Przedmiotem wynalazku jest uklad polaczen do sterowania liniowego, inwersyjnego lub wykladni¬ czego wielkosci przekazywanych, to jest do mnoze¬ nia albo dzielenia w dwóch kwadrantach, lub do sumowania wykladniczego, przy uzyciu bipolarnych tranzystorów i wzmacniacza operacyjnego.Tego rodzaju polaczenia stosowane sa w ukla¬ dach analogowych do przetwarzania sygnalów, np. do regulacji poziomu sygnalów, kwadratowania, tworzenia proporcji, korygowania wartosci rzeczy¬ wistych itp.Z róznych znanych ukladów do elektronicznego mnozenia i dzielenia dwóch zmiennych — szcze¬ gólne znaczenie maja te, które ze wzgledu na swoja prosta budowe, wykorzystuja bezposrednio charakterystyke wykladnicza tranzystorów bipo¬ larnych.W znanych ukladach (tego rodzaju) stosowane sa dwa jednakowe bipolarne tranzystory. Poza tym napiecie sygnalów proporcjonalne do pierwszej zmiennej, np. x przylozone jest pomiedzy bazy dwóch tranzystorów, natomiast prad zasilajacy po¬ laczone ze soba emitery jest proporcjonalny do drugiej zmiennej, np. y. Napiecie wyjsciowe wy¬ stepuje pomiedzy nieuziemionymi kolektorami, po¬ laczonymi poprzez jednakowe opornosci, ze zródlem napiecia zasilania.Dzialanie ukladu polega na wykorzystaniu linio¬ wej zaleznosci pomiedzy stromoscia (charakterysty¬ ki) tranzystora, a zadanym pradem przez druga zmienna, np. y, przy czym wzmocnienie wyraza¬ jace sie stosunkiem napiecia wyjsciowego do napie¬ cia sygnalów jest proporcjonalne do drugiej zmien¬ nej, np. y.Calkowity uklad polaczen wymaga jeszcze zródla pradu sterowanego przez druga zmienna np. y, oraz odpowiedniego polaczenia wyjscia celem przetran¬ sponowania symetrycznego wyjscia kolektor-kolek- tor na wyjscie niesymetryczne.Odmiana polaczenia ukladu polega na tym, ze zamiast pradu doprowadzanego (zadanego) stosowa- wane jest napiecie sygnalów y. Wskutek wyklad¬ niczej zaleznosci pradu kolektora od napiecia baza- -emiter, uzyskiwana jest charakterystyka nastepu¬ jaca: Z~x.exp.(y) a zatem uzyskiwane jest sterowanie wykladnicze (w funkcji wykladniczej). Z mnozacego lub steru¬ jacego wykladniczo ukladu polaczen istnieje mo¬ zliwosc wyprowadzenia w znany sposób poprzez tor sprzezenia zwrotnego usytuowany w obwodzie wzmacniacza, obwodu, inwertujacego lub logaryt- mujacego.Realizacja zródla pradu i odpowiedniego pola¬ czenia wyjscia dokonywana jest za pomoca wzmac¬ niacza operacyjnego. Zgodnie ze stanem techniki do wykonywania tegoz niezbedne sa opornosci wy¬ równawcze (kompensacyjne) w ilosci osmiu lub wiecej, i to o wysokiej tolerancji (ciasno tolerowa¬ ne). Zaleznie od tego, czy prad plynacy przez tran- 84 54984 549 3 zystor jest proporcjonalny do drugiej zmiennej y, czy pojawi sie on wskutek potencjalu kolektora uzaleznionego od drugiej zmiennej y.Potencjal ten zmniejsza proporcjonalnosc pomie¬ dzy stromoscia tranzystora i pradem, przez prze¬ ciwdzialanie, prady szczatkowe, zmiane punktu pracy tranzystora, uzalezniona od nagrzewania tranzystorów. Wskutek tego jest mniejsza doklad¬ nosc i mniejszy zakres pracy