Аналоговый умножитель

 

Союз Советскик

Социалистическик

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< 1 945871 (6l.) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 07 07. 80 (21) 2995854/18-24 с присоединением заявки РЙ (23) Приоритет. (5! )М. Кд.

G 06 G 7/163

3Ъеудареткнный комнтет

СССР ню делам нзабретеннй н, открытий

Опубликовано 23. 07. 82. Бюллетень № 27

Дата опубликования описания 2 .07.82 (53). УД К 681. .335(088.8) (72) АвтоР изобретейия

В. В. Иванютин

Куйбышевский электротехнический институт св (71) Заявитель (54) АНАЛОГОВЫЙ УИНОЖИТЕЛЬ

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано в системах обработки сигналов, измерительных приборах и системах связи.

Известны аналоговые умножители, основанные на принципе управления коэффициентом передачи управляемого аттенюатора, в состав которых входят элементы с регулируемым сопротивлением, например полевые транзисторы (1 .

Известные умножители характеризуются низкой точностью и узким частотным диапазоном входных сигналов, Наиболее близким к изобретению является аналоговый умножитель, содержащий входной дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого подключен через первый и второй 2î масштабные резисторы соответственно к источнику первого перемножаемого сигнала и источнику напряжения смещения, а неинвертирующий — через

2 третий масштабный резистор к шине нулевого потенциала, первый и второй управляемые резисторы, выполненные, например, на полевых транзисторах, масштабные резисторы, делитель напряжения и выходной дифференциальный усилитель 2 j.

Недостатками известного умножителя являются снижение его точности при расширении спектров входных сигналов, невысокая температурная стабильность коэффициента преобразования и начального выходного уровня. Это связано с тем, что в нем применяются дифференциальные усилители, вносящие значительные фазовые сдвиги высокочастотных составЛяющих спектров сигналов и обладающие дрейфом нуля, а также тем, что в области высоких частот сопротивления межэлектродных емкостей полевых транзисторов, уменьшаются,и через эти емкости протекают сравнительные большие токи.

Так, например, через емкость затворЦепь коррекции температурной погрешности содержит два последовательно соединенных постоянных резистора, первый вывод первого постоянного резистора является входом цепи коррекции температурной погрешности, а втотора подключен к шине нулевого потенциала, и .терморезистор, включенный параллельно второму постоянному резистору, второй вывод первого посто" янного резистора является выходом цепи коррекции .температурной погрешности.

На Фиг. 1 приведена Функциональная схема аналогового умножителя; на фиг. 2 - функциональная схема кордва управляемых делителя напряжения

1 и 2, состоящих из постоянных резисторов 3 и 4 и полевых транзисторов 5 и 6, дифференциальный усилитель 7, корректирующий преобразователь 8, симметрирующий переменный резистор 9, неинвертирующий 10 и ин-ертирующий

11 масштабные преобразователи и нейтрализующие конденсаторы 12 и .13.

Корректирующий преобразователь 8 содержит два усилительных блока 14 и 15, цепь коррекции температурной погрешности 16, выполненную на резисторах 17 и 18 и терморезисторе 19, фазосдвигающая RC-.öåïü 20, выполненную на резисторе 21 и конденсаторе 22.

Аналоговый умножитель работает следующим образом.

Управляемые делители напряжения 1 и 2 выполняют операции аналогового перемножения, формируя выходной сигнал, содержащий составляющую, пропорциональную произведению их входного и управляющего напряжений.

Усилитель 7 служит для выделения и усиления разности выходных сигналов управляемых делителей напряжения, про" порциональной произведению входных сигналов умножителя.

Корректирующий преобразователь 8 обеспечивает коррекцию частотной и температурной погрешностей перемножителя и преобразование масштаба пер-. вого перемножаемого сигнала, поступающего через него на входы управляемых делителей напряжения.

Коррекции. температурной погрешности умножителя можно достигнуть, введя в канал преобразования одного

3 945871 4 сток полевого транзистора протекает ток, обусловленный подводимым к цепи затвора сигналом. Указанный ток протекает через участок исток-сток полевого транзистора и вызывает появ5 ление на этом участке напряжения, складывающегося с выходным сигналом рой вывод второго постоянного резисуправляемого аттенюатора. Это .ведет к повышению погрешности умножения, увеличивающейся с ростом частоты сигнала, действующего в цепи затвора.

