Симетричний зарядочутливий підсилювач з одним колом корекції

Реферат: Симетричний зарядочутливий підсилювач з одним колом корекції. Підсилювач належить до вимірювальної техніки, а саме до вимірювачів вібрацій, та може бути використаний в машинобудуванні, енергодобувних, авіаційних і ракетних технологіях. У симетричний зарядочутливий підсилювач з одним колом корекції, який містить корпус, операційні підсилювачі ОП1 та ОП2, а також резистори R1, R2, R3, R4, R5, R6 та конденсатори С1, С2, С3, згідно з винаходом введено два операційні підсилювачі ОП3, ОП4, та резистори R7, R8. За рахунок уведення двох операційних підсилювачів підвищена захищеність від піроелектричної завади, а також забезпечується стабільна робота схеми за рахунок введення резисторів R7 та R8. У цій схемі ОП3 використовується як повторювач напруги, а ОП4 - як інвертор, що дозволяє створити віртуальне друге коло корекції. UA 105306 C2 (12) UA 105306 C2 UA 105306 C2 5 10 15 Пропонований винахід належить до вимірювальної техніки, а саме до вимірювачів вібрацій, та може бути використаний в машинобудуванні, енергодобувних, авіаційних і ракетних технологіях. Відомий вимірювальний підсилювач, що містить вхідний операційний підсилювач ОП1, перший Rl, C1 та другий R2, C2 паралельні ланцюги, резистори R3, R4 та операційний підсилювач ОП2, при цьому інвертуючий вхід ОП2 сполучено з виходом підсилювача ОП1, а неінвертуючий з'єднаний з корпусом, при цьому ланцюг R 1, С1 включено між інвертуючим входом ОП1 і інвертуючим входом ОП2, а ланцюг R2, C2 - між неінвертуючим входом ОП1 і виходом ОП2, резистор R3 включено між виходом ОП1 та інвертуючим входом ОП2, а резистор R4 - між інвертуючим входом ОП2 та виходом ОП2, вхід схеми - інвертуючий та неінвертуючий входи ОП1, а вихід - вихід ОП2 та заземлений корпус [1]. Недоліки аналогу: до входу вимірювального підсилювача підключений п'єзодатчик, у якому при дії градієнта температур виникає генерування піроелектричних зарядів, що приводить до появи повільно змінного струму, який протікає на вході вимірювального підсилювача. Максимальна величина цього струму Iв х.макс / C  dq / d C Uв их.макс  dt R зз   C , де: dq / d C - зміна величини заряду на виході датчика під дією зміни температури і часу, Uв их.макс - максимальна амплітуда напруги на виході підсилювача, Rзз - резистор у ланцюзі 20 25 30 35 40 45 50 55 зворотного зв'язку,  C - перепад температури [2]. При великих значеннях Rзз відбувається перевантаження підсилювача і апаратура може втрачати працездатність на довгий час. Також виникають труднощі, пов'язані з необхідністю регулювання та налаштування великої кількості елементів, при цьому для досягнення необхідного ефекту від схеми доводиться ставити дуже дорогі елементи з малим розкидом номіналів. Найбільш близьким по технічній суті та результату, що досягається, є вимірювальний підсилювач, який містить вхідний операційний підсилювач ОП1, резистори R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, конденсатори С1, С2, С3, С4, та операційний підсилювач ОП2, при цьому ємність С 1 підключено до інвертуючого входу ОП1 та виходу підсилювача ОП1, резистор R1 підключено до інвертуючого входу ОП1 та виходу підсилювача ОП1 через частото-залежний дільник С3, R3, R4, ємність С2 підключено до неінвертуючого входу ОП1 та виходу ОП2, резистор R2 підключено до неінвертуючого входу ОП1 та виходу ОП2 через частото-залежний дільник C4, R7, R8, резистор R5 включено між інвертуючим входом ОП2 та виходом ОП1, резистор R6 включено між інвертуючим входом ОП2 та виходом ОП2, неінвертуючий вхід ОП2 з'єднаний з корпусом [3]. Недоліки прототипу: при регулюванні величини резистора R8 величина резистора R2 стає рівною сумі величин двох