tranzystorów.Celem wynalazku jest ograniczenie liczby ele¬ mentów laczeniowych wywierajacych szkodliwy wplyw na uklad wskutek oddzialywania, pradów szczatkowych i nagrzewania (tranzystorów), oraz usuniecie tych wad lub ich zmniejszenie.Zadaniem wynalazku jest skonstruowanie ukladu polaczen do sterowania liniowego, inwersyjnego lub wykladniczego wielkosci przekazywanych, np. wzmocnienia albo przepustowosci przekazywania, przy potencjale kolektora mozliwie malym i nie¬ zaleznym od pradu kolektora tranzystorów bipo¬ larnych, przeznaczonych do sterowania, jak równiez zabezpieczenie zapewniajace utrzymanie stalej tem¬ peratury oraz wlasciwego sterowania.Zadanie to zostalo rozwiazane w ten sposób, ze w .ukladzie polaczen do sterowania liniowego wiel¬ kosci przekazywanych, wzglednie do mnozenia, za¬ wierajacym tranzystory bipolarne oraz wzmacniacz operacyjny, wedlug wynalazku, jednakowe dwa tranzystory sa polaczone poprzez jednakowe rezy¬ stancje zalaczone w obwody kolektorów tych tran¬ zystorów do zródla napiecia sterujacego, przy czym kolektor drugiego tranzystora jest podlaczony do wejscia inwertujacego wzmacniacza operacyjnego, emitery tych tranzystorów sa podlaczone do wyjscia wzmacniacza operacyjnego, baza drugiego tranzy¬ stora jest polaczona z masa (wezlem odniesienia) ukladu, baza pierwszego tranzystora jest podlaczo¬ na do zródla napiecia sygnalowego, natomiast wyj¬ scie ukladu stanowi kolektor pierwszego tranzy¬ stora, z którego odbierany jest sygnal wyjsciowy w postaci pradu do masy.W ukladzie polaczen do sterowania wykladnicze¬ go wielkosci przekazywanych, zawierajacym tran¬ zystory 'bipolarne i wzmacniacz operacyjny, we¬ dlug wynalazku, kolektory dwóch jednakowych tranzystorów sa polaczone poprzez jednakowe re¬ zystancje z wyjsciem inwertujacego wzmacniacza operacyjnego, przy czym kolektor drugiego tran¬ zystora jest polaczony z wejsciem inwertujacym wymienionego wzmacniacza operacyjnego, baza te¬ go drugiego tranzystora jest polaczona z masa, baza pierwszego tranzystora jest polaczona ze zródlem sygnalowym, emitery obydwóch tranzy¬ storów sa podlaczone do zródla napiecia steruja¬ cego, a wyjscie ukladu stanowi kolektor pierwsze¬ go tranzystora, z którego odbierany jest sygnal wyjsciowy w postaci pradu do masy.Korzystnym jest, gdy w ukladzie polaczen do sterowania liniowego, lub wykladniczego pomiedzy zródlem sygnalowym a baza pierwszego tranzysto¬ ra zalaczony jest niezalezny temperaturowo dziel¬ nik napiecia, zawierajacy dwie rezystancje z któ¬ rych jedna jest zalaczona miedzy baza pierwszego tranzystora a zródlem napiecia sygnalowego, a druga jest zalaczona miedzy baza pierwszego tran¬ zystora a masa.Korzystnym jest, gdy rezystancje dzielnika na¬ piecia zalaczona miedzy baza pierwszego tranzy- 8 stora a masa stanowia dwa jednakowe tranzystory, których kolektory poprzez rezystancje sa polaczo¬ ne ze zródlem napiecia odniesienia, kolektor czwar¬ tego tranzystora jest polaczony z wejsciem drugiego inwertujacego wzmacniacza operacyjnego, emitery