CS255006B1 - Kvadrátor s řízenými nelineárními odpory - Google Patents

Abstract

Je řešen kvadrátor, který je jedno ­ duchý, má snadno nastavitelnou funkci a velikost přenosu, je přesný a má vysokou teplotní stálost. Vstup (1) kvadrátoru je přes hlavní dělič (2) připojenk nein ­ vertujícímu vstupu hlavního operačního zesilovače (3) a přes vstupní odpor (4) k jeho invertujíoímu vstupu. Výstup hlav ­ ního operačního zesilovače (3) je součas ­ ně výstupem (5) kvadrátoru a je připojen přes zpětnovazební odpor (6) s jeho in- , vertujícím vstupem, který je přes hlavní řízeny nelineární odpor (7) spojen se ze ­ mí. Referenční vstup (11) kvadrátoru je přes pomocný dělič (12) spojen s neinver ­ tujícím resp. invertujícím vstupem a přes referenční odpor (14) s invertujícím resp. neinvertujíoím vstupem pomocného operač ­ ního zesilovače (13). Výstup pomocného operačního zesilovače (13) je současně spojen s řídicím vstupem hlavního a po ­ mocného řízeného nelineárního odporu (7, 17). Pomocný řízený nelineární odpor (17) je připojen mezi invertující resp. nein- vertujíoi vstup pomocného operačního ze ­ silovače (13) a zem, Kvadrátor lze reali ­ zovat z diskrétních součástek, jako hyb ­ridní nebo monolitioký integrovaný obvod.

Description

Vynález se týká zapojení kvadrétoru s řízenými nelineárními odpory, kterým se dosahuje vysoké teplotní stálosti.

V současné době jsou nejčastšji používány kvadrátory, t.j. obvody s kvadratickou převodní charakteristikou, dvojího druhu - diodové a násobičkové. U diodových kvadrátorů je výsledný kvadratický průběh převodní charakteristiky získáván složením dílčích úseků. Každý úsek je přitom tvarován jednou polovodičovou diodou s dvojicí odporů a případně s pomocným zdrojem napětí. Zpravidla se teoreticky každý úsek považuje za lineární, ve skutečnosti je vždy zakřiven vlivem exponenciální voltampérové charakteristiky diody. Čím má být diodový kvadrátor přesnější, tím větší'počet dílčích diodových obvodů vyžaduje a musí být dimenzován na tím větší provozní napětí. Běžně jsou realizovány kvadrátory s deseti i více diodami a dvaceti i více přesnými odpory. Vzhledem k tomu, že průběh voltampérové charakteristiky diody je již s fyzikální podstaty činnosti přirozeně teplotně závislý» jsou všechny diodové kvadrátory více či méně teplotně závislé. Násobičkové kvadrátory využívají přirozené matematické záměny kvadrátu za součin dvou shodných vstupních veličin. Stačí tedy jediný vstupní signál zavést do dvou vstupů libovolné čtyřkvadrantové násobičky a na jejím výstupu se objeví napětí úměrné kvadrátu napětí vstupního. Stálost takového kvadrétoru záleží na stálosti nuly a převodní konstanty násobičky. Jestliže násobička není schopna násobit ve všech čtyřech kvadrantech - dvoukvadrantová s řízenými odpory nebo jedno kvadrantová s logaritmátory - je nutné před její vstupy předřadit obvod, zpravidla zesilovač, absolutní hodnoty. Analogové násobičky nejsou běžně dostupnou součástí, takže realizace násobičkového kvadrétoru je obtížná a značně finančně nákladná. Existuje ještě několik dalších možností realizace kvadrátorů,