резисторів R1 та R7, тому виникає необхідність регулювання та налаштування великої кількості елементів, при цьому для досягнення необхідного ефекту від схеми доводиться ставити дуже дорогі елементи з малим розкидом номіналів. Необхідно налаштовувати одночасно два кола корекції, а це дуже дорого, тому що необхідно підібрати елементи кіл корекції з великою точністю, а це призводить до складнощів у забезпеченні стабільності схеми та захищеності її від піроелектричної завади. Задача винаходу - створення симетричного зарядочутливого підсилювача з одним колом корекції, в якому шляхом уведення двох операційних підсилювачів забезпечується поліпшення стабільності та зменшення елементів, які необхідно налаштовувати. Технічний ефект симетричного зарядочутливого підсилювача з одним колом корекції - у порівнянні з прототипом шляхом уведення двох операційних підсилювачів забезпечена відсутність другого дорогоцінного кола корекції, тим самим підвищена захищеність від піроелектричної завади, а відсутність суми величин двох резисторів R 1 та R7 дозволяє уникнути великого значення ємності С2. У порівнянні з прототипом, у симетричному зарядочутливому підсилювачі з одним колом корекції замість другого кола корекції (резисторів R7, R8 та ємності С4) введено два операційних підсилювачі ОП3 та ОП4 з паралельним зворотнім зв'язком (ЗЗ) за напругою, які мають коефіцієнти підсилення КОП3=1 та КОП4 = -1, та вихідні опори RвихОП3=RвихОП4=0, що забезпечують ліквідацію паразитної суми двох опорів R1+R7 у другому дільнику та призводять до зникнення необхідності введення в схему великого значення ємності С2, а також для забезпечення стабільної роботи схеми до операційних підсилювачів ОП3 та ОП4 введено резистори R7 та R8 (Фіг. 1). У цій схемі ОП3 використовується як повторювач напруги, а ОП4 - як інвертор, що дозволяє створити віртуальне друге коло корекції. 1 UA 105306 C2 5 10 15 Поставлена задача вирішується тим, що у симетричний зарядочутливий підсилювач з одним колом корекції, який містить корпус, два операційні підсилювачі ОП1 та ОП2, а також резистори R1, R2, R3, R4, R5, R6 та конденсатори С1, С2, С3, при цьому ємність С1 включено між інвертуючим входом та виходом підсилювача ОП1, резистор R 1 підключено до інвертуючого входу ОП1, ємність С2 включено між неінвертуючим входом ОП1 та виходом ОП2, резистор R2 підключено до неінвертуючого входу ОП1, частото-залежний дільник R3, R4, C3 включено між корпусом та виходом ОП1, резистор R5 включено між виходом ОП1 та інвертуючим входом ОП2, резистор R6 включено між інвертуючим входом та виходом ОП2, неінвертуючий вхід ОП2 з'єднаний з корпусом, вхід ОП1 - вхід пристрою, вихід ОП2 - вихід пристрою, згідно з винаходом введено два операційні підсилювачі ОП3, ОП4, та резистори R 7, R8, при цьому резистор R1 підключено до інвертуючого входу ОП3, резистор R2 підключено до виходу ОП4, ємність С3 підключено між корпусом та резистором R3, резистор R3 підключено між ємністю С3 та з'єднанням резистора R4 та неінвертуючого входу ОП3, резистор R4 підключено між резистором R3 та виходом ОП1, резистор R5 підключено між інвертуючим входом ОП2 та виходом ОП1, інвертуючий вхід ОП3 з'єднаний з виходом ОП3, резистор R7 підключено між виходом ОП3 та інвертуючим входом ОП4, резистор R8 підключено між інвертуючим входом ОП4 та виходом ОП4. Коефіцієнт зворотного зв'язку   1 R3 R1  R 4 20 25 30 показує в скільки разів відбулося підвищення початкового зсуву на вході операційного підсилювача ОП1. У результаті введення в схему конденсатору C 3 зворотній зв'язок по постійному струму стає 100 %, тобто коефіцієнт передачі негативного зворотного зв'язку Кзз = 1 і вихідна напруга в схемі дорівнює напрузі зміщення Uвих = Uзм. Введення