Измерительный усилитель

Измерительный усилитель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве интегрального измерительного усилителя на КМОП-структурах с переключаемыми конденсаторами во вторичных преобразователях информации. Целью изобретения является повышение коэффициента усиления измерительного усилителя при постоянном отношении емкостей конденсаторов 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, входИзобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве интегрального измерительного усилителя на КМОП структурах с переключаемыми конденсаторами во вторичных преобразователях информации. Цель изобретения - повышение коэффициента усиления измерительного усилителя при постоянном отношении емкостей конденсаторов связи с входами операционного усилителя 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. На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема измерительного усилителя; на фиг. 2 - временные диаграммы управляющих сигналов; на фиг. 3 - временные диаграммы напряжений на выходе усилителя. Измерительный усилитель содержит операционный усилитель 1 с выходом 2, инвертирующий входом 3, неинвертирующим входом 4, первый 5, второй 6, третий 7 конденсаторы , первый - десятый ключи 8-17, источник 18 напряжения, первый 19 и втоСО с XI ю ел 4

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 03 F 3/38

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4718929/09 (22) 11.07.89 (46) 15.06.92. Бюл. М 22 (71) Ленинградское производственное обьединение "Электронприбор" (72) Е.И.Андреев, С.Д.Лебедев и Д,А.Летюхин (53) 621.375.024(088.8) (56) IEEE Journal of Solid-State ctrcuits, vol.

Sc-18, No1, February, Fig. 12, 1983, 72. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (57) Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве интегрального измерительного усилителя на КМОП-структурах с переключаемыми конденсаторами во вторичных преобразователях информации, Целью изобретения является повышение коэффициента усиления измерительного усилителя 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, входИзобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве интегрального измерительного усилителя на КМОП структурах с переключаемыми конденсаторами во вторичных преобразователях информации.

Цель изобретения — повышение коэффициента усиления измерительного усилителя при постоянном отношении емкостей конденсаторов связи с входами операционного усилителя и обратной связи.

„„ 0 „„1741254 А1 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, На фиг, 1 представлена принципиальная электрическая схема измерительного усилителя; на фиг. 2 — временные диаграммы управляющих сигналов; на фиг. 3 — временные диаграммы напряжений на выходе усилителя, Измерительный усилитель содержит операционный усилитель 1 с выходом 2, инвертирующий входом 3, неинвертирующим входом 4, первый 5, второй 6, третий 7 конденсаторы, первый — десятый ключи 8 — 17, источник 18 напряжения, первый 19 и вто1741254 рой 20 входы измерительного усилителя, вход 21 для подачи напряжения установки среднего уровня выходного сигнала, выходы 22 и 23 измерительного усилителя, общую шину 24. 5

Устройство работает следующим образом.

Пусть U1g, 02о — напряжения по отношению к общей шине 24 соответственно на входах 19 и 20; U18 — напряжение источника 10

18 напряжения; 021 — напряжение установки среднего уровня выходного сигнала на шине 21, Номера снимаемых с шин сигналов соответствуют номерам шин, номера управляющих сигналов — номерам 15 коммутируемых ключей.

Временные диаграммы управляющих сигналов (фиг, 2) построены таким образом, чтобы-сигналы 8 и 10, а также сигналы 11 и

12 не перекрывались на фронтах для пред- 20 отвращения сквозных токов между точками схемы ввиду одновременно открытых ключей, подключенных к этим точкам. Цикл работы усилителя по времени можно разделить на четыре такта: первый такт с 25 момента тс> по момент тз —, заряд конденсаторов 5,6 и 7; второй — с момента тз по момент t8 — усиление входного напряжения; третий — с момента t8 по момент tg — заряд конденсаторов 6 и 7 напряжением противо- 30 положной полярности по сравнению с первым тактом и повторный заряд. конденсатора 5; четвертый — с момента tg no момент с12 — инверсное усиление входного напряжения (см. фиг. 2,3). 35

В некоторый момент времени to (фиг. 2) ключи 8,9 и 11,13,15, управляемые соответственно сигналами 8 и 11, открыты, а остальные ключи закрыты. Операционный усилитель 1 охвачен глубокой отрицатель- 40 ной обратной связью (выход 2 замкнут накоротко с инвертирующим входом 3 через кл юч 8), и ри этом происходит автокоррекция операционного усилителя 1 по напряжению смещения нуля на его входах, Наличие 45 источника 18 напряжения позволяет выбором величины его напряжения задать оптимальную рабочую точку операционного усилителя 1 независимо от синфазной составляющей входного сигнала. 50

Конденсатор 6 заряжается до разности напряжения U1g — 018, конденсатор 7 — до разности 02o — U18, конденсатор 5 — до разности U21-U18, За такт настройки напряжение смещения нуля операционного 55 усилителя 1 запоминается на конденсаторах 6 и 5 и в дальнейшем не влияет на точность передачи сигнала.

