Усилитель-ограничитель

 

УСИЛИТЕЛЬ-ОГРАНИЧИТЕЛЬ, со держащий первый операционный усилитель ,, инвертирующий вход которого через первой масштабный резистор соединен с первым входом усилителяограничителя и через второй масштаб ный резистор - с выходом операционного усилителя, являющийся вьрсодом усилителя-ограничителя, второй опер ционный усилитель, между инвертирую л У ± - щим входом и выходо которого включен первый ключ, ограничивающий резистор , подключенньй первым выводом к инвертируквдему входу второго операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом второго ключа, и источник няпряжения ограничения , одним выводом подключенный к щине нулевого потен иала, отличающийся тем, что, с целью повьппения быстродействия и расширения класса решаемых задач, он содерясит третий и четвертый масштабные резисторы , включенные последовательно между вторым входом усилителя-органичитепя и шиной нулевого потенци- I ала, общий вывод третьего и четвертого масштабных резисторов соединён со вторым вьюодом второго ключа и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого подключен ко второму выводу ограничивающего резистора, а другой вывод источника напряжения ограничения соединен с неинвертируюшим входом второго операционного усилителя.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

0% (И) з@ц С 06 С 7/25

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

fl0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:

К ASTOPCKOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3627087/24-24 (22) 03.05.83 (46) 15.11..84, Бюл. к- 42 (72) Л.И. Волгин, А.В. Ефимов и А.И. Зарукин (71) Ульяновский политехнический институт (53) 681.335(088.8) .(56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 640317, кл. С 06 С 7/25. 1974.

2. Автооское свидетельство СССР

Ф 826365, кл. G 06 G 7/25, 1979.

3. Авторское свидетельство СССР

В 913405, кл . С 06 G 7/25, 1980

,(прототип). (54) (57) УСИЛИТЕЛЬ-ОГРАНИЧИТЕЛЬ, содержащий первый операционный усилитель,.ийвертирующий вход которого через первь и масштабный резистор соединен с первым входом усилителяограничителя и через второй масштабный резистор — с выходом операционного усилителя, являющийся выходом усилителя-ограничителя, второй операционный усилитель, между инвертирую,(Э

4 щим входом и выходо которого включен первый ключ, ограничивакиций резистор, подключенный первым выводом к инвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом второго ключа, и источник няпряжения ограничения, одним выводом подключенный к щине нулевого потенциала, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения .быстродействия и расширения класса решаемых задач, он содержит третий и четвертый масштабные резисторы, включенные последовательно между вторым входом усилителя-органичителя и шиной нулевого потенци- ф ала, общий вывод третьего и четвертого масштабных резисторов соединен со вторым выводом второго ключа и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого Ф подключен ко второму выводу ограничивающего резистора, а другой вывод источника напряжения ограничения соединен с неинвертируюшим входом второго операционного усилителя.

1124334

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и радиотехнике и может быть использовано в различных устройствах радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники.

Известен ограничитель напряжения, содержащий операционный усилитель,,ключ и нелинейный элемент, в которых управление ключом осуществляется путем изменения полярности напряжения на выходе усилителя. относительно опорного напряжения (1) .

Однако такой ограничитель имеет !

5 низкую точность в режиме усиления входного напряжения.

Известен усилитель-ограничитель, содержащий первый операционный усилитель, выход которого является выходом

20 усилителя-ограничителя и подключен к неинвертирующему входу в горого операционного усилителя, к инвертирующему входу второго операционного усилителя, к инвертирующему входу которого

25 подключен источник напряжения ограничения, а выход через ключ соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, являющимся входом усилителя-ограничителя (2) .

Недостаток этого усилителя-ограни-З0 чителя заключается в низком быстродействии.

Наиболее близким ао технической сущности к предложенному является усилитель-ограничитель, содержащий Ç5 первый операционный усилитель, первый и второй резисторы, соединенные последовательно и включенные между входом и выходом устройства, к которому подключе . выход первого опера- 40 ционного усилителя, а его инвертирующий вход подключен к точке соединения первого и второго резисторов, источник напряжения ограничения, одним выводом подключенный к шине нулевого потенциала, второй операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с одним из выводом ограничивающего резистора и с одним иэ выводов второго ключа, другой вывод которого сое- 50 динен с выходом второго операционного усилителя и с одним из выводов первого ключа, инвертирующий вход .первого . усилителя соединен с другим выводом . первого ключа, другой вывод ограни- 55 чивающего резистора подключен к другому выводу источника напряжения органичения, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к выходу устройства (3) .