Целью изобретения является повышение точности и расширение частотного диапазона входных сигналов.

Эта цель достигается тем, что в аналоговый умножитель, содержащий дифференциальный усилитель, выход которого является выходом умножителя ректирующего преобразователя. и два управляемых делителя напряже- Аналоговый умножитель содержит ния, введены инвертирующий и неинвертирующий масштабные преобразователи, корректирующий преобразователь, симметрирующий переменный резистор и два нейтрализующих конденсатора, вход корректируВщего преобразователя явля- ется первым входом умножителя, а выход - подключен к среднему ьыводу симметрирующего переменного резистора, крайние выводы которого соответственно подключены к информационным входам управляемых делителей напряжения, входы инвертирующего и неинвертирующего масштабных преобразователей обьединены и являются вторым входом умножителя, выход инвертирующего масштабного преобразователя подключен к управляющему входу первого управляемого делителя напряжения и через первый нейтрализующий конденсатор подключен к выходу второго управляемого делителя

Щ напряжения и к. первому входу дифференциального усилителя, выход неинвертирующего масштабного преобразователя подключен к управляющему входу второго управляемого делителя напряжения и через второй неитрализующий конден45 сатор. подключен к выходу .первого управляемого делителя напряжения и к второму входу дифференциального усилителя.

Корректирующий преобразователь со- держит последовательно включенные пер-, вый усилительный блок, цепь коррекции температурной погрешности, второй усилительный блок и Фазосдвигающую

RC-цепь выход которой является выходом преобразователя, вход первого усилительного блока является входом преобразователя.

71 6 степени, а фазовая характеристика е области высоких частот такова, что усили ваемый си гнал получает положительный фазовый сдвиг.

Введение в схему симметрирующего переменного резистора 9 позволяет выравнивать коэффициенты передачи управляемых делителей напряжения по входному сигналу для подавления в выходном сигнале перемножителя состав- ляющей, пропорциональной входному напряжению управляемых делителей напряжения.

Неинвертирующий 10 и инвертирующий

11 масштабные преобразователи обеспечивают преобразование масштаба второго входного перемножаемого сигнала.

Они имеют одинаковые по величине, но отличающиеся по фазе на 180 выходные напряжения.

Нейтрализующие конденсаторы 12 и

13 введены для нейтрализации в цепях исток-сток полевых транзисторов токов, протекающих через емкости затвор-сток под действием выходных сигналов масштабных преобразователей и вызывающих появление погрешности перемножения, возрастающей с частотой этих сигналов.

Зависимость сопротивления истоксток полевых транзисторов с р-и переходом при малых напряжениях между истоком и стоком выражается формулой

Ro

0С

ОС RVCO + Ъ1

5 9458 из входных сигналов умножителя цепь, коэффициент передачи которой уменьшается при увеличении температуры.

В данном умножителе такую цепь содержит корректирующий преобразователь 8.

Частотная погрешность перемножителя определяется неравномерностью амплитудно-частотных характеристик масштабных преобразователей (они 10 идентичны) и корректирующего преобразователя 8. Разность фазо-частотных характеристик указанных узлов перемножителя изменяет величину постоянной составляющей выходного, íà- 1$ пряжения перемножителя, пропорциональной созЧ.

Для коррекции частотной погрешности перемножителя., связанной с изменением разности фазо-частотных ха- р0 рактеристик каналов преобразования первого и второго входных сигналов, в один из этих каналов должен быть введен фазовый корректор, обеспечивающий коррекцию фазо-частотной ха- 2$ рактеристики одного из каналов. Коррекция заключается в достижении идентичности фазо-частотных характеристик каналов в полосе частот входных сиг.налов. В качестве такого корректора $0 используется фазосдвигающая RC-цепь

22, которая входит в состав корректи.рующего преобразователя.

Усилительные блоки 14 и 15 обеспечивают усиление первого перемножаемо- $ го сигнала.

3$ .

