Операционный усилитель

фура ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ИЗ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Авторское с етельство СССР В 1141425, кл. С С 7/12, 1985.Полонников Д. . и др. Пути улучшения быстродействия и стабильности нуля операционных усилителей. - Измерения, контроль, автоматизация, 1975, 9 1, с. 34-35..(54) ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (57) Изобретение относится к элементам автоматики и вычислительной техники, в частности, может быть использовано в прецизионных радиоэлектронных устройствах, преимущественно ваналоговой и электроизмерительной технике. Цель изобретения - расширение Функциональных возможностей опе" рационного усилителя за счет получения дифференциального входа и повышения стабильности нулевого уровня. Дляэтого в операционный усилитель, со-,держащий дифференциальный усилитель(ДУ), блок синхронизации (БС) и первый двухканальный усилитель с автоматической компенсацией смещения нуля,состояпдй из первого и второго двухдиапазонных ключей, первого и второго усилителей пс;.тоянного тока (УПТ),двух балластных резисторов, двух коммутаторов, сумматора и двух элементов выборки-хранения (ЭВХ), причемуправляющие входы ключей, ЭБХ и коммутаторов подключены к соответствую- сйщим выходам БС, введен второй двухкаЖнальный усилитель, выполненный и подключенный аналогично первому, дваусилителя-инвертора, два входных ре- Сазистора и двуплечий резистивный четы.рехполюсник, 2 ил,Изобретение относится к элементамавтоматики и вычислительной техникии может быть использовано в прецизионных Радиоэлектронных устройствахФпреимущественно в аналоговой и электроизмерительной технике.Цель изобретения " расширениефункциональных возможностей операционного усилителя. за счет получениядифференциального входа и повышенияста.бильности нулевого уровня.На фиг.1 приведена схема операционного усилителя (ОУ), на Фиг,2временные диаграммы выходных сигналов 15блока синхронизации,ОУ (фиг,1) содержит дифференциальный усилитель (ДУ) 1, блок синхранин 111 зации, (БС) 2, первый 3 и второй 4двухканальные усилители, первый 5 и 20второй 6 инвертирующие усилители,первый 7 и второй 8 входные резисто"ры, резистивный четырехполюсник 9состояций из двух пар 10 и 11 последовате,ьно соединенньгх резисторов 12, 251" и 14, 15 обратной связи и шунтирующего резистора 16,Выполнение двухканальных усилителей 3 и 4 аналогично и они состоят.з первого 17 н второго 18 двухпозипионных ключей, первые информпионные входы которых об ьединены и слу"а 1 входомкаждого усилителя 3 ие гыхопы О и 21 подключены к ненн, ":Г:, дующим .Оходам первогО 22 ивторого 23 усил телей постоянного тоГ:а (УПТ), первого баллас Гного Оезис 1 оуа 24 первого коммута.Гора 25 и. -о балластно 1 о резистора 26н.1 рого коммутатора 27 сумматора 28,Инвертирующие входы УПТ 22 и 23 "Ое 4 Одинены с их выходами через соответствующие элементы выборки-хранения(ЭВХ) 29 и 30. Управляющие входыдвухпозиционных кл 10 чей 17 и 18 ЭВХр29 и 30, а также коммутаторов 25 и27 в усилителях 3 и 4 подключены ксоответствующим выходам 31, 32, 33,и 33 БС 2, при этом в 1 яходы 33 и33 выполнены дифференцяальньп 1 и дляФормирования противофазных сигналовНаиболее простое и рациональное вы"полнение сумматора 28 достигается,например, в виде двух резисторов 34и 35, сопротивление которых пренебрежимо мало (монтажное проводниковое объединение токовых сигналов),а ЭВХ 29 .