Функциональный преобразователь постоянного тока, реализующий квадратичную зависимость

 

Использование: в аналоговой вычислительной технике, в измерительных приборах, для повышения точности преобразования и упрощения процесса настройки. Сущность изобретения: функциональный преобразователь содержит полевые транзисторы 1, 2, операционные усилители 3, 4, 11, 12, сумматор 5, резисторы 6, 7, 13, 14, 15, генератор 9 напряжения переменного тока, преобразователь 10 напряжения переменного тока в пропорциональное ему напряжение постоянного тока, конденсаторы 16, 17, 18, 19. За счет соответствующих связей между элементами преобразователя обеспечивается независимость выходного сигнала, пропорционального квадрату входного сигнала, как от температуры полевых транзисторов, так и от особенностей их вольт-амперных характеристик. 1 ил.

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может найти применение в измерительных приборах.

Известны функциональные преобразователи, реализующие квадратичную зависимость в виде ее кусочно-линейной аппроксимации [1] Такие квадраторы состоят из ряда звеньев, содержащих полупроводниковые диоды, включенные в цепь отрицательной обратной связи операционных усилителей. Достоинством их является то, что "индивидуальности" характеристик используемых диодов и зависимости от их температуры почти не влияют на точность преобразования. Однако, конструкция таких преобразователей довольно сложна, так как требуемая точность преобразования зачастую достигается лишь при большом количестве указанных звеньев.

Известен также функциональный преобразователь напряжения постоянного тока, реализующий квадратичную зависимость, действие которого основано на принципе преобразования напряжения в сопротивление полевого транзистора. Такой функциональный преобразователь содержит два полевых транзистора, три операционных усилителя (ОУ) и четыре резистора, в котором неинвертирующие входы всех ОУ соединены с общей шиной, исток первого транзистора соединен с инвертирующим входом первого ОУ, исток второго транзистора с инвертирующим входом второго ОУ, между выходом и инвертирующим входом первого ОУ включен первый резистор, к инвертиpующему входу второго ОУ подключен один из концов второго резистора, а к инвертирующему входу третьего ОУ один из концов третьего резистора, причем между выходом и инвертирующим входом третьего ОУ включен четвертый резистор. В рассматриваемом устройстве затраты транзисторов объединены и соединены с выходом второго ОУ, другой конец второго резистора соединен с выходом третьего ОУ, а другой конец третьего резистора с информационным входом функционального преобразователя и со стоком первого транзистора, при этом сток второго транзистора соединен с входом опорного напряжения функционального преобразователя, а выход первого ОУ является выходом преобразователя [2] В данном устройстве сопротивление между стоком и истоком второго транзистора за счет параметрической отрицательной обратной связи второго ОУ, осуществляемой через затвор указанного транзистора, автоматически устанавливается обратно пропорциональным напряжению входного сигнала, а сопротивление между стоком и истоком первого транзистора "свидетельствует" о величине сопротивления второго транзистора, так как затворы обоих транзисторов соединены между собой и находятся, следовательно, под одним потенциалом. В то же время напряжения на выходе первого ОУ оказывается прямо пропорциональным напряжению входного сигнала и обратно пропорциональным сопротивлению первого транзистора (которое, в свою очередь, обратно пропорционально напряжению входного сигнала). В результате напряжение на выходе первого ОУ оказывается пропорциональным квадрату входного напряжения.

Для нормального функционирования устройства необходимо, чтобы сопротивление первого транзистора "повторяло" сопротивление второго. Это возможно при соблюдении двух условий во-первых, вольт-амперные характеристики транзисторов должны быть идентичными и, во-вторых, рабочие точки транзисторов должны находиться в пределах начальных линейных участков вольт-амперных характеристик во всем диапазоне изменения входного сигнала. Если второе условие не выполняется, то сопротивления транзисторов неизбежно будут отличаться друг от друга, даже при идентичных вольт-амперных характеристиках, поскольку напряжения между стоком и истоком транзисторов различны, ибо первый транзистор находится под напряжением источника входного сигнала, которое изменяется, а второй под напряжением опорного сигнала, остающимся неизменным.