255 OOB

- 2 využívajících kvadratické části voltampérové charakteristiky libovolného elektronického prvku. Tyto obvody jsou většinou nepřesné a nestálé.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zapojení kvadrátoru podle vynálezu/sestávající z hlavního obvodu zabezpečujícího kvadratickou převodní charakteristiku a z pomocného obvodu pro stabilizaci základní funkce. Podstatou hlavního obvodu kvadrátoru je, že k jeho vstupu je přes hlavní dělič připojen neinvertující vstup a přes vstupní odpor invertujíčí vstup hlavní-, ho operačního zesilovače, invertujíčí vstup je dále přes hlavní řízený nelineární odpor spojen se zemí a přes zpětnovazební odpor s výstupem hlavního operačního zesilovače, který je současně výstupem kvadrátoru. Pomocný obvod má referenční vstup pro připojení stejnosměrného referenčního napětí, který je přes pomocný dělič spojen s neinvertujícím resp. invertujícím vstupem a přes referenční odpor s invertujícím resp. neinvertujícím vstupem pomocného operačního zesilovače, jehož výstup je současně spojen řídicím vstupem hlavního řízeného nelineárního odporu i pomocného řízeného nelineárního odporu, přičemž pomocný řízený nelineární odpor je připojen mezi invertujíčí resp. neinvertující vstup pomocného operačního zesilovače a zem. Hlavní obvod kvadrátoru, složený z hlavního děliče s hlavním operačním zesilovačem, hlavním řízeným nelineárním odporem a vstupní m odporem,realizuje kvadratickou převodní charakteristiku tím, že navržené spojení eliminuje lineární složku voltampérové charakteristiky nelineárního řízeného odporu. Pomocný obvod kvadrátoru, složený z pomocného děliče s pomocným operačním zesilovačem, referenčního odporu připojeného k referenčnímu napětí a pomocného řízeného nelineárního odporu zajištuje samočinnou kompenzaci změn hlavního obvodu, způsobených změnou jeho pracovních podmínek, například teploty, napájecích napětí a podobně.

Výhodou navrženého zapojení je jeho jednoduchost v porovnání s diodovými i nésobičkovými kvadrátory, snadné nastavení funkce a velikosti přenosu, velká teplotní stálost a přesnost srovnatelná s násobi čkovými kvadrátory.

- 3 255 008

Příklad zapojení kvadrátoru podle vynálezu je uveden na přiloženém výkresu.

Vstup 1 kvadrátoru je přes hlavní dělič 2 připojen na neinvertující vstup a přes vstupní odpor 4 na invertujíeí vstup hlavního operačního zesilovače 2· Invertujíeí vstup je déle přes hlavní řízený nelineární odpor 7 spojen se zemí a přes zpětnovazební. odpor 6 s výstupem hlavního operačního zesilovače 5> kte rý je současně výstupem 2 kvadrátoru. Tímto spojením je realizován hlavní obvod kvadrátoru. Referenční vstup 11 je pres pomocný dělič 12 s dělicím poměrem D_p spojen s neinvertujícím resp. invertujícím vstupem a přes referenční odpor 14 s invertujícím resp. neinvertujícím vstupem pomocného operačního zesilovače 12., který je pres pomocný řízený nelineární odpor Γ7 spojen se zemí. Výstup pomocného operačního zesilovače 12 je spojen s řídicím vstupem hlavního řízeného nelineárního odporu 7 i s řídicím vstupem pomocného řízeného nelineárního odporu 1Ϊ- Je důležité, aby hlavní řízený nelineární odpor 7 a pomocný řízený nelineární odpor 17 byly shodné a byly stějně ovlivňovány okolím. Při použití JPEJů je výhodné, jsou-li oba ve společném pouzdře nebo ještě lépe na společném substrátu.

Pro funkci hlavního řízeného nelineárního odporu ^v kvadrátoru budou vybírány součásti, jejichž voltampérová charakteristika přirozeně prochází počátkem souřadnic, nelze tedy použít např. bipolární tranzistory. Taková charakteristika se dá popsat obecným vztahem i β a.u + b.u² + c.u3 + ... /1/ kde i. je proud tekoucí řízeným nelineárním odporem, u je napětí na svorkách řízeným nelineárním odporem, a., b, c jsou konstanty dané typem řízeného nelineárního odporu.

V praxi existují součásti, u nichž hodnoty konstant a, b, c, .... s postupným růstem řádu mocniny monotonně klesají. V takovém v

případě lze omezit velikost napětí u na hodnotu U_m tak, aby se uplatnil jen lineární člen nebo nejvýše kvadratický člen rovnice /1/. Jsou-li pro funkci hlavního řízeného nelineárního odporu 2 použity přechodové tranzistory řízené polem, stačí ome- 4 2S5 006 zit Um asi na 1 V, aby bylo možné nahradit rovnici /1/ rovnicí i = a.u + b.u^ /2/ s chybou kolem 1 %. Zapojení hlavního obvodu kvadrátoru je zvo léno tak, aby umožnilo anulovat lineární, tedy první člen pravé strany rovnice /2/. Dělicí poměr D^ hlavního děliče 2 se přitom volí tak, aby napětí na výstupu.děliče nepřekročilo zvo lenou hodnotu U_m. Zavede-li se na vstup 1 kvadrátoru vstupní napětí u₀, bude pak na hlavním řízeném nelineárním odporu 2 napětí u = u₀/Dh· Řídící veličina hlavního řízeného nelineární ho odporu 2 musí být zvolena tak, aby platilo

