Нелинейный элемент

о и и с д-и"-"уг"и ИЗОБРЕТЕН ИЯ ц 5805 О Союз Советских Социалистических Республик(23) Приоритет Государственный комите Совета Министров СССР по делам изобретений(45) Дата опубликова описания 02.11.7 2) Автор изобретения) Заявитель Специальное конструкторское бюро систем промышленной автоматики НЫЙ ЭЛЕ(54) НЕЛ Изобретение относится к области аналоговой вычислительной техники и промышленной электроники и может найти широкое применение в гибридных вычислительных машинах, а также в промышленной автоматике для построения прецизионных нелинейных функциональных и аналого-цифровых преобразователей, устройств выделения экстремального сигнала, формирователей абсолютного значения выходного сигнала, ограничителей сигнала, прецизионных операционных выпрямителей и других устройств,Известны нелинейные элементы 1, 21, содержащие операционный усилитель, диоды в цепи обратной связи, регистры.Однако указанные устройства имеют существенный недостаток: точность их преобразования зависит от обратных характеристик ограничительных диодов, в частности, от их обратных токов. Так, подсчитано, что для нелинейного элемента со шкалой выходного напряжения + 10 В и сопротивлениями обратной связи 100 кОм, в котором применены сравнительно хорошие ограничительные диоды, имеющие обратный ток около 1 мкА, погрешность преобразования достигнет 1 %. Наиболее близким техническим решением является нелинейный элемент 3, содержащий операционный усилитель, вход которого через входной масштабный резистор соединен с входом элемента, а выход операционного усилителт соединен с входом операционного усилител через две цепочки обратной связи, состоящие из последовательно соединенных, согласно 5 включенных ограничительного и разделительного диодов, масштабного резистора обратной связи, причем анод ограничительного диода первой цепочки обратной связи соединен с катодом ограничительного диода второй це почки обратной связи, В этом элементе дляуменьшения влияния обратного тока ограничительных диодов последовательно с каждым из них включено по одному дополнительному (в дальнейшем - разделительному) диоду, 15 Число таких диодов в каждой цепи обратнойсвязи может быть и большим, Однако такой способ снижения влияния обратных токов диодов малоэффективен, поскольку в этом случае обратный ток может быть уменьшен 20 практически лишь во столько раз, сколько вкаждую цепь обратной связи последовательно включено ограничительных и разделительных диодов. Кроме того, включение в цепь обратной связи большого числа разделительных 25 диодов приводит к дополнительному отрицательному эффекту - уменьшению шкалы выходных напряжений нелинейного элемента на величину прямого падения напряжения на диодах.з 0 Целью изобретения является повышениеточности путем уменьшения влияния обратных характеристик ограничительных диодов,Это достигается тем, что нелинейный элемент дополнительно содержит два согласно включенных компенсирующих диода, средний вывод которых соединен с шиной нулевого потенциала, катод первого компенсирующего диода соединен с катодом ограничительного диода первой цепочки обратной связи, а анод второго компенсирующего диода соединен с анодом ограничительного диода второй цепочки обратной связи.Направления включения всех диодов выбраны такими, что обратное напряжение на каждом из смещенных в обратном направлении разделительных диодов никогда не превышает падения напряжения на открытом компенсирующем диоде, в результате чего обратный ток разделительного диода, протекающий по сопротивлению обратной связи, уменьшается до величины, не вносящей существенной погрешности в воспроизведение функции.На чертеже представлена схема предлагаемого нелинейного элемента.Нелинейный элемент содержит операционный усилитель 1, к входу 2 которого подключены входной масштабный резистор 3 и масштабные резисторы 4, 5 обратной связи. Между выходом 6 усилителя 1 и масштабными резисторами 4, 5 включены ограничительные диоды 7, 8 и разделительные диоды 9, 10, Точки 11, 12 соединения этих диодов через компенсирующие диоды 13, 14 подключены к общей шине нулевого потенциала. Входной масштабный резистор 3 своим вторым выводом соединен с входом 15 нелинейного элемента, а выходы элемента образуют точки 16, 17 соединения диодов 9, 10 с резисторами 4, 5. Предлагаемое устройство работает следующим образом.