Устройство для выделения модуля

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Сото з СоветскихСоциалистическихРеспублик и 980102(23) Приоритет 3 Ъеударстюхый комитвт СССР в делам изобретений и открытийДата опубликования описания 07;12.82(72) Авторы изобретения В.И. Гузей и А,Л.Черток 1) Заявитель 54) УСТРОЙСТВО.ДЛЯ ВЬДЕЛЕНИЯ. МОДУЛЯ 1Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, в частности к устройствам для вычисления модуля (абсолютного значения),т,е, функции вида У=К/Х /, представленной в форме электрического сигнала, и может быть использовано в умножителях частоты, квадраторах и прочих функциональных преобразователях,перемножителях аналоговых сигналов,вычислительных модулях многомерныхфункций, а также в измерительной технике двухполупериодного выпрямителя,Известны устройства дпя выделениямодуля, содержащие операционные усилители, диоды и резисторы, построенные по типу коммутации цепей прохождения входного сигнала в зависимо.сти от его полярности на инвертирующий или на неинвертирующий входыдифференциального операционного усилителя1,Для уменьшения погрешностей, вносимых элементами коммутации (диодаи), в таких устройствах обычно применяют либо цепи типа "прецизионныйдиод", либо цепи компенсации погрешности, содержащие диод,.однотипныйс коммутирующим.При использовании цепи "прецизион"ный диод" устройство для выделениямодуля получается слишком сложным, иотносительно медленнодействующим, отак как обычно содержит два операци"онных усилителя, причем один из нихработает как в линейном, так и в переключающем режимах, что неблагоприятно для быстродействия.Устройства же с одним операционным усилителем, как правило, либоне имеют провода, общего для входного и выходного сигналов, либо обладают неодинаковыми и высокими выходныо ми сопротивлениями для разнополярныхвходных сигналов.В устройствах для выделения моду"ля, использующих принцип компенсациипогрешностей, условия компенсации980102 ф в линейный режим. 40 45 50 55 либо неодинаковы для инвертирующей инеинвертирующей цепей прохождениясигнала, либо зависят от нагрузкиКроме того, погрешности известных устройств для выделения модулясодержат составляющую, возникающуюиз-за неодинаковости проводимостей,подключенных к входам дифференциальных операционных усилителей,Наиболее близким к изобретению потехнической сущности является устройство для выделения модуля, содержащее дифференциальный, усилитель двакоммутирующих диода, компенсирующийдиод и пять масштабных резисторов,разноименные электроды коммутирующих,диодов объединены и являются входомустройства, .вторые электроды подключены соответственно к инвертирующемуи неинвертирующему входам дифференциального усилителя и соответственно к первым выводам третьего и.четвертого масштабных резисторов,вторые выводы которых подключены шине нулевого потенциала, в цепь отрицательной обратной связи дифференциального усилителя включены последовательно соединенные пятый масштабный,резистор и компенсирующий диод, выход дифференциального усилителя является выходом устройства 2 ,.Недостатками прототипа являютсянизкие точность, надежность и быстродействие, а также высокий уровеньсобственных шумов,Все составляющие, складываясь,делают погрешность формирователя модуля неприемлемо, высокой.Кроме того, схема прототипа недопускает использования более совершенных чем прямосмещенные р-и переходы, коммутирующих элементов. В частности, обратносмещенные эммитерные р-и переходы интегральных транзисторов, обладающие более резкимизломом вольтамперной характеристики и лучшей температурной стабильностью, нельзя использовать из-заневозможности компенсации их относи"тельно большего (несколько вольт)напряжения открывания.Другой недостаток известногоустройства - высокий уровень собственных шумов. В окрестностях нулявходного сигнала, когда все диодызаперты и цепь отрицательной обратной связи практически разомкнута,операционный усилитель усиливает своисобственные шумы, Кроме того, каждый запертый диод также является источником шумового тока, быстро возрастающего с повышением температуры, Сумма указанных токов также приложенак входу усилителя, В результатеуровень шумов на выходе оказываетсянеприемлемо высоким, что сильно сокращает область применения известного устройства,10 Шумы операционного усилителя содержат составляющую вида 1/Г, определяющую временной дрейф усилителя,то есть напряжение смещения .