Універсальний інструментальний підсилювач

Реферат: Універсальний інструментальний підсилювач містить два операційні підсилювачі, неінвертуючі входи яких з'єднані з відповідними входами інструментального підсилювача, а виходи операційних підсилювачів є виходами пристрою та поєднані між собою трьома послідовно з'єднаними резисторами, середній з яких виконано регульованим, причому інвертуючий вхід кожного операційного підсилювача зв'язано зі своїм виходом через два з трьох резисторів. UA 106837 U (54) УНІВЕРСАЛЬНИЙ ІНСТРУМЕНТАЛЬНИЙ ПІДСИЛЮВАЧ UA 106837 U UA 106837 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до області електроніки, радіоелектроніки. Вона стосується схемотехніки застосування операційних підсилювачів (ОП) для узгодження датчиків і чутливих елементів з радіоелектронними пристроями для функціонування приладів різноманітного призначення. Відомі схеми на операційних підсилювачах: підсилення з різним знаком, виконання операцій чи перетворень заданого виду [1]. Недоліками таких схем є відсутність уніфікації схемних рішень, використання коефіцієнтів перетворення, виключно, без інверсії, або з інверсією сигналу. Це обмежує можливості аналогової схемотехніки у створенні та використанні ОП у пристроях радіоелектроніки, а застосування інструментальних підсилювачів кардинально не вирішує вказану проблему. Найбільш близьким технічним рішенням за суттю є інструментальний підсилювач, який містить два операційні підсилювачі, неінвертуючі входи яких з'єднані з відповідними входами інструментального підсилювача, а виходи операційних підсилювачів є виходами пристрою та поєднані між собою трьома послідовно з'єднаними резисторами, середній з яких виконано регульованим. Інвертуючий вхід кожного операційного підсилювача зв'язаний зі своїм виходом через один з трьох послідовно з'єднаних резисторів [2]. Недоліками такого пристрою є обмежена точність функціонування, зумовлена відсутністю взаємного негативного зворотного зв'язку між каскадами та недостатня уніфікація функцій перетворення. Технічною задачею корисної моделі є підвищення точності перетворення, розширення функціональних можливостей як власне самого інструментального підсилювача, так і в сукупності з наступними схемами суми чи різниці (сустрактора). Ця задача вирішується тим, що в інструментальний підсилювач, який містить два операційні підсилювачі, неінвертуючі входи яких з'єднані з відповідними входами інструментального підсилювача, а виходи операційних підсилювачів є виходами пристрою та поєднані між собою трьома послідовно з'єднаними резисторами, середній з яких виконано регульованим, згідно з корисної моделлю, інвертуючий вхід кожного операційного підсилювача зв'язано зі своїм виходом через два з трьох резисторів. Додаткове заземлення входів пристрою забезпечує види класичних перетворень вхідних сигналів. Уведений додатковий вихід пристрою, з'єднаний із середньою точкою середнього резистора забезпечує суму вхідних сигналів. На кресленні наведена принципова схема універсального інструментального підсилювача. За кресленням, універсальний інструментальний підсилювач 1 містить два ідентичні операційні підсилювачі 2-ОП1 та 3-ОП2, неінвертуючий вхід 4 ОП1-2 являє собою перший вхід 5 пристрою з напругою U1 , а неінвертуючий вхід 6 ОП2-3 в універсальному інструментальному підсилювачі 1 є другим входом 7 з напругою U2 . Послідовно з'єднані