Аналоговое запоминающее устройство

(59 7/00 г ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Ордена Ленина институт проблем управления(56) 1. Шило В. Л. Линейные интегральнь 1 е схемы в радиоэлектронной аппаратуре. М., Советское радио, 1979, с. 328.2. Ленк Дж, Руководство для пользователей операционных усилителей, М., Связь 1978, с. 226 (прототип).(54) (57) АНАЛОГОВОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее дифференциальный усилитель, выход которого является выходом устройства, первый накопительный элемент на первом конденсаторе, включенный в цепь отрицательной обратной связи дифференциального усилителя, первый ключ, выход которого соединен с инвертируюшим входом дифференциального усилителя, первый пассивный элемент на первом резисторе, один из выводов которого является входом устройства, другой вывод первого резистора соединен с одним из выводов ЯО 1065889 А второго пассивного элемента на втором резисторе, другой вывод которого соединен с выходом дифференциального усилителя, первый вход первого ключа соединен с шиной управления, и шину нулевого потенциала, отличающееся тем, что, с целью повышения его быстродействия, в него введены неинвертирующий усилитель, пассивный КС-фильтр высоких частот, второй ключ, активный фильтр низких частот и второй накопительный элемент на втором конденсаторе, одна из обкладок которого соединена с шиной нулевого потенциала, другая обкладка второго конденсатора соединена с неинвертирующим входом дифференциального усилителя и с выходом второго ключа, первый вход которого соединен с выходом активного фильтра низких частот, вход ак- З тивного фильтра низких частот соединен с другим выводом первого резистора и с вхо- Цф дом неинвертирующего усилителя, выход ко- уефа торого соединен с входом пассивного КС- фильтра высоких частот, выход которого соединен с вторым входом первого ключа, второй вход второго ключа соединен с шиНой управления.МаИзобретение относится к аналоговой и аналого-цифровой вычислительной технике и может быть применено при создании аналого-цифровых преобразователей и устройств связи с объектом,Известно аналоговое запоминающее устройство, предназначенное для выборки и последующ го хранения мгновенного значения амплитуды аналогового сигнала, содержащее дифференциальный усилитель с конденсатором хранения, включенным меж ду выходом дифференциального усилителя, являющегося выходом устройства, и его инвертирующим входом, неинвертирующий вход усилителя подключен к шине и) евого потенциала, резисзор гтрицательньй обратной связи, подключенный между выходом ус-ройства и входом токового ключа, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, и входной рез стор, подключенный первым выводом к источнику сигнала, а вторым выводом - к входу токового ключа, устройство имеет также шину управления ключом 1.Недостаток известного устройства большое время выборки входного сигнала, обусловленное большой постоянной времени, образованной входным резистором и конденсатором хранения (сопротивлением ключа в открытом состоянии в данном случае можно пренебречь) .Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является аналс.о:о запоминающее устройство, содержаш; дифференциальный усилитель, выход ," орого является выходом устройства, коь" ка;г хранения - накопительный элементю клю ченный между выходом устройств; н вертирующим входом дифференци,о усилителя, резистор обратной связи (К.1 и входной резистор (К ), первые выводы которых объединены, а вторые подключены соответственно к входу и к выходу устройства, первый ключ, выход которого подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, шина управления режимом работы первого ключа, повторитель напряжения, выполненный на дифференциальном операционном усилителе, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с входом первого ключа, а неинвертирующий вход подключен к общей точке входного резистора и резистора обратной связи 2.Недостатком данного устройства является большое время выборки входного сигнала, обусловленное ограничениями, налагаемыми на частоту сеза устройства по контуру отрицательной обратной связи (ООС), которая описывается выражениемоос Йвх 111 вх 1 ос кл хр где Гкл- сопротивление первого ключа в открытом состоянии, включая выходное сопротивление повторителя напряжения;С, - емкость конденсатора.Кроме того, скорость нарастания выходного напряжения повторителя напряжения и выходного дифференциального усилителя должна удовлетворять условиюЬпп Схргдех,иджис Рь1 лЕВах Йос)15причем 1 .,-1,где 1 --аксимальный ток и",узки испол -,у мь,х усилителей; Е)ьх,макс ".аксимал пое вх ос напряжение. В противном с ",час р ота усилителей будет происхолить, нел ;лом режиме и 20 переходный процес оулег пслопустимо затягиваться.Для того, чтобы устройство обладало некоторым запасом ус 1 с ичивости, а также имело минимальное время, егановления вы ходного напряжения с заданной погрешнотью и апериодический переходный процес, можно показать, что эквивалентная часть.