нуля с,течением времени может изменяться5 по величине и менять знак. При анализе погрешностей указывалось, чтоэто может привести к резкому возрастанию погрешности формирователя, то есть к отказу, что свидетель 0 ствует о недостаточной надежностиизвестного формирователя модуля.Прототип характеризуется быстродействием. Выше указывалось, что сопротивление диодов в окрестности, ну 25 ля входного сигнала увеличиваетсяна несколько порядков, На столькоже увеличивается постоянная времени цепи обратной связи операционно"го усилителя и, следовательно, полоса пропускания .частотной характеристики известного устройства резкосокращается, а быстродействие ухудшается,Кроме того, возможность режиманасыщения операционного усилителя,35характерная для известного формирователя, может привести к дополнительной задержке сигнала на время, требующееся для переключения усилителя Цельизобретения - повышение точности, надежности и быстродействия,Поставленная цель достигается тем, что в устройство для выделения модуля, содержащее дифференциальный усилитель, первый и второй коммутирующие диоды, компенсирующий диод и пять масштабных резисторов, один электрод первого коммутирующего диода является входом устройства, а другой электрод через первый масштабный резистор подключен к первому выводу второго масштабного резистораи к неинвертирующему входу дифференциального усилителя, первый выводтретьего масштабного резистора подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, выход кото5рого является выходом устройства,вторые выводы второго и третьего масштабных резисторов объединены,введен источник опорного напряжения,один электрод второго коммутирующего диода подключен к шине первогопотенциала, а другой электрод подключен к первому выводу первого мас"штабного резистора, причем первый ивторой коммутирующие диоды включенывстречно, один электрод компенсирующего диода подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, а другой - к первым выводамчетвертого.и пятого масштабных резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к входу ивыходу устройства выход источникаопорного напряжениподключен к объединенным выводам второго и третьего масштабных резисторов.Устройство для выделения модуляприведено на чертеже.Устройство для выделения модулясодержит масштабные резисторы 1-5,коммутирующие диоды 6 и 7, компенсирующий диод 8, дифференциальный усилитель 9, источник 10 опорного напряжения,Такое включение элементов схемы,какое показано на чертеже, позволяет во много раз сократить диапазонизменения рабочих токов диодов, исключить возможность режима насыщенияоперационного усилителя и поддер"живать одинаковыми проводимости, подключенные к его входам, что в совокупности приводит к повышению точности, надежности, быстродействия иснижению шумов формирователя,Для оптимальной компенсации неидеальностей коммутирующих диодовнеобходимо обеспечить равенство иотносительную стабильность токов,протекающих через коммутирующие 6и 7 и компенсирующий 8 диоды, вовсем диапазоне изменения входногосигнала. Условия равенства токов легко выполняются при выборе резистора3 равным резистору 4 и обеспеченийравенства проводимости резистора 1полной проводимости, подключеннойк аноду компенсирующего диода 8. 98 о 1 ог где В- сопротивление резистора 1, 15 к - сопротивление резистора 2,В - сопротивление резистора 3,к 4 - сопротивление резистора 4,и - сопротивление резистора 5.Очевидно, такие соотношения резис торов не нарушают условий балансавходных проводимостей15., ъ 4и токов диодов, что свидетельству ет об отсутствии в данном устройствеодной из составляющих погрешностей,характерной для прототипа.При пересечении входным сигналомнулевого уровня неинвертирующий вход Зо диФференциального усйлителя с помощью коммутирующих диодов 6 и 7 подключается либо к входу устройства,либо к нулевой шине, инвертирующийвход дифференциального усилителяподключен к входу устройства постоян"ного. Компенсирующий диод 8, однотипный с коммутирующим, открыт независимо от полярности входного сигнала,При отрицательном входном сигнале 40 коммутирующий диод 6 запирается,коммутирующий диод 7 открывается.Устройство работает как инвертор скоэффициентом передачи й /к =-1;У =-Х.