Имитатор отрицательной индуктивности

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ 3948 СПУБЛИК 19) (11) 51)5 Н 1 д 1 БРЕТ ИЯ ическии инсти ементы радиоэлект авочник. - М.: Ради. 2,10,ИЦАТЕЛЬНОЙ И ится к радиоэлектроользовано для имитиГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(57) Изобретение отнонике и может быть исп рования отрицательнои индуктивности в селективных устройствах микроэлектроники, Цель изобретения - повышение стабильности отрицательной индуктивности. Имитатор отрицательной индуктивности содержит первый 1 и второй 2 операционные усилители, первый 3 и второй 4 конденсаторы, первый 5, второй 6 и третий 7 резисторы, Имитатор отрицательного сопротивления работает на основе конвертора отрицательного сопротивления, преобразуя емкостное сопротивление в отрицательное индуктивное, 1 ил.Изобретение относится к интегральной микросхемотехнике, предназначено для моделирования отрицательной индуктивности с повышенной точностью и может быть использовано как схемотехнический элемент в селективных устройствах. микроэлектро 11 ики, а также в качестве эквивалента мер трицательных индуктивности и емкости,диоизмерительных приборов,Целью изобретения является повыше- .1 е стабильности отрицательной индуктив, ости,На чертеже представлена принципи 1 ьная электрическая схема устройства дл оделирования отрицательной индуктивноУстройство для моделиров ия отрица,ельной индуктивности с,ржит первый ;перационный усилитель 1, первый 2 и второй 5 резисторы, первый конденсатор 4, третий резистор 3, второй конденсатор б и .-,торой операционный усилитель 7,Первый резистор 2, первый конденсатор 4 и второй резистор 5 соединены последовательно. Инвертирующий вход и выход первого операционного усилителя 1 под;лючены соответственно к точкам соедине.ия первого конденсатора 4 с первым 2 и вторым 5 резисторами, а его неинвертирую, ий вход, являющийся входом 9 устройства, соединен со свободным выводом второго резистора 5,Неинвертирующий вход второго опера 1 ионного усилителя 7 посредством третьего Резистора 3 соединен с выходом первого с перационнаго усилителя 1 и через второй ;.онденсатор б соединен с общей шиной 8 .стройства, а инвертирующий вход и выход ; орого операционного усилителя 7 соеди,:ны со свободным выводом первого рези.-.,ора 2,Устройство для моделирования отрица льной индукгивности работае 1 следую.,и и об разом.При подключении между входом 9 и общей шиной 8 устройства источника сигналанапряжением О на выходе первого опера оннпго усилителя 1 образуется напряжение О . Под влиянием разности напряжений ,.1-О, действующей между неинвертирующим входом и выходом первого операционного усилителя 1, по второму резистору 5 протекает ток, который совместно с напряжением источника сигнала О определяет полное входное сопротивление, реализуемое предлагаемым устройством (исходя из идеальности свойств операционного усилителя, его входная цепь не потребляет тока. из-за обесконечно большого в первом при ближении входного дифференциального соп ротивления): О К; С.эх= 1 --О40 где г 2 и Сл - номинальные значения сопротивления и емкости первого резистора 2 и первого конде 1- сатора 4;ы- круговая частота источника сигнала, Отсюда находим искомое соотношение 45 напряжений, представляющее коэффициент передачи первого операционного усилителя 1 с отрицательной обратной связью(2) Решая совместно уравнения (1) и (2).получаем соотношение для искомого полного входного сопротивления устройства 55 Лвх= ) й) С 4 Е 1285=) ГЛ -экв, (3) где Ькв - эквивалентная индуктивность, реализуемая между входом 9 и общей шиной 8 устройства; где К 5 - номинальное значение сопротивления второго резистора 5.10 Под действием переменного выходного напряжения О первого операционного1усилителя 1 через первый конденсатор 4,первый резистор 2 и малое выходное сопротИВЛЕНИЕ Йвых ВТОРОГО ОПЕРаЦИОННО 1.