Усилитель

 

Использование: для усиления сигналов с высокой динамической точностью. Сущность изобретения: в усилитель, построенный на двух операционных усилителях (прецизионном и быстродействующем) вводится дополнительный резистор, причем соотношение между номиналами резисторов выбирается таким образом, что суммарная амплитудно-частотная характеристика усилителя имеет наклон - 20 дБ/дек. В результате динамические свойства усилителя определяются быстродействующим операционным усилителем, а точность - характеристиками прецизионного операционного усилителя. 1 ил.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для усиления сигналов с высокой динамической точностью.

Известен усилитель, содержащий первый и второй операционные усилители (ОУ), охваченные независимыми отрицательными обратными связями и включенные последовательно [1] Его недостатком является низкая динамическая точность. Из известных усилителей наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в [2] Этот усилитель состоит из первого ОУ и второго ОУ, первого и второго резисторов, причем первый резистор включен между входом усилителя и инвертирующим входом первого ОУ, второй резистор включен между инвертирующим входом и выходом второго ОУ, неинвертирующий вход первого ОУ соединен с общей шиной, неинвертирующий вход второго ОУ соединен с выходом первого ОУ, выход второго ОУ является выходом усилителя.

Задача данного изобретения состоит в повышении динамической точности. Поставленная задача решается тем, что в усилитель, состоящий из первого ОУ и второго ОУ, первого и второго резисторов, причем первый резистор включен между входом усилителя и инвертирующим входом первого ОУ, второй резистор включен между инвертирующим входом и выходом второго ОУ, неинвертирующий вход первого ОУ соединен с общей шиной, неинвертирующий вход второго ОУ соединен с выходом первого ОУ, выход второго ОУ является выходом усилителя, вводится дополнительный резистор, который включен между инвертирующими входами первого и второго ОУ, причем соотношение резисторов выбрано равным (R_д+ R₂)/R₁ K, , где R₁, R₂, R_д - соответственно первый, второй и дополнительный резисторы, f₁ и f₂ частоты единичного усиления первого и второго ОУ.

Существо предложения поясняется чертежом, где представлена схема усилителя, которая содержит: 1 первый резистор (R1), 2 первый ОУ, 3 - дополнительный резистор (Rд), 4 второй ОУ, 5 второй резистор (R2).

Элементы схемы соединены следующим образом: первый резистор включен между входом усилителя и инвертирующим входом первого ОУ, второй резистор включен между инвертирующим входом и выходом второго ОУ, неинвертирующий вход первого ОУ соединен с общей шиной, неинвертирующий вход второго ОУ соединен с выходом первого ОУ, выход второго ОУ является выходом усилителя, вводится дополнительный резистор, который включен между инвертирующими входами первого и второго ОУ.

Схема усилителя работает следующим образом: первый ОУ, который определяет напряжение смещения и температурный дрейф напряжения смещения всего усилителя, реализуется на прецизионном ОУ и, как правило, имеет низкое быстродействие. Второй же ОУ, который практически не влияет на напряжение смещения и его температурный дрейф, может быть реализован на основе быстродействующего ОУ. При поступлении на вход усилителя скачка напряжения вначале из-за запаздывания, вызванного низким быстродействием первого ОУ, выходное напряжение определяется вторым ОУ. Затем, по мере нарастания выходного напряжения, все в большей степени первым ОУ и в конечном счете на постоянном токе только первым ОУ. Для пояснения положительного эффекта представим ОУ линейными инерционными звеньями первого порядка. При этом их передаточные характеристики можно представить в виде: K₁(p) = K₁/(1+p₁); K₂(p) = K₂/(1+p₂) (1) где К₁ и К₂ коэффициенты усиления первого и второго ОУ на постоянном токе соответственно, ₁ и ₂ их постоянные времени. С учетом выполнения неравенств К₁ >> 1 и К₂ >> 1 передаточная характеристика усилителя может быть представлена в виде: (2) где К₀ 1 + (R_д + R₃)/R₁, 1 + R₂/R₁, (3) C учетом того, что t₁/K₁= 1/2f₁ и ₂/K₂= 1/2f₂, где f₁ и f₂ частоты единичного усиления соответственно первого и второго операционных усилителей, передаточную характеристику усилителя можно представить в виде: (4) знаменатель правой части можно представить в виде: (5)
где и ₀ степень ускорения и круговая резонансная частота, причем
(6)
(7)
Представим формулу (2) в виде
(8)
где
(9)
(10)
(11)
Из (6), (7), (9) (11) видно, что если на выбранных ОУ1 и ОУ2 значения f₁ и f₂ известны, а значение К₀ задано, то значение f₀ целиком определено, а , Т₁, Т₂, Т₃ зависят от a, т.е. от соотношения R_д/R₁.

Для заявляемой схемы интерес представляет значение a, определяемое формулой:
(12)
причем
при f₁ << f₂.

При данном значении нуль функции (8) совпадает с одним из полюсов этой функции.

Существует некоторое граничное значение К₀, определяемое формулой
(13)
При К < К_гр выбор обеспечивает
(14)
и обращение (8) в
Ку(р) (K₀- 1)/(1 + pT₂) (15)
где Т₂ определяется (10) при .

При К > К_гр
(16)
и формула (8) обращается в
К_у(р) (К 1)/(1 + рТ₁) (17)
где Т₁ определяется (9) при . Передаточным характеристикам (15) и (17) соответствует асимптотическая ЛАЧХ с наклоном -20 дБ/дек.

Из изложенного видно, что при выполнении предложенного авторами условия передаточная характеристика становится близкой к передаточной характеристике инерционного звена первого порядка, которое имеет меньшее по сравнению с прототипом время установления до заданной точности.

В качестве первого ОУ может быть использована микросхема типа К140УД17А, а в качестве второго микросхема типа К544УЛ2А. Резисторы могут быть взяты типа С2-29В.

Источники информации
1. А. Г. Алексенко, Е.А.Коломбет, Г.И.Стародуб. Применение прецизионных аналоговых микросхем. М. Радио и связь, 1985, с. 22, рис. 1.16.

2. Усилители с параллельными каналами.// Приборы и элементы автоматики и вычислительной техники. 1988, N 45, с. 5, рис. 1 (прототип).

Формула изобретения

Усилитель, содержащий первый и второй операционные усилители, первый и второй резисторы, причем первый вывод первого резистора является входом усилителя, а второй вывод соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого является выходом усилителя и через второй резистор соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, отличающийся тем, что в него введен дополнительный резистор, включенный между инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей, причем соотношение резисторов выбрано равным
(R_д + R₂) /R₁ K₁;

где R₁, R₂, R_д первый второй и дополнительный резисторы соответственно;
f₁, f₂ частоты единичного усиления первого и второго операционных усилителей.

РИСУНКИ

Рисунок 1