резистори 8- R1 , 9- R 2 і 10 R3 включені між виходом 11 ОП1-2 та виходом 12 ОП2-3, які є виходами 13 та 14 пристрою з вихідними напругами U3 та U4 , відповідно. Спільна n-точка 15 з'єднання резисторів 8 та 9 (з напругою Un ) підключена до інвертуючого входу 16 ОП2-3, аналогічна m-точка 17 з'єднання резисторів 9 та 10 з напругою Um підключена до інвертуючого входу 18 ОП 2-3. Середня точка 19 резистора 9 є додатковим виходом 20 універсального інструментального підсилювача 1. За необхідності подальшого отримання різниці/суми, виходи 13 та 14 універсального інструментального підсилювача 1 з'єднуються зі входами схеми необхідної операції, наприклад класичної схеми 21 отримання різниці вхідних напруг U3 та U4 [2]. Роботу запропонованого універсального інструментального підсилювача 1 можна описати наступним чином. 1). Напруги Un та Um в подільнику на резисторах 8- R1 , 9- R 2 , 10- R3 визначаються електротехнічним розрахунком: Um  m  U4  (1  m)  U3 ; Un  n  U3  (1  n)  U4 , m R2 R  2; R1  R 2  R 3 R R3 R  3 . (1) R1  R2  R3 R Аналогічно прототипу для уніфікації та симетрії встановимо R3  R2 , тоді m  n , а подальший опис проводимо відносно параметра n Um  n  U4  (1 n)  U3; Un  n  U3  (1 n)  U4, де: n 1 UA 106837 U 2). Виконаємо розрахунок вихідної напруги U3 . U3  K on (U1  Un )  K onU1  K onn U3  K on (1  n)U4, U3 (1  K onn)  K onU1  K on (1  n)U4 ; 5 U3  K on K (1  n) U1  on U4 ; 1  n K on 1  n K on У свою чергу, U4  Kon (U2  Um )  K onU2  K onn U4  Kon (1  n)U3. U4 (1 Konn)  KonU2  Kon (1 n)U3; U4  K on K (1  n) U2  on U3 . 1  n K on 1  n K on Після підстановки виразу U4 знаходимо напругу U3 : U3  K on K 2 (1  n) K 2 (1  n)2 U1  on U2  on U3 ; 1  n K on (1  n K on )2 (1  n K on )2 U3  (1  10 2 K on (1  n)2 (1  n K on )2 Врахуємо: (1  Тоді U3  ) K on K 2 (1  n) U1  on U2 . 1  n K on (1  n K on )2 2 K on (1  n)2 2 2 2 2 1  2nK on  n2K on  K on  2nK on  n2K on (1  n K on ) (1  n K on )2 ) 2 2 K on  nK on 2 1  2n K on  K on (1  2n) U1  2 K on (1  n) 2 1  2n K on  K on (1  2n)  2 1  2nK on  K on (2n  1) (1  n K on )2 . U2 . (2) 2 3). Після скорочення на K on виразу (2) та врахування методичних похибок першого та другого порядку малості, маємо: n 1 n 1 1 U3  U1  U2,   ; 2  2  0. (3) 2 2 K on   2n   (1  2n)   2n   (1  2n) K on 15 n 1 n n 1 n U1  U2  U1  U2.  (1  2n)  (1  2n) 2n  1 2n  1 4). Застосуємо позначення з виразу (1): n  R2 / R , R  R1  2R2 , тоді U3  U3  R2 / R R / R  R2 / R R2 R  R2 U1  U2  U1  U2 ; (2R2 / R  R / R) (2R2 / R  R / R) 2R2  R 2R2  R R2 R  R2 R R R U1  U2  (1  2 )  U2  2 U1  U2  2 (U2  U1) (4) R1 R1 R1 R1 R1 5). Отже, відносно виходу 13 ОП1-2 з напругою U3 власна вхідна напруга U1 , перетворюється з коефіцієнтом - R2 / R1 , а протилежна U2 - з коефіцієнтом 1 R2 / R1 , так, як це має місце в класичних підсилювачах з інверсією або без інверсії, що можна отримувати шляхом заземлення входів 5 чи 7. Одночасно, згідно з виразом (4), схема забезпечує різницю вхідних сигналів, зміщену на напругу іншого входу U2 . 6). Схема симетрична стосовно входів та виходів, тому за аналогією попереднього розрахунку можна записати відносно виходу 14 ОП 2: R R R U4  (1  2 )  U1  2 U2  U1  2 (U1  U2 ) . (5) R1 R1 R1 7). Подальше застосування різницевої схеми 21 (сустрактора [3]) дозволяє безпосередньо отримати різницю Up вхідних напруг, у тому числі з відомим для прототипу коефіцієнтом U3   20 25 30 KU  1  2R2 / R1 підсилення [2]:   R2 R 2R 2 (U1  U2 )  U2  2 (U2  U1)  (1  )  (U1  U2 ) . (6) R1 R1 R1   8). Суматор на пасивних елементах, побудований резисторами 8, 9, 10 з виходом 20 від середньої точки 19 резистора 8- R1 , дозволяє отримати напругу U5 суми Uc (з урахуванням Up  U4  U3  U1  встановленої умови R 2 = R3 ). 