та среза обои.". входящих в него усилителей (при условии, 1 то фазовый сдвиг кажлого из них на собственной частоте среза нс прсзо вышает 90") должна удовлетворять условиюоОС с 1)= мср,Мр, ) 4 с",р В этом слу час время установления выходо напряжения с заданной погрсшносю О, равное минимальному времени выборки (без учета апертурного времени) равноб Е " ф д: -1оср40Например, при использова нии в прототипе интегральных операционных усилителей (ОУ) типа К 544 УД 1 В (1 рЪ 1 мГц, Чра 5 ЕЦмкс, 1 а,а 5 мЛ) и токовых ключей, обеспечивающих совместно с ОУ Т 6 45 (300 Ом, при мин" чально возможной вэтом случае емкое.и конденсатора храпения, равной 1000 пФ, нельзя обеспечить выбо:,- ку входного сигнала 10 В с погрешностью 0,01 О/о менее, чем за 5,75 мкс (без учетаапертурного времени).В целях дальнейшего уменьшения времени выборки в прототипе необходимо применять ОУ, обладающие чрезвычайно высокими динамическими характеристиками, которые в настоящее время обеспечивают лишь уникальные образцы ОУ в молульном исполнении.Цель изобретения - повышение быстродействия устройства.Поставленная цель достигается тем, чтов аналоговое запоминающее устройство, со держащее дифференциальный усилитель, выход которого является выходом устройства, первый накопительный элемент на первом конденсаторе, вклю ы.1 цепь отрицательной обратной связи дифференциального усилителя, первый ключ, выход которого соедине с инвер.ируюшим входом дифференц ального усилителя, первый пассивный элемент на первом резисторе, один из выводов которого является входом устрой гва, другой вывод первого резистора соединенодним из выводов второго пассивного элемента на втором резис"оре, другой вывод которого соединен с выходом д фференциального усилителя. первый вход первого ключа соединен с шиной управлеи."и шину нулевого потенциала, введены н: конвертирующий усилитель, пассивный г;С-фильтр высоких частот, второй ключ, активьй фильтр низких частот и второй накопительный элемент на втором конденсаторе, одна из обкладок которого соединена с шиной пулевого потенциала, другая обкладка второго конденсатора соединена с неинвертируюшнм входом дифференциального усилителя и с выходом второго ключа, первый вход которого соединен с выходом активного фильтра низких частот, вход активного фильтра низких частот соединен с другим выводом первого резистора и с входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом пассивного КС- фильтра высоких частот, выход которого соединен с вторым входом первого ключа, второй вход второго ключа соединен с шиной управления.На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит дифференциальный усилитель 1, накопительные элементы на первом и втором конденсаторах 2 и 3, пассивные элементы на первом и втором реисторах 4 и 5, ключи 6 и 7, пассивный КС-фпльтр 8 высоких частот, неинвертирующий у литель 9, активный фильтр 10 низких частот, шину 11 управления и шипу 12;левого потенциала.Счцность изобре гения заключается в то го введен широкополосный неинвертируюший усилитель м )щности с частотой среза, во много раз превышающей частоту среза выходного дифференциального усилителя, пассивный КС-фильтр высоких частот, который не позволяет постоянной составляющей выходного напряжения,; нлителя мощности проникать на вход первого токового ключа, активный инвертирующий фильтр низких частот инвертирует постоянную составляющую сигнала разбаланса, а также компенсирует смещение нуля выходного дифференциального усилителя, второйУстройство работает следующим образом.При появлении на шине 11 управленияопределенного цифрового сигнала, например логической единицы, ключи 6 и 7 замыкаются и устройство переходит в режим выборки входного аналогового сигнала. При этом в общей (суммирующей) точке резисторов 4 и 5 появляется напряжение разбаланса (ошибки), равное сумме сигналов на входе и выходе устройства. Постоянная составляющая напряжения разбаланса, инвертированная и отфильтрованная активным фильтром 10 низких частот, через ключ 7 заряжает конденсатор 3 до величины напряжения смешения дифференциального усилителя 1.Так как напряжение смецения усилителя 1 дрейфует сравнительно медленно, то изменение напряжения на конденсаторе 3 за время между выборками входного сигнала будет небольшим, следовательно, требования к быстродействию цепи заряда этого конденсатора 3 будут невысокими.Сигнал разбаланса поступает также на вход широкополосного неинвертирующего усилителя 9, частота среза которого во много раз превышает частоту среза усилителя 1, а выходное сопротивление невелико по сравнению с сопротивлением ключа 6 в открытом состоянии, постоянная составляюша выходного напряжения усилителя 9 блокируется пассивным КС-филь-,ром 8 высоких частот, причем собственное смещение нуля усилителя 9 может быть довольно большим, лишь бы во время переходного процесса (т.е. при наличии разбаланса) усилитель 9 работал в линейной области.