О15 усилителя 7 (этот усилитель охвачен стопроцентной параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, и еговыходное сопротивление, определяющеесясоотношением Янцх = Квых /(1+Ко), пренеб 20 режимо мало по сравнению с номинальнымзначением сопротивления первого резистора 2, где Вэфах и К 0 - выходное сопротивление и коэффициент передачиоперацион ного усилителя без обратной свя 25 зи - параметры усилителя, реально составляющие сотни Ом и сотни тысяч разсоответственно) протекает переменный ток,который на первом резисторе 2 создает напряжение, в точности равное входному на 30 пряжению О (разность напряжений междувходами операционного усилителя принимается равной нулк, из-за бесконечно большого в первом приближении коэффициентапередачи Кэ без обратной связи):.35ОВ 2- . - : -- = О .1Я 2 + - ,о)С 4(4) Из выражения (3) следует, что входноесопротивление, реализуемое предложенным устройством, носит отрицательный индуктивный характер и имеет эквивалентнуюотрицательную индуктивность, определяющуюся соотношением (4). Изменяя номинальные значения величин параметров,входящих вформулу (4), можно в широкихпределах регулировать величину реализуемой отрицательной индуктивности,Переменная составляющая тока, образуемая под влиянием выходного напряжения О первого операционного усилителя 1,1проходит также через третий резистор 3 ивторой конденсатор 6, образующие фильтрнижних частот, отфильтровывается даннымфильтром, не создавая на неинвертирующем входе второго операционного усилителя 7 заметного напряжения (номинальноезначение емкости второго конденсатора 6выбирают намного больше номинальногозначения емкости первого конденсатора 4(С 6 С 4), а постоянную временифильтра реализуют намного большей1/периода Тн= - самого низкочастотноготнсигнала, поступающего на вход устройстВа: т= ВЭ СбТн, ГДЕ ЙЗ-НОМИ Нап Ь НОЕ ЗН ачение сопротивления третьего резистора 3,Постоянная составляющая напряженияО, возможно, появляющаяся на выходе1первого операционного усилителя 1 (этотусилитель сам по себе не охвачен отрицательной обратной связью по постоянномутоку), беспрепятственно проходит черезтретий резистор 3 на неинвертирующийвход второго операционного усилителя 7 ис коэффициентом передачи, весьма близким к единице, передается на выход, а затемчерез первый резистор 2 воздействует наинвертирующий вход первого операционного усилителя 1, охватывая тем самым отрицательной обратной связью попостоянному току предельной глубины обаоперационных усилителя 1 и 7, что существенно улучшает стабильность работы устройства в целом,Изменяя частоту 1 с сигнала, подаваемого на вход 9 устройства по отношению кобщей шине 8, входной ток 1 устройства.нагружающий источник сигнала, изменяется в широких пределах от некоторой максимальной величины макс до минимальнойми Максимальная величина входного тока устройства определяется максимальновозможным напряжением на выходе пе 1 вого операционного усилителя 1 (ОмаксОвых.макс, где Овых.макс максимальное выходное напряжение операционного усилителя 1 - параметр усилителя) и минимальным номинальным значением второго РЕЗИСтОРа 5 (1 макс = Омакс /й 5) На НЕКОтОРОй1самой низкой частоте, 1 сн. на которой сопротивление емкости первого конденсатора 4 велико, а сопротивление емкости второго конденсатора 6 еще мало. Частота верхнего среза фильтра нижних частот, образованного третьим резистором 3 и вторым конденсатором 6 определяется из условия . 5 10 1 вс Ссн15 саторе 6 создает напряжение, в точности соответствующее входному напряжению О Минимальное значение входного токаустремляется к нулю (мин +0 полное входное сопротивление(1) устремляется в беско нечность) на самой высокой частоте, накоторой напряжение О на выходе первого операционного усилителя 1 приближается к входному напряжению О за счет уменьшения сопротивления емкости первого 25 конденсатора 4 и, следовательно, охватастопроцентной отрицательной обратной связью по переменному току первого операционного усилителя 1, переводящей последний в режим повторения сигнала с 30 реализацией единичного коэффициента передачи.Таким образом, диапазон изменения токов стремится к бесконечности макс( - - сс ), что позволяет спроектировать1 минустройство для моделирования отрицательной индуктивности, изменяющейся в исключительно широком диапазоне,С уменьшением частоты 1 с до нулевых 40 значений(1 с 0), на которых сопротивлениеемкости второго конденсатора 6 заметно увеличивается с ухудшением фильтрующего действия, первый 1 и второй 7 операционные усилители охватываются стопроцентной отрицательной обратной связью по переменному току (выходное напряжение О приближается к входному О), и токчерез второй резистор 5 снижается до нулевого уровня (полное входное сопротивление (1) 50 устремляется в бесконечность).