Операционный усилитель

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 09) (11) 12 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ олонн к, И. ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1. Патент Великобритании У 1122160, кл. Н 3 Т, опублик. 1968.2. Авторское свидетельство СССР й 705463, кл. 6 06 6 7/12, 1977 (прототип).(54)(57) ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий дифференциальный усили-. тель, инвертирующий вход которого через фильтр верхних. частот подключен к входу операционного:усилителя, демодулятор, выполненный на транзисторе, исток которого связан с шиной нулевого потенциала, а сток через выходной разделительный конденсатор соединен с выходом усилителя пере", менного тока и через первый фильтр нижних частот - с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, модулятор, выполненный на двухзатворном транзисторе, исток которого соединен с шиной нулевого потенциала, и второй фильтр нижних частот, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности, уп-. рощения и повышения технологичности изготовления операционного усилителя, в него введены входной разделительный конденсатор, два резистора обрат- ной связи, эарядно-разрядный конденсатор, две формирующие КС-цепи, ог" раничивающий резистор и четыре двухвходовых элемента И-НЕ, входы первого иэ которых через зарядно-разрядный конденсатор соединены с выходом второго элемента И-НЕ, входы которого подключены к выходу первого элемента И-НЕ, а выход соединен с входом третьего элемента И-НЕ и с лервым затвором двухзатворного транзистора модулятора, второй затвор которого соединен с выходом третьего элемента И-НЕ, подключенным через первый резистор обратной связи к входам пер" вого элемента И-НЕ, через последовательно соединенные резистор и конден" сатор первой формирующей кС-целик первому входу четвертого элемента И-НЕ и через резистор второй форми- . рующей кС-цепи - к второму входу четвертого элемента И-НЕ, выход которого соединен с затвором транзистора демодулятора, первый вход через ограничивающий резистор подключен к :отрицательной шине, а второй вход через конденсатор второй формирующей кС-цепи - к положительной шине источника питания, соединенной через второй резистор обратной связи с входами первого элемента И-НЕ, причем сток транзистора модулятора через входной разделительный конденсатор соединен с входом усилителя переменного тока и через второй фильтр нижних частот подключен к входу операционногоусилителя.1048485 2 1Изобретение относится к автомати" ке и вычислительной технике и может быть использовано при построении прецизионных решающих усилителей.Известны операционные усилители с модуляцией сигнала, усилением на переменном токе и последующей демодуляцией 11.Недостатком данных усилителей является нестабильность компенсации выбросов от. схемы управления модулятором в сигнальной цепи устройства, что приводит, к.нестабильности напряжения смещения, появлению входного тока и шумов.Наиболее близким к изобретению является операционный усилитель, содержащий дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого через Фильтр верхних частот подключен к входу устройства, демодулятор на транзисторе, исток которого свя- зан с шиной нулевого потенциала, а сток через выходной разделительный конденсатор соединен с выходом усилителя переменного тока и через второй фильтр нижних частот - с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, модулятор на двух- затворном транзисторе, исток которо го соединен. с шиной нулевого потенциала. В известном устройстве импульс управления демодулятором формируется одновибратором и элементом задержки более коротким, чем импульс управления модулятором. При этом исключается демодуляция паразитных импульсов, проходящих в сигнальную цепь из цепи управления модулятором. Кроме того, на затворы транзистора модулятора подаются импульсы противоположных полярностей, чем достигается компенсация паразитных импульсов во входной цепи. Таким образом устраняется большинство из указанных недостатков 2 .Однако известное устройство характеризуется низкой стабильностью, высокой сложностью в реализации и низкой .технологичностью вследствие применения разнородных узлов и элементов схемы.Цель изобретения " повышение стабильности, упрощение и повышение технологичности изготовления операционного усилителя.Поставленная цель достигается тем, что в операционный усилитель, содержащий дифференциальный уси 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 литель, инвертирующий вход которого через фильтр верхних частот подключен к входу операционного уси" лителя, демодулятор, выполненный на транзисторе, исток которого связан с шиной нулевого потенциала, а сток через выходной разделительный конденсатор соединен с выходом усилителя переменного тока и через первый фильтр нижних частот - с неинвертирующим.