Второе условие сравнительно просто обеспечивается при проектировании устройства и легко корректируется в процессе настройки. Однако соблюдение первого условия сопряжено с подбором транзистора с идентичными вольт-амперными характеристиками, что является трудоемким и кропотливым процессом ввиду большого разброса характеристик полевых транзисторов. Это и является недостатком устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является функциональный преобразователь напряжения постоянного тока, реализующий квадратичную зависимость, содержащий два полевых транзистора, два операционных усилителя (ОУ), два сумматора, два резистора, а также инвертирующий усилитель, причем неинвертирующие входы операционных усилителей соединены с общей шиной, их инвертирующие входы соединены соответственно с истоками первого и второго полевых транзисторов, между инвертирующим входом и выходом первого ОУ включен первый резистор, к инвертирующему входу второго ОУ подключен один из выходов второго резистора, другой вывод которого соединен с выходом инвертирующего усилителя, вход опорного напряжения функционального преобразователя подключен к первому входу первого сумматора, а также к стоку второго транзистора, информационный же вход функционального преобразователя подключен к первому входу второго сумматора, к стоку первого транзистора и входу инвертирующего усилителя, затвор первого транзистора подключен к выходу второго ОУ и к второму входу первого сумматора, а затвор второго транзистора к выходу второго сумматора, выход первого сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, а выход первого ОУ с выходом функционального преобразователя [3] В рассматриваемом устройстве при идентичных параметрах полевых транзисторов сопротивления их между истоком и стоком автоматически "повторяют" друг друга, причем влияние величины входного сигнала на степень синхронности указанного повторения существенно снижено по сравнению с устройством [2] Однако ввиду значительного разброса параметров полевых транзисторов, имеющем место в действительности, сопротивления каналов транзисторов и в данном устройстве оказываются различными, что влечет за собой погрешность преобразования. Подбор же транзисторов с идентичными вольт-амперными характеристиками усложняет процесс настройки преобразователя.

Задача изобретения повышение точности преобразования и упрощение настройки преобразователя.

Для этого в известный функциональный преобразователь напряжения постоянного тока, реализующий квадратичную зависимость, содержащий два полевых транзистора, два операционных усилителя, сумматор и два резистора, в котором неинвертирующие входы операционных усилителей соединены с общей шиной, их инвертирующие входы соединены с истоками соответственно первого и второго полевых транзисторов, а между инвертирующим входом и выходом первого операционного усилителя включен первый резистор, к инвертирующему входу второго операционного усилителя подключен один из выводов второго резистора, а вход опорного напряжения функционального преобразователя подключен к первому входу сумматора, согласно изобретению введены генератор напряжения переменного тока, преобразователь напряжения переменного тока в пропорциональное ему напряжение постоянного тока, третий и четвертый операционные усилители, третий, четвертый и пятый резисторы и четыре конденсатора, причем второй вход и выход сумматора подключены соответственно к выходу первого операционного усилителя, соединенному через преобразователь напряжения переменного тока в пропорциональное ему напряжение постоянного тока с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, и стоку второго полевого транзистора, сток первого полевого транзистора соединен с выходом генератора напряжения переменного тока, затворы первого и второго полевых транзисторов соединены с выходами соответственно третьего и четвертого операционных усилителей, между выходами которых и инвертиpующими входами включены соответственно первый и второй конденсаторы, выход второго операционного усилителя соединен с другим выводом второго резистора, через третий конденсатор с выходом функционального преобразователя и через третий резистор с неинвертиpующим входом четвертого операционного усилителя, соединенным через четвертый конденсатор с общей шиной, инвертирующие входы третьего и четвертого операционных усилителей соединены соответственно через четвертый и пятый резисторы с информационным входом функционального преобразователя.

