Універсальний підсилювач

Реферат: Винахід належить до області електроніки, мікроелектроніки й стосуються використання в радіоелектроніці та у комп'ютерних системах (КС) операційних підсилювачів (ОП), як аналогових компонентів. Універсальний підсилювач включає активну схему на операційному підсилювачі та подільник вхідної напруги з чотирьох послідовно з'єднаних резисторів зростаючої нумерації. Середня точка подільника між другим та третім резисторами з'єднана з виходом операційного підсилювача, який є основним. Початкова та кінцева точки подільника вхідної напруги підключені до відповідних входів універсального підсилювача. Додатково уведені два повторювачі напруги на операційних підсилювачах. Точка між першим і другим резисторами подільника через перший повторювач напруги зв'язана з неінвертуючим входом основного операційного підсилювача. Точка між третім та четвертим резисторами подільника через другий повторювач напруги зв'язана з інвертуючим входом основного операційного підсилювача, а виходи повторювачів напруги наразі також є виходами схеми універсального підсилювача. Винахід забезпечує розширені функціональні можливості, різноманітні коефіцієнти підсилення. UA 102004 C2 (12) UA 102004 C2 UA 102004 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області електроніки, мікроелектроніки й стосується використання в радіоелектроніці та у комп'ютерних системах (КС) операційних підсилювачів (ОП), як аналогових компонентів. Створені на їх основі підсилювачі з різними коефіцієнтами перетворення та ознаками інверсії складають схемо-технічну основу електроніки. Відомі схеми на операційних підсилювачах різноманітного призначення: від підсилення з різним знаком, до виконання операцій чи перетворень заданого виду [Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 583 с. ил. (глава 5, с 282-412)]. Недоліками таких схем є відсутність уніфікації схемних рішень, використання коефіцієнтів перетворення виключно інвертуючого або неінвертуючого виду. Це обмежує можливості аналогової схемотехніки у створенні та використанні ОП у пристроях радіоелектроніки та КС. Найбільш близьким за технічною суттю рішення є універсальний підсилювач, який включає активну схему на операційному підсилювачі й подільник вхідної напруги з чотирьох послідовно з'єднаних резисторів зростаючої нумерації, середня точка подільника між другим та третім резисторами з'єднана з виходом операційного підсилювача, який є основним, а початкова та кінцева точки подільника вхідної напруги підключені до відповідних входів універсального підсилювача. Варіанти універсального підсилювача відрізняються виконанням застосованого подільника напруги [Патент України на винахід № 82119 «Спосіб задання коефіцієнта підсилення активної схеми на операційному підсилювачі та універсальний підсилювач для його реалізації (варіанти)», публ. 11.03.2008, Бюл. № 5, МПК Н03G 3/00, H03F 3/45]. Описані схеми, завдяки способу, дозволяють досягти універсальності у виконанні операції інверсії або не інверсії сигналу, але при цьому вони обмежені у застосуванні різновидів коефіцієнтів перетворення, не мають змоги одночасно здійснювати підсилення з різними значеннями, що вказує на недоліки прототипу. Технічною задачею винаходу є розширення функціональних можливостей та універсальності за рахунок уведення в каналах зворотного зв'язку повторювачів напруги на операційних підсилювачів, що дозволяє здійснювати перетворення у різній комбінації входіввиходів схеми з різноманітними коефіцієнтами підсилення при збереженні позитивних якостей прототипу. Вказана задача вирішується таким чином. В універсальний підсилювач, який включає активну схему на операційному підсилювачі та подільник вхідної напруги з чотирьох послідовно з'єднаних резисторів зростаючої нумерації, середня точка подільника між другим та третім резисторами з'єднана з виходом операційного підсилювача, який є основним, а початкова та кінцева точки подільника вхідної напруги підключені до відповідних входів універсального підсилювача, згідно з винаходом, додатково уведені два повторювачі напруги на операційних підсилювачах, при цьому точка між