Аналоговое запоминающее устройство

(72) А,Е. Рафалбе ехнолого поГОСУДАРСТВЕН АЛЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ юл. ЬЬ 42ое конструкторско-т(56) Авторское свидетельство СССР ЬЬ 1485309, кл. 6 11 С 27/00, 1987.Авторское свидетельство СССР ЛВ 1552231, кл. 6 11 С 27/00, 03.01.89.(54) АНАЛОГОВОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО(57) Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, вчастности к аналоговым запоминающим устройствам, и может быть использовано в аналого-цифровых преобразователях. Цель изобретения - повышение быстродействия устройства - достигаетсятем, что в устройство, содержащее операционный усилитель 11, токозадающий элемент 1 и элемент 2 обратной связи на резисторах, ограничительный 3, ключевые и управляющие элементы на диодах; формирователи 7, 8 управляющих сигналов, отражатели 13, 14 тока, накопительный элемент 12 на конденсаторе, дополнительно введен биполярный преобразователь 21 напряжение-ток, состоящий из масштабирующего элемента 26 на резисторе, элементов 22, 23 смещения на диодах, двух источников тока, двух переключательных элементов на транзисторах разных проводимостей, Использование биполярного преобразователя 21 напряжение-ток позволяет достичь небольшой рассеиваемой мощности и высокого быстродействия вследствие того, что ток покоя биполярного преобразователя 21 напряжение-ток не ограничивает импульсные пара-2 метры данного узла. Возможность изменять в широких пределах передаточную характеристику при перезаряде накопительного элемента 12 на конденсаторе путем выбора масштабирующего элемента 26 на резисторе позволяет оптимально сочетать быстродействие и.точность с характеристиками элемента 12. 1 з.п. ф-лы, 2 ил,Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, а частности к анапоговым запоминающим устройствам, и может быть использовано в аналого-цифровых преобразователях,Известно аналоговое запоминающее устройство, содержащее два операционных усилителя, пять резисторов, конденсатор, два диода и аналоговый ключ,Недостатком известного устройства является низкое быстродействие из-за необходимости вь 1 бора конденсатора хранения большой емкости. При уменьшении конденсатора хранения увеличиваются погрешности сквозного прохождения и переключения.Известно также аналоговое запоминающее устройство, содержащее повторитель напряжения, Операционный усилитель, четире формирователя управляющих сигналоа, четыре источника тока, четыре управляющих элемента, ограничительный элемент на диодах, токозадающий элемент обратной связи на резисторах, два ключевых элемента, выполненных по диодно-мостовой схеме, и накопительньй элемент на конденсаторе.Недостатком этого устройства является большая рассеиваемая мощность. Объясняется это тем, что источники тока сильноточного мостового диодного ключа (так же, как и слаботочного) генерируют рабочие токи на протяжении всего времени функционирования устройства, Для уменьшения рассеива- ОМОЙ мощнОсти 8 известном устроЙстве можно уменьшить ток источников тока, питающих сильноточный ключ, однако это вызовет уменьшение быстродействия при заданной погрешности переключения.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является аналоговое запоминающее устройство, содержащее повторитель напряжения, первый и второй формирователи сигналов, первый и второй управляющие элементы и ограничительный элемент на диодах, операционный усилитель, токозадэющий элемент и элемент обратной связи на резисторах, ключевой элемент, выполненный по диоцно-мостовой схеме, накопительный элемент на конденсаторе, генератор экспоненциальных токов, первый и второй отражатели тока,Реализация в известном устройстве источников тока с экспоненциальной временной зависимостью позволила, например, при сохранении на неизменном уровне точности и быстродействия значительно уменьшить мощность рассеивания данного устройства по сравнению с интеграторным аналоговым запоминающим устройством на двух мостовых диодных ключах, Однаковозможности дальнейшего существенногоувеличения точности и быстродействия в известном, устройстве оказываются ограни 5 ченными. Это связано с использованием вкачестве предусилителя повторителя напряжения, а в качестве коммутатора - мостовыхдиодных ключей,Так, наличие входного повторителя на 10 пряжения при простоте его схемотехнической реализации не позволяет принеобходимости увеличить крутизну передаточной характеристики тракта заряда конденсатора хранения. Данный