На выходе 2 операционного усилителя 1 при этом устанавливается напряжение, равное напряжению источника 18 с точностью до напряжения смещения усилителя 1 (фиг.

3), После настройки операционного усилителя 1 в момент времени t1ключи 9,,8 и 13 размыкаются, но напряжение на выходе 2 усилителя 1 сохраняется, так как не происходит перезаряда конденсаторов устройства.

В момент времени т2 сигналом 10 открывается ключ 10, в то же время сигнал 11 меняет полярность и управляемые им ключи

11,13 и 15 закрываются, при этом на выходе

2 усилителя 1 устанавливается напряжение, равное сумме напряжений на конденсаторе

5 и на инвертирующем входе 3

02=05+Оз, так как напряжение между инвертирующим входом 3 и неинвертирующим входом

4 различается на величину напряжения смещения операционного усилителя 1, получаем

02=05+04+Осм=021 (018+Осм)+018+Осм=021 т.е. на выходе усилителя 1 устанавливается напряжение, равное напряжению на входе 21.

B момент времени ta приходит отпирающий сигнал 14, ключи 12 и 14 открываются, и конденсаторы 6 и 7 подключаются соответственно к клеммам 20 и 19. При этом происходит изменение напряжения на неинвертирующем входе 4 операционного усилителя 1 на величину (0 19- 020) C7/(С7+ С)=-0 вх С7/(С7+ С)= 0 вх(1) где С7 — емкость конденсатора 7;

С вЂ” суммарная емкость входа операционного усилителя (С«С15).

Через конденсатор 6 на инвертирующий вход 3 операционного усилителя 1 передается заряд, равный заряду, передаваемому через конденсатор

2 С8О.,=С5(0...-018-0.,), (2) где С8 и С5 — емкости соответственно конденсаторов 6 и 5, Uвых — напряжение на выходе 2.

Из (2) получаем

Овых=Овх ((С5+2С6)/С5 )+018. (3)

Таким образом, относительно заданного среднего уровня выходного сигнала (виртуального нуля) U18 изменение выходного напряжения равно

0 вых=0 вх(1+2 Сб/ C5) (4)

Когда на ключ 16 приходит отпирающий сигнал 16 (момент времени t4), напряжение (3) запоминается на внешнем конденсаторе, который подключается к выходу 22. Далее в момент времени t5 ключи 16 и 10 закрываются, затем в момент времени t8 открываются ключи 8,9 и 13, и процесс происходит аналогично описанному выше с той разницей, что теперь конденсатор 6 в режиме

1741254

55 настройки подключен к входу 20, а конденсатор 7 — к входу 19, а в режиме сравнения — наоборот, в момент времени тю (соответствует моменту t4) отпирается ключ 17 и запоминание полученного на выходе напряжения происходит на конденсаторе, подключенном к выходу 23, при этом величина этого напряжения по отношению к заданному среднему выходному уровню 0 6 равна

0вых=-(1+2 С6/ СБ) 0вх. (5)

Далее с момента tn процесс повторяется, причем момент tn соответствует моменту to.

Таким образом, в результате между выходами устройства 22 и 23 получаем разность напряжений, равную

Un-0ãç=2(1+2 С6/С6)(019-0го), т,е. коэффициент передачи устройства равен

0вых/0вх=2(1+2 С6/С6). (6)

Можно показать, что в случае прототипа (где Ufo=0) выходное напряжение равно

0вых=(1+С6/ С5)019, (7) т.е, по сравнению с прототипом коэффициент усиления для данного устройства. возрастает более чем в четыре раза при том же соотношении величины емкостей входного конденсатора и конденсатора обратной связи.

Таким образом, получаемое увеличение усиления более чем в четыре раза по сравнению с прототипом достигается за счет предварительного заряда двух конденсаторов 6 и 7 от входного сигнала в первом и третьем тактах и последующего суммирования во втором и четвертом тактах дифференциального входного напряжения и напряжения предварительно заряженных конденсаторов 6 и 7, а также за счет того, что после двух следующих друг за другом тактов работы устройства изменяется полярность подключения конденсаторов 6 и 7 во время предварительного заряда и изменяется полярность дифференциального входного сигнала, при этом одновременно производится считывание и запоминание двух разнополярных сигналов на конденсаторах нагрузки, подключенных к выходам 22 и 23, соответственно во втором и четвертом . тактах работы устройства, т,е. еще одно удвоение сигнала производится за счет коммутационного инвертирования и

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 юшийся 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! !!! !!! 1! ! !

l0 1 ? г Ь » б 1b 6 гав ? мfx2

) !! !!! !

1741254

1 Eg 1у 10 ter 12

g< fã зЬ tq t

45

Составитель И.Водяхина

Редактор Л.Веселовская Техред М,Моргентал Корректор С.Шевкун

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2092 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5