Переменная составляющая сигнала разбаланса поступает на вход ключа 6 и далее на. инвертирующий вход усилителя 1, который начинает отрабатывать это возмущение через цепь конденсатора 2 посредством его перезаряда так, чтобы сумма токов, втекающих в точку соединения ключа 6 и конденсатора 2, была в идеальном случае равна нулю. Таким образом, конденсатор 2 псрезаряжается до напряжения, равного по модулю и противоположного по знаку входному напряжению (при Й- = Й) с точностью до величины, обратно пропорциональной коэффициенту усиления разомкнутого усилителя 1 на постоянном токе. Так как потенциал инвертирующего входа усилителя 1 практически равен нулю (смешенпе нуля усилителя 1 скомпенсировано по не 35 40 45 50 55 5 10 15 20 25 30 к,:ч, олокирующий в закрыто состоянии :срезряд второго конденсатора в режиме хранения, причем неин верти рующий вход выходного дифференциального усилителя подключен не к шине нулевого потенциала, а к незаземленной обкладке второго конденсатора..к ртирующему входу), то напряжение на : .оде устройства, равно напряжению на конденсаторе 2, а следовательно, равно поодулю и противоположно по знаку входнонапряжению (при К ы К ), поэтому напряжение разбаланса в суммирующей точке после окончания переходного процесса равно нулю (при нулевом смещении ОУ активного фильтра) и устройство переходит в состояние динамического равновесия (при условии, что за время выборки входной 10 сигнал не изменился). После этого на шину 11 поступает логический нуль, ключи 6 и 7 размыкаются и устройство переходит в режим хранения выбранного аналогового сигнала, причем конденсатор 2 запоминает инвертированную величину входного сигнала, а конденсатор 3 - величину напряжения смещения дифференциального усилитеЛ 51 1.Предлагаемое устройство реализовано в виде макета устройства выборки-хранения, имеющего время выборки входного сигнала1 О В с точностью 0,01/, менее 500 нс и время хранения с точностью 0,01/о при конденсаторе 510 пф около 1 с. Столь высокие параметры устройства реализованы на базе элементов широкого применения: в усилителе 9 использованы транзисторы КП 307, 11342, КТ 313, в активном фильтре 10 интегральный ОУ повышенной точности типа К 153 УД 5, ключевые транзисторы - КП 305, в схеме управления ключами 630 и 7 использованы транзисторы КТ 371 и диоды КД 514, во входном каскаде дифференциального усилителя 1 - транзисторы КП 350 без специального подбора. При этом усилитель 9 имеет частоту среза более 100 МГц, усилитель 1 - 16 МГц, а частота среза устройства по контуру обратной отрицательной связи (Ках = Кс = 10 кОм) выбрана около 3 МГц при сопротивлении первого ключа в открытом состоянии (включая выходное сопротивление усилителя мощности) около 50 Ом. 40Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства определяется значительным уменьшением времени выборки входного сигнала за счет уменьшения времени установления выходного напряжения, что достигнуто вследствие увеличения частоты среза устройства по контуру отрицательной обратной связи, возможвостью реализовать устройство на доступной элементной базе, а также по интегральной технологии, относительной простотой устрой; ства при высоких качественных показателях. Положительным эффектом предлагаемого устройства является также значительное увеличение времени хранения, что обусловлено возможностью применения в нем МОП-транзисторов во входном каскаде дифференциального усилителя, которые имеют чрезвычайно низкий ток утечки по цепи затвора, В прототипе это невозможно из-за технологических ограничений на приемлемое согласование характеристик двух МОП-транзисторов даже в одном технологическом цикле (при интегральной технологии), что порождало большой временной и температурный дрейф напряжения смещения в дифференциальных усилителях, выполненных на их основе. Предлагаемое устройство снимает указанные ограничения за счет введения инвертируюшего активного фильтра низких частот, второго ключа и второго конденсатора, так как активный фильтр может быть выполнен с усилением на постоянном токе в Краз, В этом случае смещение нуля и дрейф выходного дифференциального усилителя уменьшаются соответственно в Кн раз и статические параметры устройства фактически определяются смешением и дрейфом нуля ОУ, используемого в активном фильтре низких частот. Кроме того, первый ключ в режиме хранения работает с равными и нулевыми потенциалами на входе и на выходе (вход ключа по постоянному току является заземленным, а смещение нуля дифференциального усилителя компенсируется напряжением на втором конденсаторе, следовательно, инвертирующий вход усилителя имеет нулевой потенциал), что обеспечивает предельно низкий ток утечки через данный ключ в закрытом состоянии.В. Бутяг Составитель А. ВоронинТехред И, Верес КорректорТираж 564 ПодписноеИ Государственного комитета СССРделам изобретении и открытийМосква, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5П Патентэ, г. Ужгород, ул. Проектная, 4