В этой области нижних частот, когдавлияние номинального значения емкости. первого конденсатора 4 не сказывается, поддействием напряжения О с выхода первого операционного усилителя 1 через третий резистор 3 и второй конденсатор 6 протекает переменный ток, который на втором конден(неинвертирующий вход второго операционного усилителя 7 и инвертирующий входпервого операционного усилителя 1 становятся эквипотенциальными); Отсюда отношение напряжений Подставляя соотношение (5) в выражение (1). получаем входное сопротивление устройства 5 1Евх) Ф С 6 ЙЗ ) М Сэкв где Сэкэ - эквивалентная емкость, реализуемая между входом 9 и общей шиной 8 устройства Из соотношения (б) видим, что в рассматриваемой области низких частот устройство реализует на своем входе эквивалентную отрицательную емкость. которую можно регулировать, изменяя величины номинальных значений параметров элементов схемы, входящих в выражение (7),Распоряжаясь соответствующим образом номинальными значениями параметров элементов схемы, можно спроектировать устройство для реализации эквивалентных как отрицательной индуктивности (4), так и отрицательной емкости (7), изменяющихся в широких пределах,Предлагаемое устройство для моделирования отрицательной индуктивности по сравнению с известным выгодно отличается повышенной точностью моделирования отрицательной индуктивности.Возможность моделирования высокоточной отрицательной индуктивности на микроэлектронной основе без применения катушки индуктивности как таковой обеспечена благодаряиспользованию в устройстве стопроцентной отрицательной обратной связи по постоянному току, позволяющей существенно улучшить стабильность его работы в целом,Без второго операционного усилителя 7и фильтра нижних частот, образованного третьим резистором 3 и вторым конденсатором б, устройство становится практически неработоспособным (погрешность реализации индуктивности стремится к бесконечности) даже в том случае, когда второй вывод первого резистора 2 соединен с общей шиной вследствие неустойчивой работы первого операционного усилителя из-за отсутствия в нем отрицательной обратной связи по постоянному току. При отсутствии такой связи первый операционный усилитель 1, накапливая заряд в первом конденсаторе 4, образует на своем выходе постоянное напряжение, приближающееся к уровню питающих напряжений, и становится неуправляемым (неработоспособным),Введенная глубокая отрицательная обратная связь по существу полностью устраняет отмеченный недостаток, и погрешность реализации отрицательной индуктивности и отрицательной емкости с помощью предложенного устройства определяется, в основном, нестабильностью элементов схемы, участвующих в образованииискомых величин в соответствии с выражениями (4) и (7), и может реально составитьдесятые доли процента. В связи с этим выигрыш в повышении точности моделирования отрицательной индуктивности с помощью предлагаемого устройства может составлять реально несколько тысяч раз,Таким образом, предлагаемое устройство по. сравнению с известным обладает высокой эффективностью и позволяет реализовать высокоточную отрицательную индуктивность на микроэлектронной основе. Это устройство, как наиболее эффективное, целесообразно для использования в качестве схемотехнического элемента в различных селективных устройствах микроэлектроники, а также в качестве мер отрицательных индуктивности и емкости радиоизмерительных приборов.Формула изобретения Имитатор отрицательной индуктивности, содержащий первый операционный усилитель, инвертирующий вход которого 50 соединен с первыми выводами первого резистора и первого конденсатора, второй вывод которого соединен с выходом первого операционного усилителя и с первым выво, дом второго резистора, второй вывод кото рого соединен с неинвертирующим входомпервого операционного усилителя, а также третийрезистор, отл ичаю щийсятем, что, с целью повышения стабильности отрицательной индуктивности, введены второйЗаказ 2009 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж. Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина. 101 операционный усилитель и второй конденсатор, первый вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод соединен с первым выводом третьего резистора и с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с его инвертирующим входом и вторым выводом первого резистора, а второй вывод третьего резистора соединен с выходом первого операционного усилителя, причем его 5 неин вентирующий вход я вляется входомимитатора отрицательной индуктивности,