На чертеже изображена схема предложенного функционального преобразователя.

Устройство содержит первый 1 и второй 2 полевые транзисторы, первый 3 и второй 4 операционные усилителя (ОУ), сумматор 5, первый 6 и второй 7 резисторы, причем неинвертирующие входы усилителей 3 и 4 соединены с общей шиной, их инвертирующие входы с истоками соответственно первого 1 и второго 2 полевых транзисторов, а между выходами и инвертирующими входами усилителей 3 и 4 включены соответственно резисторы 6 и 7, при этом вход 8 опорного напряжения функционального преобразователя подключен к одному из входов сумматора 5. Устройство содержит также генератор 9 напряжения переменного тока, преобразователь 10 напряжения переменного тока в пропорциональное ему напряжение постоянного тока, третий 11 и четвертый 12 операционные усилители, третий 13, четвертый 14 и пятый 15 резисторы и четыре конденсатора 16, 17, 17 и 19, причем второй вход и выход сумматора 5 подключены соответственно к выходу первого усилителя 3 и стоку второго полевого транзистора 2, выход усилителя 3 через преобразователь 10 соединен с неинвертирующим входом третьего усилителя 11, затворы первого 1 и второго 2 полевых транзисторов соединены с выходами соответственно третьего 11 и четвертого 12 усилителей, между выходами которых и инвертирующими входами включены соответственно первый 16 и второй 17 конденсаторы, выход второго усилителя 4 через третий конденсатор 18 соединен с выходом 20 функционального преобразователя и через третий резистор 13 с неинвертирующим входом четвертого усилителя 12, соединенным через четвертый конденсатор 19 с общей шиной, инвертирующие входы третьего 11 и четвертого 12 усилителей соединены соответственно через четвертый 14 и пятый 15 резисторы с информационным входом 21 функционального преобразователя.

Сумматор 5, обведенный пунктирной линией, изображен в виде типовой схемы, содержащей операционный усилитель 22 и резисторы 23, 24 и 25, причем сопротивления резисторов 23 и 24 не обязательно равны друг другу, так что суммирование сигналов, поступающих на входы сумматора 5, может осуществляться, так сказать, с разными "весами".

Выходное напряжение генератора 9 может быть, например, синусоидальным, причем его амплитуда может и не отличаться повышенной стабильностью. Преобразователь 10 может представлять собой, например, выпрямитель, построенный на базе операционного усилителя с полупроводниковыми диодами, включенными в цепь его отрицательной обратной связи, что обеспечивает хорошую линейность преобразования и независимость от температуры. Выпрямитель может быть дополнен фильтром. Преобразователь 10 может быть построен также и по другим схемам.

Полевые транзисторы 1 и 2 могут быть, например, типа КП 103. Будет считать для определенности, что опорное напряжение, подводимое к входу 8, а также напряжение преобразуемого сигнала, подводимое к входу 21, и выходное напряжение преобразователя 10 имеют положительную полярность, что и отражено на фигуре.

Работает функциональный преобразователь следующим образом.

Напряжение переменного тока, выделяемое на выходе ОУЗ под воздействием генератора 9 и зависящее от сопротивления транзистора 1, поступает на вход преобразователя 10 и преобразуется в нем в напряжение постоянного тока в соответствии с соотношением: где U₁₀ напряжение постоянного тока на выходе преобразователя 10; К коэффициент преобразования преобразователя 10; напряжение переменного тока, поступающее с выхода ОУЗ на вход преобразователя 10.