При положительном входном сигна"ле коммутирующий диод 6 открывается, а коммутирующий диод 7 закрывается, сигнал поступает на неинвер. тирующий вход и, так как соблюдено 50равенство проводимостей на входах,усиливается с коэффициентом к К =+2Так как положительный сигнал поступает также и на инвертирующийвход, то выходной сигнал формирователя является разностью55ЗгХ-=ХТаким образом, устройство инвертирует отрицательные входные сигыаВыполнение указанных условий, очевидно, обеспечивает также. соблюдение условий равенства проводимостей, подключенных к входам дифференциального усилителя. 6 Устройство для выделения модуля работает следующим образом. Полагаем, что устройство осуществляет преобразование 5ЗдКХ 1лы и передает без изменения положительные, т.е. реализует преобразование У=/ Х /.Изобретение по сравнению с известным устройством обладает, повышенной точностью, некоторые, составляющие погрешности, характерные для прототипз, полностью скомпенсирова-. ны, а другие значительно уменьшены и стабилизированы.Другим достоинством предлагаемого устройства является низкий уровень собственных шумов, Цепь отрицательной обратной связи дифференциального усилителя всегда замкнута, поэтому эффект усиления собственных шумов отсутствует, кроме того, шумовой .ток закрытого коммутирующего диода шунтируется низким сопротивлением открытого коммутирующего диода.Кроме того, предлагаемое устройство характеризуется повышенной надежностью, достигнутой благодаря исключению возможности ослабления и размыкания цепи отрицательной обратной связи дифференциального усилителя.Устройство имеет высокое быстродействие, независимость от. уровня входного сигнала, Так как цепь обратной связи дифференциального усилителя всегда замкнута и не изменяет своих параметров, то частотные и .временные параметры устройства полностью определяются соответствующими параметрами применяемого операционного усилителя, охваченного глубокой, отрицательной обратной связью, то есть достаточно вы соки (полоса пропускания - сотникГц - единицы МГц),Следует отметить, что предлагаемое устройство для выделения модуля может одновременно и усиливать обрабатываемый сигнал, то есть функционировать с коэффициентом К 71, Для установки нужного коэффициента можно использовать любой известный способ, например, ввести в цепь обратной связи делитель либо изменитьсоотношения резистора обратной связис входными резисторами. В любом случае следует соблюсти равенство проводимостей, подключенных к входам у сили теля. 10 15 20 25 ЗО 40 45 50 55 Предлагаемое устройство для выделе"ния модуля может также инвертировать обрабатываемый сигнал, то есть функционировать при КО. Для этого достаточно изменить полярности включения диодов и источника опорного напряжения на обратные.Экономический эффект от использования изобретения обусловлен его техническими особенностями,Формула изобретенияУстройство для выделения модуля, содержащее дифференциальный усилитель, первый и второй коммутирующие диоды, компенсирующий диод и пять масштабных, резисторов, один электрод первого коммутирующего диода является входом устройства, а другой электрод через первый масштабный резистор подключен к первому выводу второго масштабного резистора и к неинвертирующему входу дифференциального усилителя, первый вывод третьего масштабного резистора подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства, вторые выводы .второго и третьего масштабных .резисторов объединены, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, быстродействия и надежности устройства, в него введен источник опорного напряжения, один электрод второго коммутирующего диода подключен к шине нулевого потенциала, а другой электрод подключен к первому выводу первогофмасштабного резистора, причем первыйи второй коммутирующие диоды включены встречно, один электрод компенсирующего диода подключен к инвертирующему входу дифференциального усили теля, а другой - к первым выводам чет вертого и пятого масштабных резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к входу и выходу устройства, выход источника опорного напряжения подключен к объединеннымвыводам второго и третьего масштабных резисторов,1Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Шило А,В. Линейные интегральные схемы, И., "Советское радио", 199, с. 186-187.2. "Радио, телевидение, электроника", 1979, й 10, с. 17, НРБ.Составитель Т,СапуноваРедактор Т,Портная Техред А.Бабинец Корректор И.ДеЮ ":-9 " одписное 3 173 а аушс роек филиал ент", г, Ужгоро ираж 731ИИПИ Государственного копо делам изобретений и о3035, Москва, )И, Р ета СССРытийя наб., д, 4/