obydwóch tranzystorów sa polaczone z wyjsciem drugiego inwertujacego wzmacniacza operacyjnego, baza czwartego tranzystora jest polaczona z masa, kolektor trzeciego tranzystora jest polaczony bez¬ posrednio z baza tego samego trzeciego tranzystora, przy czym wejscie przylaczeniowe ukladu stanowia baza trzeciego tranzystora i masa.Korzystnym jest równiez, gdy emitery pierwsze¬ go i drugiego tranzystorów sa polaczone ze zródlem napiecia sterujacego poprzez dwa rezystory zala- * czone szeregowo i trzeci wzmacniacz operacyjny, którego wyjscie jest polaczone z emiterami pierw¬ szego i drugiego tranzystora.Wejscie inwertujace trzeciego wzmacniacza ope- racyjnego jest podlaczone do punktu laczacego wymienione dwa rezystory, a wejscie nieinwertu- jace tego wzmacniacza operacyjnego jest polaczo¬ ne poprzez diode i niezalezna temperaturowo rezy¬ stancje do zródla napiecia stalego.M Korzystnym jest, gdy uklad polaczen do stero¬ wania liniowego zawiera nieinwertujacy wzmac¬ niacz operacyjny, którego wyjscie jest polaczone z wejsciem sygnalowym ukladu polaczen do stero¬ wania liniowego, i którego wejscie jest polaczone poprzez rezystancje wstepna ze zródlem sygnalo¬ wym, przy czym zródlo napiecia sterujacego jest podlaczone do wejscia ukladu polaczen do stero¬ wania liniowego, a wyjscie ilorazowe stanowi wyj¬ scie czwartego nieinwertujacego wzmacniacza ope- 40 racyjnego.Korzystnym jest poza tym, gdy uklad polaczen do sterowania wykladniczego jest wyposazony w czwarty nieinwertujacy wzmacniacz operacyjny, którego wyjscie jest polaczone z wejsciem sygna- « lowym ukladu do sterowania wykladniczego, i którego wejscie jest polaczone z wyjsciem ukladu polaczen do sterowania wykladniczego, zródlo sy¬ gnalowe jest polaczone poprzez rezystancje wstep¬ na z wejsciem czwartego wzmacniacza operacyjne- w go, a wejscie sygnalowe do którego jest doprowa¬ dzony sygnal sterujacy, jest polaczone ze zródlem napiecia sterujacego, przy czym wyjscie ukladu polaczen do sterowania wykladniczego stanowi wyjscie czwartego wzmacniacza operacyjnego.Przedmiotem wynalazku jest przedstawiony w przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia uklad polaczen ze sterowaniem liniowym wielkosci przekazywanych, fig. 2 — uklad w polaczen ze sterowaniem wykladniczym wielkosci przekazywanych, fig. 3 — uklad dzielnika napiecia wejsciowego, fig. 4 —uklad dodatkowy (pomocniczy) do liiiearyzacji i kompensacji temperatury, fig. 5 — uklad dodatkowy do ukladu polaczen ze sterowa- ob niem wykladniczym — wielkosci przekazywanych, 5584 549 * 6 *itl4± 6 ~^~ oktet polaczen do sterowania inwersyj- 8609MMtaftct przekazywanych.Na fig. 1 przedstawiony jest uklad polaczen do sterowania liniowego wielkosci przekazywanych.Uklad zawiera dwa jednakowe tranzystory Tri i Tr2. W obwody kolektorów kazdego z wymienio¬ nych tranzystorów Tri i Tr2 sa zalaczone jedna¬ kowe rezystory Rcl i Rc2, które sa polaczone do zródla Uy napiecia sterujacego.Poza tym kolektor drugiego tranzystora Tr2 jest polaczony z wejsciem