Напряжение U₁₀ подается на неинвертирующий вход ОУ 11 и сравнивается с напряжением U_вх преобразуемого сигнала, поступающего с информационного входа 21 через резистор 14 на инвертирующий вход ОУ 11. При том ОУ 11 охвачен параметрической отрицательной обратной связью, осуществляемой через затвор транзистора 1. Напряжение на выходе ОУ 11, соединенном с затвором транзистра 1, управляет сопротивлением транзистора 1 таким образом, что увеличение напряжения на выходе ОУ 11 сопровождается увеличением сопротивления транзистора 1, а следовательно, уменьшением напряжения переменного тока, поступающего на вход преобразователя 10 и соответственно уменьшением напряжения постоянного тока, воздействующего на неинвертирующий вход ОУ 11, влекущим за собой уменьшение "первоначального" увеличения напряжения на выходе ОУ 11. Так как коэффициент усиления ОУ 11 очень велик, то это означает, что в установившемся состоянии напряжение U₁₀ (на неинвертирующем входе ОУ 11) практически повторяет напряжение входного сигнала, выделяемого на инвертирующем входе ОУ 11: U₁₀=U_вх, (2) где U_вх напряжение входного (преобразуемого) сигнала, подводимое к информационному входу 21.

Из соотношений (1) и (2) следует, что ,
отсюда

т.е. напряжение оказывается пропорциональным входным сигналу и не зависит ни от "индивидуальности" характеристики транзистора 1, ни от его температуры, ни от выходного напряжения генератора 9, если его нестабильность находится, конечно, в "разумных" пределах.

Напряжение с выхода ОЗУ поступает также на один из входов сумматора 5. Кроме того, с входа 8 опорного напряжения на другой вход сумматора поступает напряжение U_o опорного сигнала. Нетрудно показать, что напряжение, выделяемое на выходе сумматора 5, совпадающем с выходом ОУ 22, связано с величинами и U_o следующим образом:

где U₂₂ напряжение на выходе сумматора 5;
U_o опорное напряжение;
R₂₃, R₂₄, R₂₅ соответственно сопротивление резисторов 23, 24, 25.

Напряжение U₂₂ оказывается почти полностью приложенным к сопротивлению сток-исток транзистора 2, так как напряжение на инвертирующем входе ОУ 4, охваченного отрицательной обратной связью (через резистор 7), весьма близко к нулю. При этом сопротивление резистора 25, 23 и 24 всегда могут быть подобраны так, чтобы напряжение U₂₂ не выводило рабочий режим транзистора 2 за пределы линейных лучеобразных начальных участков его вольт-амперных характеристик. В этом случае сопротивление транзистора 2, зависящее от напряжения на затворе, оказывается одинаковым как по постоянному, так и по переменному току. Поэтому

где I_т ток через транзистор 2;
R_т сопротивление между стоком и истоком транзистора 2.

В результате на выходе ОУ 4 появляется напряжение, равное

где U₄ напряжение на выходе ОУ 4;
R₇ сопротивление резистора 7.

Оно представляет собой сумму постоянной и переменной составляющих:

где соответственно постоянная и переменная составляющие напряжения U₄. Из (4) следует, что эти составляющие равны:


Переменная составляющая через конденсатор 18 поступает на выход устройства, а постоянная составляющая, выделяющаяся на выходе фильтра, образованного резистором 13 и конденсатором 19, поступает на неинвертирующий вход ОУ 12 и сравнивается с напряжением входного сигнала U_вх, которое через резистор 15 подается на инвертирующий вход ОУ 12. При этом ОУ 12 оказывается охваченным параметрической отрицательной обратной связью, осуществляемой через затвор транзистора 2. Напряжение, выделяемое на выходе ОУ 12, подается на затвор транзистора 2 и управляет сопротивлением транзистора таким образом, что увеличение напряжения вызывает увеличение сопротивления транзистора, а следовательно, уменьшение коэффициента передачи инвертирующего усилителя, образованного ОУ 4, резистором 7 и сопротивлением сток-исток транзистора 2. В результате увеличение напряжения на выходе ОУ 12 влечет за собой уменьшение напряжения U^o₄ , а значит и уменьшение "первоначального" увеличения напряжения на выходе ОУ 12. В этих условиях при очень большом коэффициенте усиления ОУ 12 напряжение U^o₄ в установившемся режиме практически повторяет напряжение входного сигнала U_вх:
U^o₄=U_вх (7)
С учетом (7) соотношение (5) принимает следующий вид:

откуда следует, что R_т, изменяясь автоматически, оказывается обратно пропорциональным U_вх и принимает значения

которые, таким образом, не зависят ни от температуры, ни от индивидуальных особенностей характеристик используемых транзисторов.