2 UA 106837 U  (U  U2 ) (U3  U4 ) 1  R R . (7)   U2  2 (U1  U2 )  U1  2 (U1  U2 )  1 2 2  R1 R1 2  9). Заземлення входів U1 = 0 або U2 = 0 призводить до різних варіантів застосування. Можливості універсального інструментального підсилювача систематизовані у таблиці. U5  Uc  Таблиця Можливості універсального інструментального підсилювача Умови за дії вхідних напруг Вихідні напруги U4 U3 (1  U1  U2  0. R2 R )  U2  2 U1. R1 R1 (1  R2 (U2  U1). R1 U1  U2  U1  0. R (1  2 )  U2. R1 U2  0.  U1  U2  Uсф. Uсф. R2 R )  U1  2 U2 . R1 R1 R2 (U1  U2 ). R1 R  2 U2. R1 R2 U1. R1 (1  R2 )  U1. R1 Uсф. U5 0,5  (U3  U4 ); 0,5  (U1  U2 ). 0,5  U2. 0,5  U1. Uсф. Наступні інструментальні перетворення напруг 2R2 Різниця вхідних напруг з підсиленням: U4  U3  (1  )  (U1  U2 ); Uсф.  0. R1 безпосередньо: U3  U4  U2  U1. Сума напруг 5 10 15 20 З аналітичного обґрунтування та систематизованих даних таблиці очевидна універсальність запропонованого інструментального підсилювача. Підвищення точності перетворення пояснюється тим, що на відміну від відомої реалізації, яка, вочевидь, складає два незалежні неінвертуючі каскади з віртуальною нульовою точкою на резисторі R1 [2], запропонований варіант задає обом каскадам спільний негативний зворотний зв'язок цьому резистору. Тому суттєво покращується функціонування всієї схеми. З'являється можливість підсилення сигналів з одночасно різними коефіцієнтами. У запропонованому вигляді дане технічне рішення розширює практичні можливості електроніки, тому може бути застосованим для побудови електронних пристроїв та вузлів радіоелектронної апаратури. Джерела інформації: 1. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир. 1988. - 583 с. ил. (глава 5, с. 282-412). 2. П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники: В 2-х т., т. 1. Изд. стереотип. - М.: "Мир", 1984. - 598 с., ил., п. 7.09. - рис. 7.19. - с. 451-454. 3. Д.О. Федотов, П.Д. Федотов, В.О. Алексеев Дослідження сустрактора та схем на його основі, побудованих на операційних підсилювачах, НТЖ "Технология приборостроения" № 1. 2007. - С. 21-25. 25 3 UA 106837 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 1. Універсальний інструментальний підсилювач, який містить два операційні підсилювачі, неінвертуючі входи яких з'єднані з відповідними входами інструментального підсилювача, а виходи операційних підсилювачів є виходами пристрою та поєднані між собою трьома послідовно з'єднаними резисторами, середній з яких виконано регульованим, який відрізняється тим, що інвертуючий вхід кожного операційного підсилювача зв'язано зі своїм виходом через два з трьох резисторів. 2. Універсальний інструментальний підсилювач за п. 1, який відрізняється тим, що додаткове заземлення входів пристрою забезпечує види класичних перетворень вхідних сигналів. 3. Універсальний інструментальний підсилювач за п. 1, який відрізняється тим, що уведений додатковий вихід пристрою, з'єднаний із середньою точкою середнього резистора, забезпечує суму вхідних сигналів. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4