Измерительный усилитель

(51)5 Н 03 Р 3/3 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ЕТЕЛЬСТВУ К АВТОРСКОМ елена принципиальема измерительного временные диаграмлов; на фиг. 3 - врепряжений на выходе тронованольно- пере- ичных На фиг, 1 предста ная электрическая сх усилителя; на фиг. 2 - мы управляющих сигн менные диаграммы на усилителя,Измерительный у Изобр ой техни качестве о усилите лючаемым реобразо силитель содержитль 1 с выходом 2, ин, неинвертирующимарой 6, третий 7 конесятый ключи 8 - 17ия, первый 19 и вто Цель ифициентателя при пконденсатного усили операционныи усилите вертирующий входом 3 входом 4, первый 5, вт денсаторы, первый - д источник 18 напряжен коэф- силиостей ционГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(71) Ленинградское производственное обьединение "Электронприбор"(57) Изобретение относится к электроннойтехнике и может быть использовано в качестве интегрального измерительного усилителя на КМОП-структурах спереключаемыми конденсаторами во вторичных преобразователях информации,Целью изобретения является повышениекоэффициента усиления измерительногоусилителя при постоянном отношении емкостей кондечсаторов связи с входами операционного усилителя и обратной связи,Для этого в устройство, содержащее операционный усилитель, первый конденсатор,второй конденсатор, первый - пятый ключи,источник напряжения, общую шину, входетение относится к алек ке и может быть использинтегрального измерите ля на КМОП структурах с и конденсаторами во втор вателях информации.зобретения - повышение усиления измерительного у остоянном отношении емк оров связи с входами опера теля и обратной связи. ную и выходную шины, введены третий конденсатор, пять ключей, шина установки среднего уровня выходного сигнала, вторые входная и выходная шины с соответствующими функциональными связями, а также применен четырехтактный цикл усиления входного сигнала. Коммутация осуществляется таким образом, что в первом такте измерительный усилитель запоминает входное напряжение на конденсаторах связи с входами операционного усилителя, во втором такте производится взаимное переключение конденсаторов связи, за счет чего напряжение на входах операционного усилителя удваивается, а усиленный выходной сигнал считывается на первый выход устройства, в третьем такте вновь осуществляется запоминание входного напряжения на конденсаторах связи, в четвертом такте осуществляется обратное переключение конденсаторов связи и на выходе операционного усилителя формируется сигнал противоположной относительно второго такта полярности, который считывается на второй выход устройства. 3 ил,рой 20 входы измерительного усилителя,вход 21 для подачи напряжения установкисреднего уровня выходного сигнала, выходы 22 и 23 измерительного усилителя, общую шину 24, 5Устройство работает следующим образом,Пусть 019, 02 о - напряжения по отношению к общей шине 24 соответственно навходах 19 и 20; 018 - напряжение источника 1018 напряжения; 021 - напряжение установки среднего уровня выходного сигнала нашине 21, Номера снимаемых с шин сигналов соответствуют номерам шин, номера управляющих сигналов - номерам 15коммутируемых ключей,Временные диаграммь, управляющихсигналов (фиг, 2) построены таким образом,чтобысигналы 8 и 10, а также сигналы 11 и12 не перекрывались на фронтах для предотвращения сквозных токов между точкамисхемы ввиду одновременно открытых ключей, подключенных к этим точкам. Цикл работы усилителя по времени можноразделить на четыре такта: первый такт с 25момента то по момент тз - , заряд конденсаторов 5 6 и 7; второй - с момента тз помомент тб - усиление входного напряжения;третий - с момента тб по момент В - зарядконденсаторов 6 и 7 напряжением противоположной полярности по сравнению с первым тактом и повторный зарядконденсатора 5; четвертый - с момента Ь помомент с 12 - инверсное усиление входногонапряжения (см. фиг, 2,3). 35В некоторый момент времени то (фиг. 2)ключи 8,9 и 11,13,15, управляемые соответственно сигналами 8 и 11, открыты, а остальные ключи закрыты, Операционныйусилитель 1 охвачен глубокой отрицательной обратной связью (выход 2 замкнут накоротко с инвертирующим входом 3 черезкл юч 8), и ри этом происходит автокоррекция операционного усилителя 1 по напряжению смещения нуля на его входах, Наличие 45источника 18 напряжения позволяет выбором величины его напряжения задать оптимальную рабочую точку операционногоусилителя 1 независимо от синфазной составляющей входного сигнала. 50Конденсатор 6 заряжается до разностинапряжения 019 - 018, конденсатор 7 - доразности 02 о - 018, конденсатор 5 - до разности 021-018, За такт настройки напряжение смещения нуля операционного 55усилителя 1 запоминается на конденсаторах 6 и 5 и в дальнейшем не влияет наточность передачи сигнала.На выходе 2 операционного усилителя 1при этом устанавливается напряжение, равное напряжению источника 18 с точностьюдо напряжения смещения усилителя 1 (фиг.3), После настройки операционного усилителя 1 в момент времени т 1 ключи 9, 8 и 13размыкаются, но напряжение на выходе 2усилителя 1 сохраняется, так как не происходит перезаряда конденсаторов устройства,В момент времени т 2 сигналом 10 открывается ключ 10, в то же время сигнал 11меняет полярность и управляемые им ключи11,13 и 15 закрываются, при этом на выходе2 усилителя 1 устанавливается напряжение,равное сумме напряжений на конденсаторе5 и на инвертирующем входе 302=05+Оз,так как напряжение между инвертирующим входом 3 и неинвертирующим входом4 различается на величину напряжения смещения операционного усилителя 1, получаем02=05+04+Осм=021 (018+Осм)+018+Осм=021,т.