Недостатком известного устройства является то, что в режиме ограничения в петлю обратной связи входят два последовательно включенных усилителя с примерно равными коэффициентами усиления. .Для обеспечения устойчивости и рав- номерной частотной характеристики (без подъемов) необходимо, чтобы постоянная времени одного из усилителей была намного больше другого. Поэтому приходится либо ухудшать частотные свойства ограничителя в режиме усиления, корректируя частотную характеристику первого усилителя, либо уменьшить быстродействие при переключении режимов работы, корректируя второй усилитель.

Кроме того, известный усилитель позволяет ограничивать только один входной сигнал.

Целью изобретения является повышение быстродействия и расширения класса решаемых задач.

Поставленная цель достигается тем, что усилитель-ограничитель, содержащий первый операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый масштабный резистор соединен с первым входом усилителя-ограничителя и через второй масштабный резистор — с выходом операционного усилителя, являющимся выходом усилителя-ограничителя, второй операционный усилитель, между инвертирующим входом и выходом которого включен первый ключ, ограничивающий резистор, подключенный первым выводом к инвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом второго ключа, и источник напряжения ограничения, одним выводом подключенный к шине нулевого потенциала, содержит третий и четвертый масштабные резисторы, включенные последовательно между вторым входом усилителя-ограничителя и шиной .нулевого потенциала, общий вывод третьего и четвертого масштабных резисторов соединен со вторым выводом второго ключа и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого подключен к второму выводу ограничивающего резистора, а другой вывод источника напряжения ограниче1 124 ния соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя.

На фиг. 1 и 2 представлены варианты выполнения дифференциального усилителя-ограничителя в зависимости от характеристики ограничения (ограничение сверху и снизу соответственно); на фиг. 3 — схема неинвертирующего усилителя-ограничителя (напряжения на втором входе фиг. 1 U, =О); на фиг. 4 — схема инвертирующего усилителя-ограничителя (напряжение на первом входе фиг. 2 01=0).

Усилитель-ограничитель содержит первый операционный усилитель 1 с дифференциальным входом, второй операционный усилитель 2 с дифференциальным входом, первый масштабный резистор 3, второй масштабный резистор 4, третий масштабный резистор

5, четвертый масштабный резистор б, ограничивающий резистор 7, первый ключ 8, например диод, второй ключ 9, содержащий либо последовательно соединенные диод 10 и стабилитрон 11 при 25 ограничении отрицательного напряжения

1 сверху (фиг. 1) или положительного напряжения снизу (фиг. 2), либо диод

10. При ограничении положительного напряжения сверху или отрицательного напряжения снизу (фиг. 2 и фиг. 4), источник 12 напряжения ограничения, входы 13 и 14, выход 15 устройства.

Уровень ограничения усилителяограничителя устанавливается регулировкой .напряжения источника 12.

Усилитель-ограничитель работает следующим образом.

Пусть разность напряжений на входе усилителя-ограничителя (фиг.2) 40 положителвна: (U1-U ) T О, напряжение источника 12 напряжения ограни чения положительно Uo ) О, и считаем, что разность входных напряжений (П1-U ) C ПоН1®г s где R и Rã со- 45 противления резисторов 3 и 4 соответственно. Выходное напряжение (отрицательное относительно напряжения ограничения U ), через ограничивающий резистор 7 подается на инвертирующий вход усилителя 2 что приводит к появ7 лению на его выходе положительного напряжения> открывающего диод ключа

8> замыканйю петли отрицательной обратной связи, включающее усилитель 55

2, открытый диод 8, усилитель 1. На выходе усилителя-ограничителя в данном режиме — режиме ограничения — поддер334. 4 живается напряжение ограничения. Выходное напряжение ограничивается снизу на уровне где мультипликативная погрешность напряжения ограничения где R и R4- сопротивление открытого диода ключа 8; К вЂ” коэффициент усиления усилителя 2; r, — выходное сопротивление усилителя 2; 8 =R /(R4+R );

U

При увеличении разности входных напряжений и выполнения условия (П1-U ) ) U

1 появляется напряжение положительное относительно опорного,- U< которое через ограничивающий резистор 7 подается на инвертирующий вход усилителя 2. Это приводит к появлению на выходе усилителя 2 отрицательного напряжения. Диод ключа 8 закрывается.