першим та другим резисторами подільника через перший повторювач напруги зв'язана з неінвертуючим входом основного операційного підсилювача, точка між третім та четвертим резисторами подільника через другий повторювач напруги зв'язана з інвертуючим входом основного операційного підсилювача, а виходи повторювачів напруги, наразі, також є виходами схеми універсального підсилювача. На кресленні представлена принципова схема універсального підсилювача. В табл. 1 наведені коефіцієнти підсилення основного виходу за різних умов формування подільника напруги при симетричному режимі функціонування схеми. У табл. 2 ґрунтуються можливі коефіцієнти підсилення додаткового виходу схеми за доцільної уніфікації використаних резисторів. Універсальний підсилювач за кресл. включає подільник напруги з чотирьох послідовно включених резисторів 1, 2, 3, 4 - відповідно до їх нумерації: R1 – R4, операційний підсилювач 5 (ОП1), вихід 6 якого включено до точки з'єднання резисторів 2 та 3, яка є основним виходом 7 з напругою U3 універсального підсилювача. Точка 8 з'єднання резисторів 1 та 2, які знаходяться у пропорції ділення n1 та характеризуються напругою U4, підключена до неінвертуючого входу 9 операційного підсилювача 10 (ОП2), a точка 11 з напругою U5 у місці з'єднання резисторів 3 та 4, які знаходяться у пропорції ділення n2, підключена до неінвертуючого входу 12 операційного підсилювача 13 (ОП3). Вихід 14 операційного підсилювача 10 для створення повторювача напруги з'єднано з його інвертуючим входом 15, а також з неінвертуючим входом 16 основного операційного підсилювача 5. Аналогічно, вихід 17 операційного підсилювача 13 підключено до його інвертуючого входу 18 (створення повторювача напруги) та до неінвертуючого входу 19 основного операційного підсилювача 5. Вхідна напруга U1 на вході 20 універсального підсилювача заведена на вхід резистора 1, а вхідна напруга U2 подана на резистор 4 входу 21 схеми. 1 UA 102004 C2 5 Роботу універсального підсилювача наводимо логічною послідовністю аналітичного моделювання із застосуванням класичної теорії функціонування систем перетворення та параметричним представленням роботи подільників напруги наступним чином. Виходимо з того, що подільники напруги на резисторах R1, R2 та R3, R4 здійснюють розподіл вхідних напруг U1 та U2 відносно напруги U3 у напруги U4 та U5 відповідно параметрам ділення n1 та n2, наступним чином: n1  10 R1 R1  R 2 1  n1  R2 R1  R 2 n2  R4 R3  R 4 1  n1  К оп  U  1  n2   К оп  U 1 2 1  К оп n2  n1 1  К оп n2  n1 1  n1 1  n2   U U3  U  n2  n1 1 n2  n1 2 , або після спрощення: . (3) У виразі (3) в кожному з каналів вхідних напруг U1 та U2 враховані наявні методичні похибки ∆=1/Коп → 0, які є синфазними та компенсуються за рахунок дії різно-знакових входів 16, 19 ОП1 - 5. При цьому 1  n1  n2  n1 1  n2  n2  n2 20 R3 R3  R 4 ; ; ; . (1) З урахуванням (1) та кресл. маємо розподілені напруги U4 та U5: U4 = n1U3+(1-n1)·U1; U5 = n2U3+(1-n2)·U2 . (2) З використанням (2) та основного рівняння U3=Коп·U4-Коп·U5 ОП1 де Коп - власний коефіцієнт підсилення ОП, опишемо вихідну напругу U3. U3=n1КоуU3+(1-n1)·Коп·U1-n2KoyU3-(1-n2)·Коп·U2, зведемо подібні, тоді U3·[1+Коп(n2-n1)] = (1n1)·Коп-U1-(1-n2)·Коп·U2, звідки U3  15 1  n2  R2 R1  R2 R4 R1  R3  R4 R1  R2 R3 R3  R4 R4 R2  R3  R4 R1  R2  R2 R3  R4  R R  R2R4  2 3 R4 R1  R2   R1R3  R4  R2R4  R1R3 ;  R3 R1  R2  R R  R2R3  1 3 R4 R1  R2   R1R3  R4  R2R4  R1R3 . (4) Після підстановки (4) у (3) маємо резистивний опис процесу підсилення. U3  R2R3  R2R 4 R R  R2R3  U1  1 3  U2 R2R 4  R1R3 R2R 4  R1R3 . (5) В симетричному режимі R1 = R4, R2 = R3 тому n1 = n2, тоді з (3) маємо: U3  25 . (6) Знаменник виразу (6) n2 – n1 → 0 відповідає рівноцінній умові 1/Коп → 0, тому вираз (6) можна переписати з урахуванням (1) наступним чином: U3  30 35 40 1  n1 1  n2 1  n1  U1   U2   U1  U2  n2  n1 n2  n1 n2  n1 1  n1 1 К оп  U1  U2   R2  Коп  U1  U2  R1  R2 . (7) Встановлення у (7) чисельної рівності підсилення КU{3) на виході з U3, a саме: К  R2 U = R ·(U -U ), або U3  , (8) 3 2 1 R1  R2  Коп 2 дозволяє обґрунтувати коефіцієнт - де R2 визначається також чисельно. При цьому КU