конденсатору С3 забезпечує зростання ефективної величини резистора R3 тільки в області робочих частот, що дозволяє зменшити вплив піроелектричних струмів на початковий зсув вимірювального підсилювача в   1 R 4 разів. У цьому випадку величина постійної часу ланцюга зворотного R3 зв'язку описується наступним виразом:  R  зз  Cзз  R зз 1  4  R 3     Cзз  R зз   ,   де Cзз - ємність зворотного зв'язку, Cзз  С1  С2 ; Rзз - опір зворотного зв'язку, Rзз  R1  R2 . Ширина смуги пропускання в області низьких частот визначається наступним виразом: 35 ƒн  1  R  2  R зз  Cзз  1  4   R  3  , тобто розшириться в   1 R 4 разів. R3 40 Дільник в ланцюзі зворотного зв'язку в цьому випадку стає частотно-залежним. Коефіцієнт підсилення за напругою (коефіцієнт передачі) уявляє собою відношення вихідної напруги підсилювача Uвих до вхідної Uвх, та має наступний вигляд: Ku  Uв их Cp   Uв х Cзз 1 1 , 1  j  k 1  j        j  k      45 2 UA 105306 C2 де Cp - роздільна ємність, Cp  Cз ;  - циклічна частота,   2  ƒн , де ƒ н - нижня гранична частота;  - постійна часу зворотного зв'язку,   RззCзз ; k - постійна часу дільника, k  R3  Cp . Зробивши перетворення, отримали остаточний вираз коефіцієнта підсилення за напругою 5 (1):   1 , K u  C  1         1  k   j  2    k  1      де C - частотно-залежний коефіцієнт, C  Cp C1  Cз , C1 10 1 1 - коефіцієнт, зворотно пропорційний коефіцієнту β, 1  .  Зробивши перетворення виразу (1), отримали модуль коефіцієнта підсилення за напругою (2): 15   1   . (2) K u  C  1   2 2 2 2 2 2 2    2    k  1    1  k  1          1  1     20 25 30 35 40 45    Суть винаходу пояснюється кресленням, де на Фіг. 1 зображений симетричний зарядочутливий підсилювач з одним колом корекції, який містить вхідний операційний підсилювач ОП1, резистори R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, конденсатори C1, C2, C3, вихідний операційний підсилювач ОП2, операційний підсилювач ОП3 (повторювач напруги) та операційний підсилювач ОП4 (інвертор), при цьому ємність С1 підключено до інвертуючого входу ОП1 та виходу підсилювача ОП1, резистор R 1 підключено до інвертуючого входу ОП1 та інвертуючого входу ОП3, ємність С2 підключено між неінвертуючим входом ОП1 та виходом ОП2, резистор R2 підключено між неінвертуючим входом ОП1 та виходом ОП4, ємність С3 підключено між корпусом та резистором R3, резистор R3 підключено між ємністю С3 та вузлом, до якого підключені резистор R4 та неінвертуючий вхід ОП3, резистор R4 підключено між резистором R3 та виходом ОП1, резистор R5 підключено між інвертуючим входом ОП2 та виходом ОП1, резистор R6 підключено між інвертуючим входом ОП2 та виходом ОП2, неінвертуючий вхід ОП2 з'єднаний з корпусом, інвертуючий вхід ОП3 з'єднаний з виходом ОП3, резистор R7 підключено між виходом ОП3 та інвертуючим входом ОП4, резистор R8 підключено між інвертуючим входом ОП4 та виходом ОП4. У схемі симетричного зарядочутливого підсилювача з одним колом корекції (Фіг. 1) на операційних підсилювачах ОП1 - ОП4 знаки (+) та (-) показують полярність миттєвої напруги (у графічному зображенні підсилювача знаком «-» маркується інвертуючий вхід, а знаком «+» неінвертуючий) [4]. Пристрій працює таким чином. Під дією вібрацій посадочного місця датчик виробляє заряд q, пропорційний величині механічного прискорення, що впливає на нього. Заряд поступає на симетричний зарядочутливий підсилювач з одним колом корекції, де перетвориться у вихідну напругу за допомогою ємкостей С1, С2 в ланцюгах зворотного зв'язку, що охоплює підсилювач. Величина вихідного сигналу Uв их  q  Cзз . Одночасно, разом з корисним сигналом на вхід підсилювача поступає паразитний сигнал   I t  , t , викликаний перепадами температур в місці установки датчика. У цьому випадку   величина вихідного сигналу стає рівною Uв их  I t  , t  R зз , це може значно перевищувати корисний сигнал і порушувати нормальну роботу апаратури. Аналіз роботи симетричного зарядочутливого підсилювача з одним колом корекції, проведений з використанням методу Брауде [1], показав, що максимально плоску форму 3 UA 105306 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 амплітудно-частотної характеристики можна отримати лише при виборі постійної часу ланцюга корекції з вираження: K  2    1 . Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) симетричного зарядочутливого підсилювача з одним колом корекції з корекцією і без корекції в області НЧ представлена на рисунку (Фіг. 2). Результати випробування п'єзоелектричного датчика типа ABC-132 на дію температурного градієнта, підключеного до входу симетричного зарядочутливого підсилювача з одним колом корекції, наведені на рисунку (Фіг. 3). Випробування було проведено з використанням методу Брауде [1]. Отримані параметри симетричного зарядочутливого підсилювача з одним колом корекції з низькочастотною корекцією з низькочастотною корекцією при β = 10 приведені на рисунку (Фіг. 3, а). 1. Ємність в ланцюзі зворотного зв'язку Сзз = 100 пФ обрана, виходячи з чутливості 2 п'єзоелектричного датчика типа АВС-132, яка дорівнює 0,7 пК/(м/с ), а також умов подальшої експлуатації. 8 2. Величина резистора в ланцюзі зворотного зв'язку R1=10 Ом обрана виходячи із значення нижньої граничної частоти ƒн = 1,5 Гц. 3. Введена низькочастотна корекція з коефіцієнтом   1  R 4  10 , величина резистора R3 R4=20 МОм, резистора R3=2 МОм. Величина ємкості корекції С3=10 мкФ, що дозволило отримати необхідну нижню граничну частоту ƒн = 1,5 Гц зі спадом АЧХ -40 дб/дек. При β = 10 значення Uвих симетричного зарядочутливого підсилювача з одним колом корекції з низькочастотною корекцією змінилося всього на 2,8 В навіть при перепаді температур Δ°t=100 °C. Вимірювальний підсилювач зберіг працездатність, і сигнал з його виходу був нормально оброблений. Обмеження вихідного сигналу Uвих = +7В не спостерігалося, оскільки максимальне значення вихідної напруги в застосованого операційного підсилювача Uвих_макс = +14В. Отримані параметри симетричного зарядочутливого підсилювача з одним колом корекції з низькочастотною корекцією при β = 30 приведені на рисунку (Фіг. 3, б.) 1. Ємність в ланцюзі зворотного зв'язку Сзз = 100 пФ вибрана, виходячи з чутливості 2 п'єзоелектричного датчика типа АВС-132, яка дорівнює 0,7 пК/(м/с ), а також умов подальшої експлуатації. 8 2. Величина резистора в ланцюзі зворотного зв'язку R1=10 Ом обрана виходячи із значення нижньої граничної частоти ƒн = 1,5 Гц. 3. Введена низькочастотна корекція з коефіцієнтом   1  R 4  30 , величина резистора R3 R4=20 МОм, резистора R3=0,7 МОм. Величина ємності корекції С3=10 мкФ, що дозволило отримати необхідну нижню граничну частоту ƒн = 1,5 Гц із спадом АЧХ -40 дб/дек. При β = 30, навіть при перепаді температур Δ°t=100 °C, значення Uвих симетричного зарядочутливого підсилювача з одним колом корекції з низькочастотною корекцією змінилося всього на 0,93В. Симетричний зарядочутливий підсилювач з одним колом корекції зберіг працездатність і сигнал з його виходу був нормально оброблений. Отримані результати підтверджують правильність прийнятих заходів по зниженню впливу піроелектричних струмів, викликаних дією градієнта температури на п'єзоелектричний датчик, на рівень вихідної напруги зарядочутливого підсилювача. Оберемо значення нижньої граничної частоти ƒн = 1,5 Гц, та номінали елементів схеми (Фіг. 1): С1 = С2=100 пФ, С3=200 нФ, R1=R2=100 МОм, R3=1000 МОм, R4=10 МОм, R5=R6=R7=R8=10 кОм. У цьому випадку за виразом (2) отримаємо значення коефіцієнту підсилення за напругою Ku=2001 разів, або 66 дБ. При цьому коефіцієнт низькочастотної корекції β = 1,01, коефіцієнт α = 10, коефіцієнт α1=0,99, а коефіцієнт С = 2000. Так як коефіцієнт підсилення за напругою є константою, то абсолютна нестабільність dK u зарядочутливого підсилювача  абс.   1 . Звідси відносна нестабільність зарядочутливого dt підсилювача  1 в ідн.  