Цепь обратной связи отключается и не влияет на работу усилителя 1.

Выходное напряжение усилителя-огра- . ничителя где / — погрешность коэффициента усиления — †. (41

П! Нг 2 Н4

I

Здесь Kq Rq((R, + R4), Ф = R (.

-/(Ri + R ) . В рассматриваемом случае

1 1 2 TaK K>K R((Rг P )R4 s НЯ сопротивление закрытого диода ключа

8, U -напряжение на выходе усилителя 2.

Отрицательное напряжение на выходе усилителя 2 открывает диод 1О и стабилитрон 11 ключа 9, через которые усилитель 2 охватвается местной петлей обратной связи, поддерживающей на его инвертирующем входе напряже.ния U и предотвращающей его насыще- ние. Напряжение стабилизации стабилитрона 11 выбирается таким образом, чтобы U = (U ) — (U ), где U — напряжение на стабилитроне 11 и диоде

10, -быно отрицательно и было не менее 2-3 В, так, чтобы диод 8 нахо1124334 дился E закрытом состоянии. По сравнению с прототичом данное выполнение ключей 8и 9 дает существенное

) повышение точности устройства в об ласти усиления разности входных напряжений, так как стабилитрон в области напряжений, близким к напряжению стабилизации, имеет сопротивление меньшее сопротивления закрытого диода. При отрицаиельных значениях 10 источника напряжения ограничения

Uo > -2В ключ 9 выполняется без стабилитрцна, как показано на фиг. 4.

Для устройства (фиг. 1), являюще- 15 гося ограничителем сверху, П с О, а (UI,) — (U0) и выбирается равным +2, +ЗВ. При положительных

< 2В ключ 9 необходимо выполнять без стабилитрона, как показано на 20 фиг. 3.

На фиг. 3 и фиг. 4 приведены схемы усилителей-ограничителей при U О (фиг. 3) и:U» = О (фиг. 4).

Для усилителя-ограничителя фиг.4) 25 выходное напряжение

"г

П,.„= -П, — (1.У), »

30 где погрешность

U2 RI+Ro Кг

При использовании предлагаемого усилителя-ограничителя существенно 3g повьппается быстродействие (полоса рабочих частот устройства). В.отличие от прототипа в предлагаемом усилите-! ле-ограничителе в режиме ограничения первый усилитель охвачен цепью отрицательной обратной связи через делитель, выполненный на резисторах R» и R, что в К»В2 pas уменьшает его,постоянную времени. Здесь К1 — коэффициент усиления первого усилителя на постоянном и квазипостоянном токе. Это позволяет в Кг 82 раз (при применении опег рационных усилителей с однополюсной частотной характеристикой, нашедшйх наибольшее применение) уменьшить пос— тоянную времени второго пперационного усилителя по сравнению с прототипом.

При этом существенно увеличивается быстродействие устройства при переходах из режима ограничения в режим усилителя и наоборот.

Изменяя значение и полярность напряжения источника 12, а также меняя полярности диодов и стабилитрона ключей 8 и 9, можно производить ограничения двухполярного сигнала снизу и сверху во всем диапазоне его изменения.

Предложенное техническое решение позволяет использовать его как в режиме дифференциального, так и в режиме неинвертирующего усилителя-ограничителя.

Предлагаемый дифференциальный усилитель-ограничитель легко реализуется на современной элементной базе, в том числе и в интегральном исполнении, не труебует подбора элементов по параметрам и специальных построек.

Таким образом, предлагаемое устройство практически при тех же аппаратурных затратах превосходит прототип в быстродействии.

1124334

Фиа4

Составитель С. Белан

Редактор С. Тимохйна Техред А.Бабинец Корректор N. Иаксимишинец

Заказ 8282/39 Тираж 698 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4