Что касается переменной составляющей , то подстановка в формулу (6) значения R_т, взятого из соотношения (8), приводит к выражению:

которое с учетом соотношения (3) приобретает вид:

Соотношение (9) показывает, что переменная составляющая , поступающая на выход устройства, действительно, пропорциональна квадрату напряжения входного сигнала.

Наличие RC-фильтров, образованных резистором 14 и конденсатором 16 и резистором 15 и конденсатором 17, обеспечивает сигнальную отрицательную обратную связь операционных усилителей 11 и 12 по переменному току, которая предотвращает многократное усиление пульсаций, поступающих на входы этих усилителей с выхода преобразователя 10 и с выхода фильтра, образованного резистором 13 и конденсатором 19. В отсутствии этих RC-цепочек напряжение на затворах транзисторов 1 и 2 под влиянием многократно усиленных пульсаций существенно изменило бы свои значения уже в течение периода колебаний. Это привело бы к искажению колебаний, запутыванию работы устройства и снижению точности преобразования.

В то же время по постоянному току ОУ 11 и ОУ 12 "по-прежнему" остаются охваченными лишь параметрической отрицательной обратной связью через затворы транзисторов 1 и 2, ибо никакой дополнительной обратной связи по постоянному току указанные RC-цепочки не вносят.

Таким образом, предложенный функциональный преобразователь реализует квадратичную зависимость между выходным сигналом переменного тока и входным сигналом напряжения постоянного тока U_вх. При этом ни температуры обоих полевых транзисторов, ни индивидуальные особенности их вольт-амперных характеристик не влияют на величину выходного сигнала, за счет чего повышается точность преобразования и исключается необходимость подбора транзисторов с идентичными характеристиками, т.е. упрощается процесс настройки преобразователя.

Формула изобретения

Функциональный преобразователь постоянного тока, реализующий квадратичную зависимость, содержащий два полевых транзистора, два операционных усилителя, сумматор и два резистора, причем неинвертирующие входы операционных усилителей соединены с общей шиной, их инвертирующие входы соединены с истоками соответственно первого и второго полевых транзисторов, между инвертирующим входом и выходом первого операционного усилителя включен первый резистор, к инвертирующему входу второго операционного усилителя подключен один из выводов второго резистора, вход опорного напряжения функционального преобразователя подключен к первому входу сумматора, отличающийся тем, что в него введены генератор напряжения переменного тока, преобразователь напряжения переменного тока в пропорциональное ему напряжение постоянного тока, третий и четвертый операционные усилители, третий, четвертый и пятый резисторы и четыре конденсатора, причем второй вход и выход сумматора подключен соответственно к выходу первого операционного усилителя, соединенному через преобразователь напряжения переменного тока в пропорциональное ему напряжение постоянного тока с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, и стоку второго полевого транзистора, сток первого полевого транзистора соединен с выходом генератора напряжения переменного тока, затворы первого и второго полевых транзисторов соединены с выходами соответственно третьего и четвертого операционных усилителей, между выходами которых и инвертирующими входами включены соответственно первый и второй конденсаторы, выход второго операционного усилителя соединен с другим выводом второго резистора, через третий конденсатор с выходом функционального преобразователя и через третий резистор с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя, соединенным через четвертый конденсатор с общей шиной, инвертирующие входы третьего и четвертого операционных усилителей соединены соответственно через четвертый и пятый резисторы с информационным входом функционального преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1