абс.   0,0005 , Ku 2001 або у відсотках в ідн.  0,05% При 5 % відхиленні у номіналах елементів схеми похибка схеми δ5 % складає: 4 UA 105306 C2 5%  2 R1 2 R1  R2 2 R2 2  ...  2 R8 2 R8  2 C1 2 C1  2 Cc C2 2  2 C3 2 C3  0,16583 . При цьому похибка коефіцієнта підсилення за напругою ΔKu становить: 5   K u   5%   100 %  0,0083 % .  K   u  При 10 % відхиленні у номіналах елементів схеми похибки схеми δ10 % складає: 10 10%  2 R1 2 R1  R2 2 R2 2  ...  2 R8 2 R8  2 C1 2 C1  2 Cc C2 2  2 C3 2 C3  0,33166 . При цьому похибка коефіцієнта підсилення за напругою ΔKu становить:   K u   10%   100 %  0,0166 % .  K   u  15 20 25 30 35 40 45 50 Оскільки похибка коефіцієнта підсилення за напругою навіть при 10 % відхиленні у номіналах елементів схеми складає 0,0166 %, робимо висновок, що схема симетричного зарядочутливого підсилювача з одним колом корекції є дуже стабільною і має великий коефіцієнт підсилення, на який несуттєво впливає відхилення у номіналах елементів схеми. За результатами проведених досліджень, були вибрані наступні оптимальні номінали елементів схеми: ємність С1=100 пФ, ємність С2=100 пФ, ємність С3=200 нФ, резистор R1=100 МОм, R2=100 МОм, R3=1000 МОм, R4=10 МОм, R5=10 кОм, R6=10 кОм, R7=10 кОм, R8=10 кОм, усі чотири операційні підсилювачі ОП 1-4-TL071. Джерела інформації: 1. Максимов В.П, Егоров И.В., Карасев В.А. Измерение, обработка и анализ быстропеременных процессов в машинах. - М.: Машиностроение, 1987. 2. Пьезоэлектрические преобразователи / В.М. Шарапов, И.Г. Минаев, Ю.Ю. Бондаренко, и др. - Черкассы, ЧГТУ, 2004.-435 с. 3. Заявка на винахід № а 201113649, дата подання 21.11.2011, МПК (2011) H03F 3/70 G01P 15/09, "Вимірювальний підсилювач", публ. Б, № 7, 10.04.2012. 4. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учебник для вузов.-2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1983. - 264 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Симетричний зарядочутливий підсилювач з одним колом корекції, який містить корпус, операційні підсилювачі ОП1 та ОП2, а також резистори R1, R2, R3, R4, R5, R6 та конденсатори С1, С2, С3, при цьому ємність С1 включено між інвертуючим входом та виходом підсилювача ОП1, резистор R1 підключено до інвертуючого входу ОП1, ємність С2 включено між неінвертуючим входом ОП1 та виходом ОП2, резистор R2 підключено до неінвертуючого входу ОП1, частотнозалежний дільник R3, R4, С3 включено між корпусом та виходом ОП1, резистор R5 включено між виходом ОП1 та інвертуючим входом ОП2, резистор R6 включено між інвертуючим входом та виходом ОП2, неінвертуючий вхід ОП2 з'єднаний з корпусом, вхід ОП1 - вхід пристрою, вихід ОП2 - вихід пристрою, який відрізняється тим, що введено два операційні підсилювачі ОП3, ОП4 та резистори R7, R8, при цьому резистор R1 підключено до інвертуючого входу ОП3, резистор R2 підключено до виходу ОП4, ємність С3 підключено між корпусом та резистором R3, резистор R3 підключено між ємністю С3 та з'єднанням резистора R4 та неінвертуючого входу ОП3, резистор R4 підключено між резистором R3 та виходом ОП1, інвертуючий вхід ОП3 з'єднаний з виходом ОП3, резистор R7 підключено між виходом ОП3 та інвертуючим входом ОП4, резистор R8 підключено між інвертуючим входом ОП4 та виходом ОП4. 5 UA 105306 C2 6 UA 105306 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7