недостаток15 особенно отчетливо проявляется в заключительной фазе цикла выборки, когда небольшое напряжение разбаланса мостовогодиодного ключа (менее 60 МВ) существенноувеличивает время дозарядэ конденсатора.20 Причем возможность применения в данномслучае усилителя напряжения ограниченадовольно жесткими требованиями к его частотной характеристике (для минимизациивносимого дополнительного фазового сдви 25 га), Наличие мостовых диодных ключей затрудняет оптимальное согласованиепараметров источников тока ( ит) с током с,требующимся для перезаряда конденсатора хранения, Причем даже в случае исполь 30 зования экспоненциальных ит невозможнообеспечить требуемое согласование междупараметрами источников тока (током 1 ит (1) итоком 1 с,Так при 1 ит(1)1 с произойдет увеличение35 рассеиваемой мощности сверх номинального значения, а в случае 1 ит (т)1 с будет ограничено быстродействие выборки.Решить указанные выше проблемыможно, используя вместо повторителя на 40 пряжения токового предусилителя - биполярного преобразователя напряжение-ток.Цель изобретения - повышение быстродействия.Поставленная цель достигается тем, что45 в аналоговое запоминающее устройство, содержащее операционный усилитель, токозэдающий элемент и элемент обратнойсвязи на резисторах, ограничительный, пер- .вый и вторые ключевые и управляющие эле 50 менты на диодах, первый и второйформирователи управлчющих сигналов,первый и второй отражатели тока, накопительный элемент на конденсаторе, первыйвывод которого соединен с первым выводом55 резистора элемента обратной связи и выходом операционного усилителя и являетсяинформационным выходом устройства, второй вывод конденсатора накопительногоэлемента объединен с катодом диода первого и анодом диода второго ключевых эле 1 б 91895510 20 25 30 ментов и подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к шине нулевого потенциала устройства, входы первого и второго формирователей управляющих сигналов являются первым и вторым управляющими входами устройства, а их выходц подключены соответственно к ка.тоду диода первого и аноду второго управляющих элементов, аноды диодов первых управляющего и ключевого элементов подключены к выходу первого отражателя тока, катоды диодов вторых управляющего и ключевого элементов подключены к выходу второго отражателя тока, второй вывод резистора обратной связи подключен к первым воеводам ограничительного элемента и резистора токозадающего элемента, второй вывод которого является информационным входом устройства, дополнительно введен биполярный преобразователь, информационный вход которого подключен к первому выводу резистора токозадающего элемента, а первый и второй информационные выходы - к информационным входам первого и второго отражателей тока соответственно, входы питания которых объединены с соответствующими входами питания биполярного преобразователя и подключены соответственно к первой и второй шинам питания устройства. Биполярный преобразователь состоит из масштабирующего элемента на резисторе, двух элементов смещения на диодах, двух источников тока, двух преобразовательных элементов на транзисторах соответственно и-р-и и р-п-р-типов, эмиттеры которых объединены с первым выводом резистора масштабирующего элемента, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала устройства, коллекторы транзисторов первого и второго преобразовательных элементов подключены соответственно к информационным входам соответствующих отражателей ка, база транзистора первого преобразовательного элемента подключена к выходу первого источника тока, объединенного с анодом диода первого элемента. смещения, катод которого объединен с анодом второго элемента смещения и является информационным входом биполя рного преобразователя, катод диода второго элемента смещения объединен с базой транзистора второго преобразовательного элемента и выходом второго источника тока, входы первого и второго источников тока подключены соответственно к первой и второй шинам питания устройства. Устройство относится к аналоговым запоминающим устройствам интеграторного типа, преимуществом которых является возможность относительно быстрой выборки с довольно малыми погрешностями запоминания,Известнц также аналоговые запоминающие устройства разомкнутого типа, Однако такие устройства, обладая хорошим быстродействием, имеют относительно большие погрешности. Объясняется это отсутствием общей отрицательной связи (погрешности ключевого элемента