Цепь 16 коррекции температурной погрешности представляет собой делитель напряжения, коэффициент передачи которого падает с::увеличением темпера40 туры. Резистор 18 введен для выравнивания относительного изменения коэффициента передачи делителя. Это является необходимым в виду того, что зависимость сопротивления терморезистора

4$

19 от температуры обычно бывает нелинейной. фазосдвигающая RC-цепь 22 обеспечивает отрицательный фазовый сдвиг первого перемножаемого сигнала, возрастающии с увеличением частоты. Та$0 кая цепь позволяет корректировать частотную погрешность широкополосного умножи теля, содержащего масштабные преобразователи 10 и ll, представляющие собой широкополосные резисторные усилители, комплексный коэффициент передачи которых описывается линейным дифференциальным уравнением первой где RO - сопротивление материала канала;

Uy - напряжение на затворе;

0 о - напряжение на затворе, соответствующее перекрытию канала;

Ц» - контактная разность потенциалов.

При постоянном напряжении смешения

0 и малых по отношению сумме Ос и Ч» значениях напряжения U, действующего в цепи затвора, завйсимость сопротивления исток-сток полевых транзисторов с каналом и-типа от величины U может быть достаточной точностью аппроксимирована выражением где RgOO- сопротивление при нулевом значении 0у зависящее от величины напряжения смешения, а коэффициент

945 ок с

aL = отрицателен и определяется

PUB напряжением смещения.

Если в схеме перемножителя обеспечено выполнение условия R< << R, где R - сопротивление постоянных резисторов управляемых делителей напряжения, то входной ток делителей — — где 0Вхд- входное на—

"ехд

- "пряжение управляемого делителя. При этом выходное напряжение делителя о "" у

5Ь!Х Д бх UC - 9Х* Я ф 3 ЬХд, 1

В перемножителе напряжения сигналов U >> и U>b в цепях затворов полевых транзйсторов 5 и б управляемых делителей пропорциональны произведе- щ ниям напряжения второго перемножаемого си гнала и коэффициентов преобРазования К неинвертирующего и инвертирующего масштабных преобразователей 10 и 11. Входные напряжения 2s управляемых делителей напряжения и 2.

ЬХ Д i 5X<д 8 С фс- где U> - напряжение первого перемножаемого сигнала;

К — коэффициент преобразования корректирующего преобразователя 8;

К вЂ” постоянный коэффициент, учитывающий падение части выходного напряжения преобразователя 8 на симметрирующем резисторе 9.

Разность выходных напряжений управ- О ляемых делителей напряжения при одинаковых R è д, полевых транзисторов и одинаковйх сопротивлениях P резисторов делителей напряжения

Ubbfe USbix 1 t:0s -Со get+ „+

4S

0 =U, « RUCO

6Ь®ХА ВАХА ЬЬ1Х Д = SX* R +

oL

0СО aL

«* ЕХа — — О я зь

"вхд - я "м "с <9 "в„. "sory.

ВХ1 ВХ 7

Выходное напряжение перемножителя

USbix=K„™ВЫх=L R Kcc.Ê -К Квх "

871 8 где Kl - коэффициент усиления усилителя 7.

Поскольку полевые транзисторы управляемых делителей напряжения не могут иметь абсолютно одинаковых параметров, а постоянные резисторы делителей имеют разброс величин сопротивления, на выходе перемножителя будет присутствовать напряжение, пропорциональное входному напряжению делителя, пропорциональному первому перемножаемому сигналу. Подавления этого напряжения можно достигнуть с помощью симметрирования делителей напряжения переменным резистором 9.

