруги U4 та U5. R1U3 R1 R2 U4 K on U6 U3 K on U5 K on U3 U7 K onU3 K on K on R2U1 R1 R2 R1U3 R1 R2 K on K onU3 (3) R2U1 (4) R1 R2 Використаємо (3) та (4) для знаходження напруги U3 підсилювача DA3: 2 K onR2U1 ; R1 R2 (5) 2 2K onR2 (6) R1U3 R2U1 R1 R2 U6 Аналогічно (1) напруга U7 буде визначена записом: 2 K onR2 U1 U2 2 U1 U2 U4 Обгрунтування способу формування коефіцієнта перетворення схеми на операційних підсилювачах та пристроїв для його реалізації, що заявляються, можна описати аналітичним моделюванням наступним чином: Для схеми Фіг.1 визначимо початкові умови: ι 1) Для резисторів R1.1=R1.2=R1; R2.1=R2.2=R2. 2) Для власних коефіцієнтів підсилення операційних підсилювачів DA1-DA3: Kоn=105...10б. 3) Вхідні напруги U1 й U2 містять синфазні та парафазні складові, як завада та корисні сигнали відповідно (загальний випадок використання). Тоді, згідно закону Ома на ділянці U1-U3 можна визначити напругу U6: R2U1 R1U3 2 2 2  K onU3  K onU3 K on R1 R2 R1 R2 Після спрощення (5), при похибці , якою можна знехтувати, маємо: U3 6 U1 U2 Аналіз виразу (6) вказує на реальне виділеної синфазної складової з похибкою на рівні =10-12, тому використання цієї напруги в якості опорної дозволяє ОП працювати в близькому до ідеального режимі, а іменно при підстановці (6) в (3), аналогічно в (4) можна обгрунтувати коефіцієнт підсилення KU, та умови його існування: U1 U K on 2 ; 2 2 K onR2 2 R1 R2 U1 U2 ; (7) 7 90338 Для досягнення KU=R2 досить знаменник виразу (7) прирівняти до 1. Ця умова виконується у 1 2R1 K on 2R2 K on 2R1 K on 2KU K on 1 R; 1) R1 0,5K on; 2) KU Перша умова виразу (8) дозволяє вхідні кола виконати високоомними, тоді як за другою умовою входи ОП зашунтовані низьким опором R2, чисельно рівним KU, що виключає наведення завад. Таким чином, згідно зі запропонованим способом, дотримуючись чисельної рівності Kоn=0,5R1, можна одержати для вихідного варіанту: 1. Мінімальну похибку перетворення =10-12, недосяжну відомими класичними схемами. 2. Лінійний KU коефіцієнт підсилення чи послаблення KU=0... Kоn (коефіцієнт нелінійності R=2R2/Kon=2Ku/Kon). 3. Номінал опору резистора R2 численно визначає згаданий коефіцієнт KU є низькоомним, що підвищує завадостійкість; 4. Прецизійний інвертуючий підсилювач при фіксації потенціалу U2; 5. Прецизійний неінвертуючий підсилювач при фіксації потенціалу U1; 6. Прецизійний підсилювач різниці U1-U2 або U2-U1 в залежності від порядку комутації вхідних напруг; 7. Формувач напівсуми (U1+U2)/2, тобто синфазної складової з похибкою =10-12. Наведені переваги обгрунтовані аналітично, перевірені експериментально доказують можливість реалізації поставленої задачі. Обгрунтування роботи другого варіанта універсального підсилювача схеми Фіг.2 стосується уточнення номіналу резистора зворотного зв'язку у запропонованій реалізації, для якої необхідно враховувати подвоєне (за рахунок послідовного з'єднання) значення номіналу резистора R2. Тоді загальний KU коефіцієнт підсилення схеми Фіг.2 визначається: KU K onR2 2 R1 R2 2R2 2R1 2R2 K on K on R2 4R1 4R2 K on K on (9) Очевидно, з пропорції 4R1=Kоn масштабний коефіцієнт для опору складатиме 0,25. Крім вказаних вище переваг, слід навести для цього варіанту наступні: 8. Для установки коефіцієнта KU перетворення використовується один елемент керування. 9. Схема виключно симетрична, що сприяє подавленню синфазної складової вхідного сигналу не тільки завдяки властивостям диференційних схем, але і за рахунок активного режиму подавлення; 10. Запропоновані схемні рішення можуть бути додатково використані для розширення функціональних можливостей за рахунок підключення інших вхідних напруг для виконання різноманітних операцій, інше. 11. Масштабний коефіцієнт може приймати різноманітні значення при врахуванні номіналів ре 8 наступних випадках: K on (8) зисторів прямої передачі та елементів зворотного зв'язку і таким чином впливати на співвідношення опору кіл установки коефіцієнта підсилення. 