входом дифференциально- " го усилителя, модулятор, выполненный на двухзатворном транзисторе, исток которого соединен с шиной нулевого потенциала, и второй фильтр нижних частот, введены входной разделительный конденсатор, два резистора обратной связи, зарядно-разрядный конденсатор, две формирующие ЯС-цепи, ограничивающий резистор и четыре двухвходовых элемента И-НЕ, входы первого из которых через зарядноразрядный конденсатор соединены с выходом второго элемента И-НЕ, входы которого подключены к выходу первого элемента И-НЕ, а выход соединен с входом третьего элемента И-НЕ и с первым затвором двухзатворного транзистора модулятора, второй затвор которого соединен с выходом третье" го элемента И-НЕ, подключенным через первый резистор обратной связи к входам первого элемента И-НЕ, через последовательно соединенные резистор и конденсатор первой формирующей ЯС-цепи -. к первому входу четвертого элемента И"НЕ и через резистор второй формирующей ЯС-цепи к второму входу четвертого элемента И"НЕ, выход которого соединен с затвором транзистора демодулятора, первый вход через ограничивающий резистор подключен к отрицательной шине, а второй вход через конденсатор второй формирующей ЯС-целик положительной шине источника питания, соединенной через второй резистор обратной связи с входами первого элемента И"НЕ, причем сток транзистора модулятора через входной разделительный конденсатор соединен с входом усилителя переменного тока и через второйфильтр нижних частот подключен к входу операционного усилителя.На чертеже представлена функциональная схема предложенного операционного усилителя.3 ,1048Операционный усилитель содержит дифференциальный усилитель 1; фильтр верхних частот 2, второй и первый, фильтры нижних частот 3 и , усилитель переменного тока 5, моду", , 5 лятор, построенный на двухзатворном .- транзисторе б, демодулятор на транзисторе 7, входной и выходной разделительные конденсаторы 8 и 9, од-, нородную интегральную структуру 10, 10 включающую первый, второй, третий и четвертый двухвходовые элементы И"НЕ 11, 12, 13 и 14, первый и вто" рой резисторы обратной связи 15 и 16, третий, четвертый, и пятый резин-.15 торы 1, 18 и 19, а также первый, второй и третий конденсаторы 20, 21 и 22, образующие формирующие ВС-цепиОперационный усилитель работает ;следующим образом. : .20 485тоте модуляции, которые могли бы приГСигнал, поступающий на вход устройства Од разделяется фильтрамиверхних частот 2 и нижних частот 3на высокочастотную составляющую,которая поступает на инвертирующийвход дифференциального усилителя 1,и низкочастотную составляющую, поступающую после преобразования при помо-щи модулятора 6 через входной разделительныи конденсатор 8 на усим30литель переменного тока 5. Усилен-ный сигнал поступает через выходнойразделительный конденсатор 9 на демодулятор , который производит об-ратное преобразование. Усиленная та" . ким образом и восстановленная вторымфильтром нижних частот 4 низкочастот":ная составляющая входного сигнЪлапоступает на неинвертирующий входдифференциального усилителя, в ко-. 40тором суммируется с высокочастотной составляющей усиливается и поступает на выход устройства. Таким образом, выходной сигнал Оы представляет собой усиленный сигнал,.поступающий на вход устройства. Приэтом напряжение смещения., входнойток и их температурные дрейфы опре"деляются в основном параметрами мо- ,дулятора б, демодулятора 7 и временными соотношениями между сигналами,управления, Напряжение смещения дифференциального усилителя 1 по отно-"шению к входному сигналу ослабляетсяв число раз, пропорциональное коэф- . 55фициенту усиления усилителя переменного тока 5. Постоянная составляю"щая напряжения на выходе усилителя переменного тока 5 задерживаетсявыходным разделительным конденсатором 9 и не влияет на параметры устройства. Составляющие входного сигнала, имеющие частоту, близкую к часвести к появлению низкочастотных помех после преобразования, задерживаются первым фильтром нижних частот и на модулятор не поступают. Входной ток усилителя переменного токапрактически не влияет на параметры устройства, так как задержива-. ется входйым разделительным конденсатором 8.Минимизация погрешностей преобразования модулятора и демодулятора обеспечивается введением в устройство схемы управления, построенной на однородной интегральной структуре 10 которая содержит четыре идентичных элемента И-НЕ 11- 14. Сигналы управления модулятором вырабатываются включенными последовательно элементами И-НЕ 11,.12 и 13, охваченными отрицательной обратной связью с выхода третьего элемента И-НЕ 13 на вход первого элемента И-НЕ 11 через первый и второй резисторы 15 и 16, и положительной обратной связью с выхода второго элемента И-НЕ 12 на вход первого элемента И-НЕ 11 через первый кон" денсатор 20. В момент включения схемы конденсатор 20 начинает заряжаться по цепи: шина положительного потенци" аль +Е резистор 15 и выход третьего элемент И-НЕ 13, резистор 16, включенные параллельно, конденсатор 20 и выход второго элемента И"НЕ 12. Пока ток заряда конденсатора 20 достаточно велик, положительная обратная связь преобладает и схема находится в одном из устойчивых состояний, например уровень напряжения на выходе второго элемента И-НЕ 12, соответствует уровню логического нуля, а уровень напряжения на выходе эле" мента И-НЕ 13 - уровню логической единицы. По мере заряда конденсатора ток-заряда уменьшается и положи.