и 30 целесообразно выполнить, например, по пассивной схеме в виде последовательного соединения резистора 36, двухпозиционного ключа 37 и запоминающего конденсатора 38, Дифференциальным входом ОУ служат выводы 39 и 40 входных резисторов 7 и 8, а его выходом 41 - выход ДУ 1, например, выполненного по схеме дифференциального решающего усилителя на базе ОУ 42 и двух пар резисторов 43 и 44 (Б 4 -- К), 45 и 46 (84 у - В)Операционный усилитель функционирует следующим образом.Под управлением сигналов П и П,31 ) с выходов БС 31 и 32 ключи 17 и 37 в ЭВХ 29 (18 и 37 ЭВХ.ЗО) переключаются противофазно с соответствующим временным сдвигом относительно аналогичных ключей 18 и 37 в ЭВХ 30 второго канала усилителя 3, обеспечивающим подключение входа УПТ 22 к точке входа 19 усилителя 3 в то время, когда неинвертирующий вход УПТ 23 подключен к шине нулевого потенциала, при этом меньший временной интервал в периоде следования импульсов соответствует режиму хранения, При этом конденсатор 38 ЭВХ 30 ключом 37 подключен в цепь ООС на запоминание значения приведенного напряжения смещения нуля УПТ 23, а конденсатор 38 ЭВХ 29 ключом 37 переведен в режлм хранения значения приведенного напря. жения смещения нуля УПТ 22, В резуль. .тате, УПТ 22 осуществляет усиление. сигнала, поступающего на вход 19, в К раз, в то время как напряжение приведенного смещения нуля не усиливается. В следующем полупериоде управляющего напряжения Пз Пз УПТ 22 и 23, а также ЭВХ 29 и 30 по выполняемым функциям "меняются местами", ХО 1 иутаторы 25 и 27 являются токовыми ключами, которые при малых сопротивлениях резисторов 34 и 35 позволяют соответствующим балластным резисторам 24 и 26 выполнять функции преобразователей напряжения с выходом УПТ 22 и 23 в эквивалентные токи, которые складываются и восстанавливаются в виде суммарного напряжения усилителяьи-инверторами 5 и 6. При этом благодаря противофазной работе коммутаторов под управлением сигналами П и П-.зМ 1 13 с пары выходов 33 33 БС 2 осуществляется беспаузное временное уплотнение выходных сигналов УПТ 22 и 23 в непрерывный выходной сигнал в виде30 напряжения с вывода соответствующего усилителя-инвертора 5 или б. При достаточно высоком быстродействии ключей 17, 37 в ЭВХ 29 и 18, 37 в ЭВХ 30 упомянутые пары ключей могут управляться парафазными сигналами при скважности, равной двум, с соответствующим упрощением внутренней структуры БС. 10Каждое соединение усилителей 3 и 5, 4 и б охвачено цепью параллельной ООС через четырехполюсник 9 таким об- разом, что при подаче сигналов на входы 39 и 40 ОУ на входах 19 усили- .15 телей 3 и 4 поддерживается квазинулевое напряжение, Синфазное равноесмешение напряжений на входах 39 и 40 приводит к появлению синфаэных равных напряжений обратного знака на выходах усилителей 5 и б, в результате чего на выходе 41 ДУ 1 создается нулевое напряжение.Работу ОУ при неравных напряжениях на входах 39 и 40 можно пояснить 25 примером. Увеличение напряжения на. входе 39 относительно напряжения на входе 40 .вызовет приращение отрица- тельного напряжения навыходе усилителя-инвертора 5, которое будет передано через резисторы первого плеча 10 и шунтирующий резистор 16 во второе плечо 11 четырехполюсника 9 и на вход 19 усилителя 4Действие возникшего отрицательного при 35 ращения напряжения на входе 19 усилителя 4 будет сбалансировано соответствующим положительным приращением напряжения на выходе усилителя-инвер тора 6 через цепь ООС - второе плечо 40 четырехполюсника 9, Таким образом, в ответ на разбаланс напряжений на входах 39 и 40 