непосредственно передаются на выход схемы), а также необходимостью формировать для управления мостовым диодным ключом сигналы большой амплитуды (превышающей диапазон входных напряжений). Последнее неизбежно приводит к увеличению апертурных погрешностей. Аналогичная ситуация будет и при использовании полевых транзисторов в качестве коммутатора, Причем в этом случае придется для минимизации погрешностей "пролезания" существенно увеличивать номинал конденсатора хранения (в статье до 0,1 мкф). что неизбежно приведет к необходимости учитывать абсорбционнце эффекты в диэлектрике. Для уменьшения погрешности абсорбции разработана схема компенсации на ВС-элементах, Очевидно, что при этом говорить о долговременной и температурной стабильности схемы компенсации и всего устройства не приходится.Предлагаемое устройство не содержит элементов, температурная зависимость параметров которых влияет на точность функционирования, Кроме того, использование биполярного преобразователя напряжениеток позволило достичь небольшой рассеиваемой мощности и довольно высокого быстродействия и точности, Объясняется это тем, что ток покоя биполярного преобразователя напряжение-ток абсолютно не ограничивает импульсные параметры данного узла, А возможность изменять в широких пределах передаточную характеристику при перезаряде конденсатора хранения (путем выбора масштабирующего резистора) позволяет. оптимально сочетать быстродействие и точность с характеристиками выбранного конденсатора.На. фиг. 1 представлена функциональная схема аналогового запоминающего устройства; на фиг. 2 - возможное исполнение отражателей тока.Устройство содержит токозадающий элемент 1 и элемент 2 обратной связи на резисторах, ограничительные элементы 3, 4 и управляющие элементы 5, б на диодах, 1691895которые с помоцью управляющих сигналов, формируемых в формирователях 7.8 управляющих сигналов, осуществляют закрывание и открывание диодов и ключевых элементов 9, 10, операционный усилитель 11, накопительный элемент 12 на конденсаторе, который заряжается током, формируеМым в отражателях 13 и 14 тока, которые имеют информационные входы 15 и 16, выводы 17 и 18 подключения к клеммам питания, информационные выходы 19 и 20; биполярный преобразователь 21 напряжение-ток, который состоит из двух элементов 22, 23 смещения на диодах, двух источников 24, 25 тока, масштабирующего элемента 26 на резисторе, задающего ток заряда, и переключающих элементов 27 и 28 на транзисторах разной проводимости,Устройство работает сл едчющим образом.При переходе из режима хранения в режим выборки на первый и второй управляющие входы устройства подаются такие ГГЛ-уровни управляющих сигналов О 1 и О 2, при которых элементы 3 и 4 закрыты и токи текут через диоды 10 и 11 ключевого элемента. При этом происходит заряд элемента 12, и напряжение на выходе устройства отслеживает напряжение на его входе, При изменении логических уровней сигналов управления О 1 и О 2 на противоположные происходит открывание элементов 3 и 4 и закрывание элементов 10 и 11, при этом устройство переходит в режим хранения, Выбирая величину элемента 26, можно регулировать скорость заряда элемента 12.Имея малую погрешность выборки и не рассеивая большую мощностьтак как начальные токи минимальны, а в импульсном режиме изменение тока заряда согласовано с изменением входного напряжения, устройство является более быстродействующим, чем прототи и. Увеличение быстродействия происходит из-за уменьшения постоянной времени заряда конденсатора саар, определяемой масштабирующим резистором йс, а не Яах, как в прототипе.Оп ределим коэффициент Кб увеличения быстродействия устройства по сравнению с прототипом. При этом зададимся одинаковыми максимальными токами заряда конденсатора и погрешностями выборки.Быстродействие аналогового запоминающего устройства определяется временем выборки до заданной точности. Время выборки прототипаЕ 1Скр. О ах.макс.макс р2,4 сЕ,где т- постоянная времени генератора экспоненциальных токов; Схр - емкость хранения; Оах.макс. - максимальное входное напря жение аналогового запоминающего устройства;макс, - максимальный ток генератора экспоненциальных токов;йвх, - входное сопротивление аналого вого запоминающего устройства;т - температурный потенциал, равный 25 мВ;д - допустимая погрешность выборкианалогового запоминающего устройства. 