inwertujacym wzmacniacza operacyjnego OVl, którego wyjscie jest polaczone z polaczonymi bezposrednio ze soba emiterami tranzystorów Tri i Tr2. Baza pierwszego tranzy¬ stora Tri jest polaczona ze zródlem Ux sygnalo¬ wym. Wyjscie ukladu stanowi kolektor pierwsze¬ go tranzystora Tri, z którego odbierany jest sy¬ gnal wyj£cicvy w postaci pradu Iz do masy.W przedstawionym na fig. 1 ukladzie polaczen prad plynacy przez drugi tranzystor Tr2 okreslo¬ ny jest przez napiecie sterowania Uy i opornosc Rc2 kolektora, poniewaz utrzymywany jest na nim potencjal zerowy przez pierwszy wzmacniacz ope¬ racyjny OVl. Przewodzenie pierwszego tranzystora Tri nastepuje wtedy, kiedy stalym równowaznym pradem dorównuje pradowi drugiego tranzystora Tr2. Ten staly prad ma jednak wplyw poprzez (wystarczajaco male) napiecie Ux sygnalów na wy¬ twarzany prad wyjsciowy okreslany jako: Iz=-y2i'Ux przy czym y2i oznacza stromosc pierwszego tran¬ zystora Tri. Opornosc Rcl kolektora pierwszego tranzystora Tri jest tak dopasowana, ze maleja róznice pomiedzy tranzystorami pierwszym Tri i drugim Tr2, a ponadto prad wyjsciowy \ zanika tylko przy napieciu Ux sygnalów równym zero Poniewaz stromosc bipolarnego tranzystora jest proporcjonalna w szerokich granicach do pradu Ic kolektora, to konsekwentnie nastepuje równiez proces mnozenia.Podczas gdy wzmacniacz operacyjny OVI utrzy¬ muje potencjal kolektora drugiego tranzystora Tr2 na potencjale prawie ze zerowym, napiecie wyste¬ pujace pomiedzy kolektorem i baza zanika, co po¬ woduje zlikwidowanie odpowiedniego pradu szczat¬ kowego i jego oddzialywania. Poza tym straty mo¬ cy spowodowane nagrzewaniem sie tranzystorów sa ograniczone do niezbednych granic.Równowaga stanu dla pierwszego tranzystora Tri ma znaczenie wówczas, gdy jego kolektor jest polaczony z masa poprzez dostatecznie mala opor¬ nosc, co moze miec miejsce, np. jfrzy uzyciu tzw. wzmacniacza nieizolowanego o bardzo malej opor¬ nosci wejsciowej, a który przeksztalca prad wej¬ sciowy na napiecie proporcjonalne do niego.Zmiany w ukladzie polaczenia wyjscia wzmac¬ niacza operacyjnego ze zródlem napiecia steruja¬ cego Uy przedstawia fig. 2 ilustrujaca uklad po¬ laczen ze sterowaniem wykladniczym wielkosci przekazywanych. Uklad zawiera dwa jednakowe tranzystory Tri i Tr2. Kolektory kazdego z tran¬ zystorów sa polaczone przez odpowiednie jedna¬ kowe rezystory Rcl i Rc2 z wyjsciem wzmacniacza operacyjnego OVl. Polaczone wspólnie emitery o- bydwóch tranzystorów Tri i Tr2 sa polaczone do zródla Uy napiecia sterujacego. Baza drugiego tranzystora Tr2 jest polaczona z masa, natomiast baza pierwszego tranzystora jest polaczona ze zródlem Ux sygnalowym. Wyjscie ukladu stanowi kolektor pierwszego tranzystora Tri, z którego od¬ bierany jest sygnal w postaci pradu Iz do masy.Dzialanie tego ukladu polega na tym, ze prad Ic kolektora i zwiazana z tym stromosc bipolarne¬ go tranzystora sa funkcja wykladnicza napiecia baza-emiter. Poza tym poprzez przylaczenie do masy bazy drugiego tranzystora Tr2 uzyskiwane