усилители 3 и 5, 4 и 6, благодаря их связи через двухплечевой четырехполюсник 9, ведут себя как аналог дифференциального усилительного каскада с большим внутренним усилением в сочетании с подавлением напряжения смещения нуля в каждом из двухканальных усилителей 3 иРазностное напряжение на выходах усилителей-инверторов 5 и б относительно подавляемого синфазного уровня выделяется с усилением на выходе 41 посредством оконечного ДУ 1.55Положительный эффект достигается следующим образом. Усилители 3 и 5, 4 и 6 совместно с входными резисторами 7 и 8 и четырехполюсником 9 эк вивалентны функциональному аналогудифференциального входного каскадаОУ, в котором после раздельной компенсации УПТ по способу Принца остаточные приведенные к входам 19 напряжения Ь 1 и а 14 смещений нуля усилителей 3 и 4 соответственно можнооценить величинами первого порядкамалости а 1 з А+ а 14 АгфД 1 з А, - а 14 АП ,о П 6,0 гдеА(2) (3) Ьг Ы Ел. Ь.,Кт Ъ К 1 б Ъб у 16К(з ю 4 К 41т. 8 ДУ 1 выделяет раэностное напряжение П- або , которое пересчитывается к дифференциальному входу 39-40 всего ОУ как величина второго порядка малости относительно напряжений (1).а 1 э 9,ао (а 1 у 1 к) (" + ф) ю (4)оС= (+ 1)/( 1 + и +2)В.,8 К 7 т Кт Ъ(5) Экспериментальные результаты по измерению эквивалентного напряжения (4) не превышали значений 2 мкВ, т,е. практически на порядок меньше, чем в известных ОУ,1 + Е 14 + Еба 1л(1)3 КЗФ К 4 где 1 и 1 - характеризуют макси"4мальную величину приведенных напряжений смещения нуля УПТ 22 и 23,соответственно входящихв каналы усилителей 3и 4 фЕ и Е - напряжения смещений ну 6ля усилителей-инверторов 5 и б, приведенныек их входам;Ки К 4 - минимальные значениякоэффициентов усиления,которыми обладают УПТ22 или 23, соответствень о входящие в каналыусилителей 3 и 4.Вследствие связи цепей ООС усилителей 3 и 5, 4 и 6 через четырехполюсник 9 напряжения (1) трансформируются на выход усилителей 5 и б как соответствующие начальные напряжения смещенияСтоль высокая степень подавления смещений нуля и стабилизация рабочих режимов цепями местной ООС позволит применять предлагаемьй ОУ в разомкнутом режиме как прецизионный измери - тельный усилитель в электроизмерительной технике либо как ОУ с диффе" ренциальным входом при охвате цепью внешней ООС:в аналоговой вычислительной технике. Кроме того, значи"тельное снижение приведенного напря,жения смещения нуля (4) снижает ограничения на параметры пассивных эле,ментов внешней цепи ООС, УПТ 22 в ,усилителях 3 и 4, а также УПТ 23 в :усилителях 3 и 4 одновременно подключаются к входам ДУ 1 коммутяторают. 25 и 27 соответственно, а остаточная коммутационная помеха является син,фазным сигналом для ДУ 1 и эффекти:в- Но им подавляется. Временной сдвиг между управляюпими сигналами с выхо- ,дов 31, 32 и 33 обеспечивает исключение влияния на работу ОУ переходньг процессов и помех в каналах усилитеЛей 3 и 4 при переключении соотвег,ствующих ключей 17, 18 и 37.Формула изобретенияОперационный усилитель, содержащий дифферепциальныи усилитель. блок син- ХРОНИЗаЦИИ И тЕРВЫЙ ДВУХКЯНаЛЬНЫй 5 силитель с автсьагическай 1 сьпентя - цией дрейфа нуля, выполненный в виде 1 тЕРВОГа И ВТОРОГО ЭЛЕМЕНТОВ ВыбОРКИ- Хранения, первого и второго двухпозициснных ключей, первого и второго коммутаторов, первого и второго бапластчых резисторов, сумматора и первого и второго усилителей постоянного ТСКЯ ВьтХСДЫ КОТОРЫХ СООТВЕТСТВЕННО через первый и второй элементы вы борки-хранения подключены к своим инвертирующим входам и через первый .