При положительном выходном напряжении Уусилителя 1 диоды 8 и 10 смещены в обратном направлении, а диод 14 обратным током диода 8 - в прямом направлении. Напряжение в точке 12 по отношению к общей шине нулевого потенциала не может превышать напряжения на диоде 14. Как известно, вход 2 операционного усилителя 1, охваченного глубокой отрицательной параллельной обратной связью по напряжению, по существу, потенциально заземлен (его потенциал равен потенциалу общей шины), поэтому приложенное к разделительному диоду 10 обратное напряжение также не превышает напряжения на диоде 14, смещенном в прямом направлении. А поскольку падение напряжения на открытом диоде невелико (в рассматриваемом случае 0,1 - 0,2 В), то и обратный ток диода 10, проходящий через резистор 5 и вносящий погрешность в напряжением, - , значительно меньше, чем тот же ток при напряжении, соизмеримом с максимально допустимым обрат 5 1 О 15 20 25 зо 35 40 45 50 55 60 65 ным напряжением диода, о чем свидетельствуют вольтамперные характеристики полупроводниковых диодов.Из изложенного видно, что введение двух компенсирующих диодов, включенных по схеме, изображенной на чергеже, существенно улучшает точность нелинейного элемента,Были проведены исследования нелинейного элемента на электронной аналоговой модели с использованием операционного усилителя, имеющего шкалу напряжения +100 В. В качестве диодов 7 - 10 были применены диоды Д 226 Б, а сопротивления резисторов 4, 5 были установлены равными 1 МОм, В отсутствие диодов 13, 14 при напряженним,=+100 В выходное напряжение У, - было равно +30 В (вместо нуля), что соответствовало обратному току диода, равному 30 мкА, и погрешности преобразования +30. После включения компенсирующего диода 14 того же типа напряжение У, - , а следовательно, и погрешность преобразования нелинейного элемента, уменьшились более чем в 100 раз.Здесь же можно привести пример расчета возможной экономии от применения предложенной схемы. Для этого рассматриваются два варианта схемы нелинейного элемента: нелинейный элемент, построенный по предлагаемой схеме с применением диодов ГД 107 Б с обратным током не более 100 мкА, и нелинейный элемент, построенный по схеме прототипа на диодах КД 102 А (обратный ток при +50 С - не более 1 мкА),Экономия может быть подсчитана по фор- муле р,= - ИБР, - 2/1 пРгде У - число выпускаемых нелинейных элементов;ив число разделительных диодов в каждой цепи обратной связи нелинейного элемента, построенного по схеме прототипа;Р, - цена диода ГД 107 Б;Р - цена диода КД 102 А;(Р,=0,03 руб., Р=0,22 руб. - по прейскуранту36 - 08 Оптовые цены на полупроводниковые приборы, введенному в действие с 01,01.1976 г.).На партию У=1000 шт. нелинейных элементов, что значтительно - на 1 - 2 порядка - меньше ежегодной потребности, экономия составляет:при и=1 Рж 700 руб.,при п=2 Рот 1140 рубпри и=3 Р,ж 1580 руб. и т. д.Однако значительно больший эффект может быть получен при построении нелинейных элементов в микроэлектронном исполнении, особенно в виде монолитных интегральных схем, поскольку изготовление прецизионных диодов с малыми обратными токами требует тонкой и дорогостоящей технологии,Таким образом, предложенное решение позволяет на 2 - 3 порядка повысить точность воспроизведения функции нелинейным элеб 80 ИО Ф ормула изобретения Составитель Л, Снимщиковактор Н. Хлудова Техред Н. Рыбкина Корректор Л. Котова ПодписноР Тираж 818омитета Совета Министровбретений и открытий-35, Раушская наб., д. 4/5 Изд.891 Государственного к по делам изо 113035, Москва, Жаказ 2451/3НП Типография, пр, Сапунова ментом, практически полностью исключив влияние неидеальности характеристик ограничительных диодов, при одновременном снижении стоимости устройства,Нелинейный элемент, содержащий операционный усилитель, вход которого через входной масштабный резистор соединен с входом элемента, а выход операционного усилителя соединен с входом операционного усилителя через две цепочки обратной связи, состоящие из последовательно соединенных, согласно включенных ограничительного и разделительного диодов, масштабного резистора обратной связи, причем анод ограничительного диода первой цепочки обратной связи соединен с катодом ограничительного диода второй цепочки обратной связи, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, он содержит два согласно включенных компенсирующих диода, средний вывод которых соединен с шиной нулевого потенциала, катод пер вого компенсирующего диода соединен с катодом ограничительного диода первой цепочки обратной связи, а анод второго компенсирующего диода соединен с анодом ограничительного диода второй цепочки обратной свя зи,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Проектирование и применение операционных усилителей, под ред, Дж. Грэма и15 др., изд. Мир, 1974, с. 268 в 2.2. Г. Кори и Т, Кори, Электронные аналоговые и аналого-цифровые вычислительныемашины, т, 2, изд. Мир, М., 1968, с. 6 - 13,3. Патент США3480794, кл. 307 - 229,20 1969 г.