-η, _ _{Ί η} pak se vykompenzuje /3/ kde R4 j

Rg J Výstupní hem

R4 Rg ’ lineární složka rovnice /1/ hodnota vstupního odporu hodnota zpětnovazebního odporu napětí ujj· na výstupu 5 kvadrátoru pak bude dáno vzta_ u₀ .b . R₆ _

Uk 3^— -u₀ /4/

Z tohoto vztahu je dobře patrné, že velikost převodní konstanty K kvadrátoru lze jednoduše zvolit volbou hodnoty zpětnovazebního odporu 6.

Řídící veličina hlavního řízeného nelineárního odporu 2 je nastavována a udržována pomocným obvodem kvadrátoru, na jehož referenční vstup 11 se připojí stejnosměrné referenční napětí Up. Stejnosměrným referenčním napětím Up a dělicím poměrem Dp pomocného děliče 12 se volí pracovní napětí U_p na pomoc ném řízeném nelineárním odporu 12· Platí

Ur « D_p . U_p /5/

Výběrem velikosti referenčního odporu 14 se pak volí pracovní proud pomocného řízeného nelineárního odporu 12· Tento pracovní proud by měl být v mezích předpokládaných hodnot proudu i podle rovnice /2/. Volbou pracovního proudu je současně dána i provozní velikost konstant a a b.

Správný výběr připojení vstupů pomocného operačního zesilovače 13 závisí na polaritě stejnosměrného referenčního napě

255 008

- 5 tí Ur r na typu vodivosti pomocného řízeného nelineárního odporu 17. Vodivost je typu n, jestliže se hodnota vodivosti kladnou změnou řídicího napětí zvětšuje. Jestliže se kladnou změnou řídicího napětí vodivost zmenšuje, jedné se o vodivost typu jo. Je-li například stejnosměrné referenční napětí Ur kladné a hlavní i pomocný řízený nelineární odpor 7, 17 s typem vodivosti n, musí být referenční odpor 14 i pomocný řízený nelineární odpor 17 připojen k neinvertujícímu vstupu a pomocný dělič 12 k invertujícímu vstupu pomocného operačního zesilovače 13. Změní-li se polarita stejnosměrného referenčního napětí nebo typ vodivosti hlavního a pomocného řízeného nelineárního odporu 7, 17, je nutné prohodit vstupy pomocného operačního zesilovače 12.·

Zapojení kvadrátoru podle vynálezu lze realizovat z diskrét nich součástí, jako hybridní nebo monolitický integrovaný obvod. Výhodná je realizace s přechodovými FETy ve funkci řízených nelineárních odborů a s operačními zesilovači s FETovým vstupem. Déle je výhodné místo zdroje referenčního napětí použít zdroj napájecího napětí.

Claims (1)

1. Kvadráto.r s řízenými nelineárními odpory,vyznačený tím, že ke vstupu /1/ kvadrátoru je přes hlavní dělič /2/ připojen neinvertujicí vstup hlavního operačního zesilovače /3/ a přes vstupní odpor /4/ je připojen invertující vstup hlavního operačního zesilovače /3/, jehož výstup je součapně výstupem /5/ kvadrátoru a je spojen přes zpětnovazební odpor /6/ s invertujícím vstupem tohoto hlavního operačního zesilovače /3/, kte^ý je přes hlavni řízený nelineární odpor /7/ spojen se zemí, referenční vstup /11/ kvadrátoru je přes pomocný dělič /12/ spojen s neinvertujícím resp. invertujícím vstupem a přes referenční odpor /14/ s invertujícím resp. neinvertujícím vstupem pomocného operačního zesilovače /13/, jehož výstup je současně spojen s řídicím vstupem hlavního řízeného nelineárního odporu /7/ a s řídícím vstupem pomocného řízeného nelineárního odporu /17/, přičemž pomocný řízený neliheární odpor /17/ je připojen mezi invertující resp. neinvertujicí vstup pomocného operačního zesilovače /13/ a zem.