15 Приведенное выражение показывает два цикла заряда конденсатора, которые происходят по экспоненциальному закону. Первое слагаемое определяется экспоненциальным током генератора экспоненци альных токов, а второе слагаемое определяет заряд конденсатора, когда напряжение разбалансировки Оразб, мостового диодного ключа станет меньше 60 мВ.Время выборки предлагаемого устрой стваЙн Сх, Йм Сху тамб устр К +хп 1/д -- " - Р Нп 1 Щ 2 30 где Вм - сопротивление масштабирующего резистора 26;К - коэффициент умножения тока заряда, определяемый исполнением отражателей 13 и 14 тока.В данном выражении учитывается как линейный заряд конденсатора хранения, так и экспоненциальный заряд, длительность которого определяется точностью установления выходного напряжения. "0 Сопротивление резистора йм для определения коэффициента К 6 выбирается исходя из максимального тока заряда: Оц К(3)1 с.макс. 45 где Оя - напряжение падения на элементах 5 и 6 при максимальных входных сигналах;с,макс.=макс, - максимальный ток заряда конденсатора хранения.Рассчитаем коэффициент увеличения 50 быстродейстия устройства по сравнению с прототипом. 6 ьс 3. с сросс 2 бьсЮ уссрПодставив г =3001 О с; Схр=100 и Ф;Овх.макс,=5 В макс.=2 10 А: Рих =5 кОм;р =25 м В, (=0,001 ,Од К 0,7 4Вм =- 1,4 кОм,акс 2 10 3получимК 6=9 3Таким образом, введение новых блокови связей позволило повысить быстродействие устройства,Формула изобретения1. Аналоговое запоминающее устройство, содержащее операционный усилитель, токозадающий элемент и элемент обратной связи на резисторах, ограничительный и первые и вторые клочевые и управляюш,е элементы на диодах, первый и второй фор-, мирователи управляющих сигналов, первый и второй отражатели тока, накопительный элемент на конденсаторе, первый вывод ксторого соединен с первым выводом рези стара элемента обратной связи и выходом операционного усилителя и является информационным выходом устройства, второй вывод конденсатора накопительного элемента объединен с катодом диода первого и анодом диода вторбго ключевых эле-:ЭО ментов и подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к шине нулевого потенциала устройства, входы первого и второго формирователей управляющий сигналов являются первым и вторым управляющими входами устройства, а их выходы подключены соответственно к катоду диода первого и аноду диода второго управляющих элементов, аноды диодов первых управляющего и ключевого элемен-. тов подключены к выходу первого отражателя тока, катодь. диодов вторых управляющего и ключевого элементов подключены к выходу второго а.;ажателя тока, второй вывод резистора эле е обратной .связи подключен к первым выв:,:;э,. резисторов ограничительного элемента и тако- задающего элемента, второй вывод которого является информационным входом устройства, отл ича ю щеес я тем,что,с целью повышения быстродействия, в него введен биполярный преобразователь напряжение-ток, информационный вход которого подключен к первому выводу резистора токозадающего элемента, а первый и второй информационные выходы - соответственно к информационным входам первого и второго отражателей тока, входы питания которых обье "инены с соответствующими входами питания биполярного преобразователя и подключены соответственна к первой и второй шинам питания устройства.2. Устройство по и, 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем., что бипалчрный преобразователь напряжение-ток состоит из масштабирующего элемента на резисторе, двух элементов смещения на диодах, двух переключательных элементов на транзисторах соответственно п-р-и- и р-л-р-типов, эмиттеры которых обьединены с первым выводом резистора масштабирующего элемента, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала устройства, коллекторы транзисторов первого и второго переключательных элементов подключены соответственно к информационным входам соответствующих отражателей тока, база транзистора первого переключательного элемента подключена к выходу первого источника тока, объединенного с анодом диода первого элемента смещения, катод которого объединен с анодом диода второго элемента смещения и является информационным входом биполярного преобразователя, катод диода второго элемента смещения объединен с базой транзистора второго переключательного элемента и выходом второго источника тока, входы первого и второго источников тока подключены соответственно к первой и второй шинам питания устройства.1691895Составитель А, ЕршоваРедактор А. Маковская Техред М.Моргентал Корректор С. Черни Заказ 3931 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101