и второй балластные резисторы - к инФормационным входам соответственно гервого и второго коммутаторов, сае" диненных первыми выходами соответтвенно с первым и вторым входамисумматора, а вторыми выходами - с ш 1:- най нулевого потенциала, первые информационные входы первого и второго двухпозиционных ключей первого усиля- геля с автоматической компенсацией дрейфа нуля объединены, а их вторые инФормационные входы и выходы сосдинены ссстетственнс с шиной нулевого потенциала и с неинвертирующими входами соответственно первого и второго усилителей постоянного тока управляющие Входы первого и второго двухпозициснных ключей и управляющие входы первого и втсрсга элементов выборки-хранения первого усилителя постоянного тока с автоматической компенсацией дрейфа нуля подключенысоответственна к первому и второму ВЫХОДам блока синхронизации, Третий и четвертый выходы которого сасдинены соответственно с угрявляющими входами первого и второго ксм 5 ттатсров, отличающийся тем что с целью расширения Функциональных возможностей за счет получения:,циффе ренциальнога входа и повышения стабильности нулевого уровня в него введены первый и второй иьвгртирующие усилители, первьЙ и второй входные рези торы, .второй двухканальный усилтель с автоматической компенсацией дрейфа пуля, выполненный по идентичной первому двухканальному усилителю с автоматической компенсацией дрейфа Н 5 тля схеме., и резистивный четьрехпалюсник, состоящий из двух пап последовательно ссединенньгхрезисторов Обратной связи и Г 5 тнтртт-"ЮЩЕГО ттЕЗИСТОРЯ ВКЛГЧЕННОГО ЬтЕ 1 П "обьединенньми вывсдати резисторовобратной связи первой и второй гтар,свободные Выводы кстсрьг соединенысоатВетственно с ВыхОдОИ первого ин вертирующего устьлителя и с объединенными первыми инфармацисньтши вхс:аги ПЕРВОГО И ВТОРОГО ДВ;тХПСЗИЦИСН:-.ЫХнКЛЮЧЕИ ПЕОВт тГО ПВУХаттЯЛЬНС С 5 тСИЛИтеля с автоматической компенсациейдрейфа нуля, вь 1 ходсм второго инверти"руОщегс усилителя и с объединеннымиПЕРВЫМИ ИНФСРМЯЦИСЬт:;вМИ ВХОДЯЛИ ГЕР-. ВОГС И ВтСРаГО ДВУХтС;тттИСННЬХ ;Л; -":ЭЙ ВТОРОГО 9 ВУХКЯНЯЛЬСтО тСИ.ИТЕЛЯс автоматической компенсациеи дтект.ануля. Входы первого и втсрггс инвертируощих усилителей подключены к выт.) ХОДЯМ СУММЯТОРСВ СООТВЕТСТВЕННО ПЕРВаго и Второго цвухканяльных усилител-й с яВтомятическсй ксмпенсяциейдрейфа нуля, а выходы первого и второго инвертирующих усилителей - соответстве;но к неинвертирующему и инвертирующему входам дифференциального усилителя, выход которога является выходам операционного усилитегя,первый и второй входныеоставитель А.Масловехред Л.олийнык Редактор Н.Тупица ректор Э,Лончакова Зак 286 .46 667 Подписное тета по изобретениям и открыт ва, Ж, Раушская наб., д. ж КНТ ССС Государственного к 113035, МИИПИ п оиэводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 14534 включены соответственно между первь 1 м и вторым информационными входами операционного усилителя и объединенными первыми информационными входами пер 5 ваго и второго двухпазиционных ключей соответственно первого и второго двухканальных усилителей с автоматической компенсацией дрейфа нуля, управляющие входы двухпозиционных клю 17 8чей, элементов выборки-хранения и . коммутаторов первого двухканального усилителя с автоматической компенсацией дрейфа нуля соединены с управляющими входами соответствующих двух- позиционных ключей, элементов выборки-хранения и коммутаторов второго двухканального усилителя с автоматической компенсацией дрейфа нуля.Ф