12. З урахуванням суттєвих переваг запропонованих схемних рішень існує доцільність їх виконання в інтегральному виді. В цьому випадку можна їх розглядати в якості інтегральної операційної системи підсилення (ОСП) при застосуванні замість операційних підсилювачів (ОП). Пристрій для реалізації способу формування коефіцієнта перетворення, згідно Фіг.1 та виразів (1)-(8) включає в собі входи 1 та 2, які через резистори 3 та 4 прямої передачі заведені на неінвертуючий вхід 5 першого операційного підсилювача 6 та інвертуючий вхід 7 другого операційного підсилювача 8, виходи яких з'єднані довільно зі входами третього операційного підсилювача 9 та створюють основні виходи 10 та 11 відповідно. Вихід третього операційного підсилювача 9 підключено через елементи 12 та 13 зворотного зв'язку до згаданих неінвертуючого та інвертуючого входів та безпосередньо до альтернативних входів операційних підсилювачів 6 та 8. Робота пристрою описана аналітично виразами (1)-(8) та поясненнями до них і в загальному вигляді заключається у наступному. Система операційного підсилення на операційних підсилювачах 6, 8, 9 створює опорну напругу, у вигляді напівсуми вхідних напруг (6), яка є синфазною складовою. Похибка визначення складає =10-12, що є надзвичайно малою величиною. Тому сигнали на виходах 10 та 11 перетворюються пропорційно опору R2 відповідно (7) та (8). Другий варіант пристрою для реалізації способу формування коефіцієнта перетворення, згідно Фіг.2 та виразів (1)-(9) включає в собі входи 1 та 2, які через резистори 3 та 4 прямої передачі заведені на неінвертуючий вхід 5 першого операційного підсилювача 6 та інвертуючий вхід 7 другого операційного підсилювача 8, виходи яких з'єднані довільно зі входами третього операційного підсилювача 9 та створюють основні виходи 10 та 11 відповідно. Вихід третього операційного підсилювача 9 підключено безпосередньо до альтернативних входів операційних підсилювачів 6 та 8, для яких неінвертуючий вхід 5 та інвертуючий вхід 7 об'єднані елементом 12 зворотного зв'язку. Робота цього варіанту пристрою описана аналітично виразами (1)-(9) та поясненнями до них і відрізняється відносно раніш представленої тим, що система операційного підсилення на операційних підсилювачах 6, 8, 9 реально формує синфазну складову в активній схемі, в той час, коли в пасивній частині - подільниках напруги синфазна складова має еквіпотенціальну точку в елементі зворотного зв'язку. Крім цього масштабний коефіцієнт може приймати різноманітні значення при врахуванні 9 90338 номіналів резисторів прямої передачі та елементів зворотного зв'язку, що суттєво розширює можливості розглянутих варіантів. Також доцільно виконати запропоновані варіанти пристрою Для реалізації способу формування коефіцієнта перетворення у інтегральному вигляді, що обґрунтовує створення інтегральної операційної системи підсилення. Таким чином, запропонований спосіб, та варіанти виконання технічних рішень можна досягти: мінімальну похибку перетворення, суттєву меншу ніж у відомих класичних схемах; лінійний KU коефіцієнт підсилення чи послаблення KU=0...KОП', номінал опору резистора R2 численно визначає згаданий коефіцієнт KU; прецизійний інвертуючий підсилювач при фіксації потенціалу U2, прецизійний неінвертуючий підсилювач при фіксації потен Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 10 ціалу U1; підсилювач різниці U1-U2 або U2-U1 в залежності від порядку комутації вхідних напруг; формувач напівсуми (U1+U2/2 з похибкою =10-12. Розглянуті спосіб формування коефіцієнта перетворення схеми на операційних підсилювачах та пристрій для його реалізації (варіанти) можуть бути використані а області електроніки, нано-пікоелектроніки, як основа схемотехнічних рішень різних напрямів застосування. Вперше пропонується інтегральна операційна система підсилення (ОСП) замість широко розповсюджених операційних підсилювачів (ОП). Винахід може започаткувати нову елементну базу ОСП, яка може ліквідувати розрив з точки зору еквіточного функціонування ЕОМ та аналогових схем, що їх забезпечують. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601