тельная обратная связь ослабевает до тех пор,пока под влиянием отри- цательной обратной связи состояние элементов не начнет изменяться, при этом ток через конденсатор 20 меняет направление и резко увеличивается. Появившаяся при этом положиф тельная обратная связь содействуетизменению состояния элементов на обратной, например уровень напряжения на выходе второго элемента И-НЕ 12 соответствует логической единице, а третьего элемента И-НЕ 13. 5 логическому нулю. Такое состояние поддерживается до тех пор, пока конденсатор не перезарядится. Затем про. исходит очередное изменение состояния схемы. Частота повторения таких изменений частота модуляции) определяется рассмотренной постоянной времени цепи заряда, а ее стабильность обеспечивается высоким значением коэффициента усиления, трех последовательно включенных элементов И-НЕ. В результате на первый затвор транзистора модулятора 6 поступает управляющее напряжение, представляющее собой прямоугольные импульсы, периодицески открывающие и закрывающие транзистор 6. При этом низкочастотный сигнал, прошедший через первый фильтр нижних частот 3, преобразуется модулятором в сигнал, изменяющийся с частотой переменного тока 5. На второй затвор транзистора 6 поступает в противофазе к управляющему сигналу компенсирующий сиг нал с выхода элемента И-НЕ 12, При 30 этом выбросы от фронтов управляющего сигнала, поступающие во входную цепь устройства, компенсируются выбросами противоположной полярности от компенсирующего сигнала. Поскольку паразитные емкости, по которым проходят .выбросы, имеют одинаковую природу (находятся в едином кристалле транзистора 6) а управляющие и компенсирующие сигналы вырабатываются од нородной интегральной структурой 10 созданной в одном кристалле в едином технологическом цикле, то все изменения сигналов и емкостей, происхо-дящие в процессе работы устройства, идентичны. Этим обеспечивается более высокая по сравнению с прототипом стабильность компенсации выбросов модулятора.Сигнал с выхода третьего элемента И-НЕ 13 поступает на один вход четвертого элемента И-НЕ 14 через последовательно включенные третий резистор 17 и второй конденсатор 21, в аеляясь на четвертом резисторе 18, 55 а на другой вход - через пятый резистор 19, выделяясь на третьем конденсаторе 22. В связи с этим передний фронт выходного сигнала элементаИ-НЕ 14 задерживается -по сравнениюс передним фронтом его входного сигнала на время, определяемое сопротивлением пятого резистора 19 и номиналом третьего конденсатора 22. Длительность выходного импульса элемента И-НЕ 14 определяется постояннойзаряда второго конденсатора, т.е.его номиналом и сопротивлением ре-,зисторов 17 и 18. Таким образом, соответствующий выбор пассивных элечментов 15-22 обеспечивает формирование более коротких, по сравнению симпульсами управления модулятором, импульсов, отпирающих транзистор 7 демодулятора. При этом транзистор 7находится в открытом состоянии только в те промежутки времени, покаотсутствуют переходные процессы,вызванные паразитными выбросамимодулятора 6. При этом полностьюисключается демодуляция параэитных импульсов, а значит и обусловленные ими составляющие напряжения смещения,Предложенный операционный усилитель существенно отличается отаналогов и прототипа более высокимитехнико-экономическими характеристиками, В отличие от прототипа высокие технические характеристики устройства обеспечиваются при построениисхемы управления модулятором и демодулятором на единственной интегральной микросхеме. При этом упрощается монтаж, настройка и повышается надежность и технологичностьизготовления устройства. Кроме того, идентичность характеристик логических элементов М-НЕ 11- 14, накоторых построена схема управления,и использование двухэатворноготранзистора 6 для построения модулятора обеспечивают, в отличие отаналогов, высокую стабильность параметров устройства в связи с отсутствием рассогласования характеристикзадающих и компенсирующих цепей впроцессе работы усилителя,На основе предлагаемого технического решения йостроен сравнительно простой прецизионный операционный усилитель, в котором дифференциальный усилитель и усилитель переменного тока построены на микросхемах К 574 УД 1 А. В качестве однородной ин" тегральной структуры использована микоставитель 8, Белаехред Т.Маточка ктор М. Бандура Корректор И,Демчик 55 Тираж 706 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 13035, Москва Ж-,35 РаушсПодци снакомитета СССРоткрытийая наб д, 4 аз 793 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 7 . 1048485 8росхема К 16 ЙЛА 7, модулятора - тран- Полученные результаты соответствуют зистор КП 306 Б демодулятора " КП 301 Б. параметрам усилителя, построенного При этом напряжение смещения усилите- по значительно более сложной схеме ля составляет единицы мкВтемпера" прототипа. Еще одним преимуществом турный дрейф напряжения смещения "реализованного;.технического решения 0,05-0,1 мкВ/С, входной ток и его является значительное снижение по- температурный дрейф составляет соот-требляемой мощности,так как схема упветственно 2-5 пА и 0,1-0,2 пА/ОС, равления выполнена на К-ИОП структуре.