Если входные сигналы перемножителя представляют собой напряжения синусоидальной формы î íî" частоты

"В ="1. " ) „;-. .(.4 о входное напряжение умножителя долж/ но представлять собой сумму постоянного напряжения, пропорционального косинусу угла сдвига .фаз 0 = Ч вЂ” Ч

1 входных сигналов, и синусоидального напряжения удвоенной частоты. фазовые сдви ги вносимые масштабными преобразователями, эквивалентны изменению фазы второго перемножаемого сигнала и приводят к отклонению величины постоянного составляющей выходного напряжения перемножителя от расчетного значения и сдвигу фазы синусоидального напряжения удвоенной частоты, Дпя компенсации погрешности, связанной с фазовым сдвигом сигнала в масштабных преобразователях, фазовая характеристика корректирующего преобразователя должна быть близка к фазовым характеристикам масштабных преобразователей, а для компенсации температурной погрешности перемножителя относительные температурные изменения коэффициента передачи корректирующего преобразователя должны быть равны по величине сумме относительных температурных изменений коэффициентов передачи, входящих в формулу для выходного напряжения перемножителя ы иметь знак, обратный знаку названной суммы .

Введение в схему умножителя кон- . денсаторов нейтрализации позволяет нейтрализовать токи, протекающие чеФормула изобретения.9 9458 . реэ емкости затвор-сток полевых тран" эисторов и выходные цепи управляемых делителей напряжения. Нейтрализация объясняется тем, что каждый иэ конденсаторов имеет емкость, равную ем- s кости затвор-сток и подключен к выходу масштабного преобразователя, на .выходе которого .напряжение в любой момент времени имеет полярность, противоположную полярности напряжения, 0 поступающего с выхода другого масштабного преобразователя на нейтрализуемую емкость затвор-сток. Нейтрализация емкостей затвор-сток снижает связанную с ними частотнозависимую погрешность умножения.

Введение в схему корректирующего преобразователя, симметрирующего переменного резистора, неинвертирующего и инвертирующего масштабных пре- 20 образователей (их можно заменить од-. ним преобразователем с парафазным выходом), а.также нейтралиэующих конденсаторов позволяет значительно снизить погрешности умножителя и расши- 2S рить его частотный диапазон до десятков ИГц.

1. Аналоговый умножитель, содержащий дифференциальный усИ3зитель, выход которого является выходом умножителя и два управляемых делителя 3S напряжения, отличающийся б тем,. что с целью .повышения точности и расширения частотного диапазона входных сигналов, в него введены инвертирующий и неинвертирующий масшаб- ные преобразователи, корректирующий преобразователь, симметрирующий переменный резистор и два нейтрализующих конденсатора, вход корректирующего преобразователя является первым ® б входом умножителя, а выход - подключен к среднему выводу симметрирующего переменного резистора, крайние выводы которого соответственно подключены к информационным входам первого и второго управляемых делителей напряжения, входы инвертирующего и неинвертирующего масштабных преоб71 10 разователей объединены и являются вто;рым входом умножителя, выход инвертирующего масштабного преобразователя подключен к управляющему входу первого управляемого делителя напряжения и через первый нейтрализующий конденсатор подключен к выходу второго управляемого делителя напряжения и к первому входу дифференциального усилителя, выход неинвертирующего масштабного преобразователя подключен к управляющему входу второго управляемого делителя напряжения и через второй нейтрализующий конденсатор подключен к выходу первого управляемого делителя напряжения и к второму входу дифференциального усилителя.

2. Умножитель по и, 1, о т л и ч а ю шийся тем, что корректирующий преобразователь содержит последовательно включенные первый усилительный блок, цепь коррекции температурной погрешности, второй усилительный блок и фазосдвигающая RC-цепь, выход которой является выходом преобразователя, вход первого усилительного блока является входом преобразо,вателя.

3. Умножитель по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю шийся тем, что цепь коррекции температурной погрешности содержит два последовательно соединенных постоянных резистора, первый вывод первого постоянного резистора является входом цепи коррекции температурной погрешности, а второй вывод второго постоянного резистора подключен к шине нулевого потенциала, и терморезистор, включенный параллельно второму постоянному резистору, второй вывод первого постоянного резистора является выходом цепи коррекции температурной погрешности.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 453703, кл. G 06 G 7/16, 1973.

2. Hiller. А.К.Н. TemperatureCompensated analog multiplier.

"Electronics letters", 9 th, September, 1971, Vol. 7, N 18 (прототип).

945871

g 6бошоиеаб. МВызиниур омоизло юиуФаи уиу

ВНИИПИ Заказ 5332/68 Тираж 73! Подписное

Ю ЮЮ

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4