е, на выходе усилителя 1 устанавливается напряжение, равное напряжению навходе 21,В момент времени 1 з приходит отпирающий сигнал 14, ключи 12 и 14 открываются,и конденсаторы 6 и 7 подключаются соответственно к клеммам 20 и 19, При этомпроисходит изменение напряжения на неинвертирующем входе 4 операционногоусилителя 1 на величину(019-020) С 7/(С 7+ С)=-Овх С 7/(С 7+С)= О вх(1)где С 7 - емкость конденсатора 7;С - суммарная емкость входа операционного усилителя (СС 15),Через конденсатор 6 на инвертирующий вход 3 операционного усилителя 1 передается заряд, равный заряду,передаваемому через конденсатор2 СбО.,=С 5(0-018-О.,), (2)где Сб и С 5 - емкости соответственно конденсаторов 6 и 5,Овых - напряжение на выходе 2.Из (2) получаемОвых=Овх (С 5+2 Сб)/С 5 )+018. (3)Таким образом, относительно заданного среднего уровня выходного сигнала (виртуального нуля) 018 изменение выходногонапряжения равноО вых=О вх(1+2 Сб/С 5) (4)Когда на ключ 16 приходит отпирающийсигнал 16 (момент времени т 4), напряжение(3) запоминается на внешнем конденсаторе,который подключается к выходу 22. Далее вмомент времени т 5 ключи 16 и 10 закрываются, затем в момент времени тб открываются ключи 8,9 и 13, и процесс происходитаналогично описанному выше с той разницей, что теперь конденсатор 6 в режиме1741254 10 55 настройки подключен к входу 20, а конденсатор 7 - к входу 19, а в режиме сравнения- наоборот, в момент времени 110 (соответствует моменту т 4) отпирается ключ 17 изапоминание полученного на выходе напряжения происходит на конденсаторе, подключенном к выходу 23, при этом величинаэтого напряжения по отношению к заданному среднему выходному уровню 016 равнаОвых=-(1+2 С 6/ С 5) Овх. (5)Далее с момента т 12 процесс повторяется, причем момент 112 соответствует моменту 1 о.Таким образом, в результате между выходами устройства 22 и 23 получаем разность напряжений, равную022-023=2(1+2 С 6/С 5)(019-020),т,е. коэффициент передачи устройстваравенОвых/Овх=2(1+2 С 6/С 5). (6)Можно показать, что в случае прототипа(где 020=0) выходное напряжение равноО вых=(1+С 6/ С 5) 019, (7)т.е, по сравнению с прототипом коэффициент усиления для данного устройства.возрастает более чем в четыре раза при томже соотношении величины емкостей входного конденсатора и конденсатора обратной связи.Таким образом, получаемое увеличениеусиления более чем в четыре раза по сравнению с прототипом достигается за счетпредварительного заряда двух конденсаторов 6 и 7 от входного сигнала в первом итретьем тактах и последующего суммирования во втором и четвертом тактах дифференциального входного напряжения инапряжения предварительно заряженныхконденсаторов 6 и 7, а также за счет того,что после двух следующих друг за другомтактов работы устройства изменяется полярность подключения конденсаторов б и 7во время предварительного заряда и изменяется полярность дифференциальноговходного сигнала, при этом одновременнопроизводится считывание и запоминаниедвух разнополярных сигналов на конденсаторах нагрузки, подключенных к выходам 22и 23, соответственно во втором и четвертом. тактах работы устройства, т,е. еще одно удвоение сигнала производится за счет коммутационного инвертирования и 15 20 25 30 35 40 45 50 считывания дифференциального напряжения на выходах устройства.Формула изобретения Измерительный усилитель, содержащий операционный усилитель, выход которого через первый ключ соединен с его инвертирующим входом и с первыми обкладками первого и второго конденсаторов, причем вторая обкладка первого конденсатора соединена с первым выводом второго ключа и через третий ключ - с выходом операционного усилителя, первый выход четвертого ключа является первым входом измерительного усилителя, второй вывод четвертого ключа и первый вывод пятого ключа сбединены с второй обкладкой второго конденсатора, источник напряжения, первый вывод которого соединен с общей шиной, причем первый и второй ключи являются нормально разомкнутыми, третий ключ нормально замкнутым, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения коэффициента усиления при постоянном отношении емкостей конденсаторов, введены третий конденсатор и шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый ключи, причем первый вывод четвертого ключа через седьмой ключ соединен с первой обкладкой третьего конденсатора, вторая обкладка которого соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя и через шестой ключ - с вторым выводом источника напряжения, первый выводы пятого и восьмого ключей являются вторым входом измерительного усилителя, а второй вывод восьмого ключа соединен с первой обкладкой третьего конденсатора, первые выводы девятого и десятого ключей соединены с выходом операционного усилителя, а вторые выводы являются соответствующими выходами измерительного усилителя, второй вывод второго ключа является входом для подачи напряжения установки среднего уровня выходного сигнала, причем четвертый, восьмой и девятый ключи являются нормально замкнутыми, а пятый, шестой, седьмой и десятый ключи являются нормально разомкнутыми, частота включения первого, второго, третьего и шестого ключей в два раза выше, чем частота включения остальных ключей,1741254 10 Составитель И,Водяхинедактор Л.Веселовская Техред М,Моргентал рректор С,Ш зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 Заказ 2092 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5