jest napiecie baza-emiter identyczne jak napiecie sterujace Uy. W obu ukladach polaczen wymaga¬ ne napiecia sygnalów sa stosunkowo male.Figura 3 pokazuje fragment ukladu polaczen dzielnika napiecia z rezystancjami RA i R2 umiesz¬ czonego przed pierwszym tranzystorem Tri. Dziel¬ nik napiecia przeznaczony jest dla dopasowywania poziomu sygnalów przy wiekszych sygnalach wej¬ sciowych, oraz umozliwia on kompensacje zalez¬ nosci temperaturowych stromosci tranzystorów poprzez wlasciwie dobrane zaleznosci temperaturo¬ we rezystancji R± i Rg. Szczególnie dobra kompen¬ sacje mozna uzyskac wtedy, jezeli rezystancja R2 zostanie zastapiona przez uklad polaczen przedsta¬ wiony na fig. 4.Wedlug rozwiazania przedstawionego na fig. 4 rezystancja R2 dzielnika napiecia zalaczona miedzy baza pierwszego tranzystora Tri i masa (wezel od¬ niesienia) jest realizowana w postaci ukladu, za¬ wierajacego dwa jednakowe tranzystory Tr3 i Tt4 i drugi inwertujacy wzmacniacz operacyjny OV2.Kolektory kazdego z tranzystorów Tr3 i Tr4 po¬ przez zalaczone odpowiednio w ich obwody kolek¬ torowe rezystory Rc3 i Rc4 sa podlaczone do zródla Ur napiecia odniesienia. Kolektor czwartego tranzystora Tr4 jest dolaczony do wejscia drugie¬ go inwertujacego wzmacniacza operacyjnego OV2.Polaczone ze soba emitery obydwóch tranzysto¬ rów Tr3 i Tr4 sa dolaczone do wyjscia wzmacnia¬ cza operacyjnego OV2. Baza czwartego tranzysto¬ ra Tr4 jest polaczona z masa ukladu, a kolektor trzeciego tranzystora Tr3 jest polaczony z baza te¬ go samego tranzystora Tr3. Baza trzeciego tranzy¬ stora i masa ukladu stanowia zaciski przylacze¬ niowe ukladu. Rezystancja miedzy tymi zaciskami jest równa rezystancji Re wejsciowej opisanego ukladu.W tym przypadku opornosc wejsciowa Re jest w przyblizeniu równa odwrotnosci stromosci tran¬ zystora Tr3. Poniewaz stromosc tranzystora Tr3 ma taka sama lub prawie taka sama charaktery¬ styke temperaturowa jak tranzystor Tri z fig. 1 lub fig. 2, to dochodzi do kompensacji dopasowu¬ jacej sie. Tozjawisko dotyczy nieliniowosci, zwlasz¬ cza gdy spadek napiecia na opornosci Re w do¬ kladnym znaczeniu jest wstepnie znieksztalcony i prowadzi do linearyzacji procesu mnozenia. Po¬ zostala czesc ukladu polaczen z fig. 4 jak drugi wzmacniacz operacyjny OV2, czwarty tranzystor Tr4 tego samego rodzaju co trzeci tranzystor Tr3, 40 45 50 55 6084 549 7 8 polaczone poprzez opornosci Rc3 i Rc4 kolektorów, ze zródlem napiecia odniesienia Ur, przeznaczona jest do wytwarzania niezbednego potencjalu zero¬ wego na naciskach wejsciowych. Poza tym mozna zrównowazyc opornosc wejsciowa Re napieciem odniesienia Ur.Sterowanie wykladnicze wedlug fig. 2 ma szkodli¬ we skutki, poniewaz czulosc czesto jest niepotrzeb¬ nie tak duza, wobec czego istnieje znaczna zalez¬ nosc temperaturowa, a opornosc wejsciowa Re lub równowazne napiecie sterujace Uy sa nieliniowe i sa bardzo male, a poza tym wymagany jest staly potencjal Te wady usuwa dodatkowy uklad po¬ laczen pokazany na fig. 5.W tym ukladzie emitery obydwóch tranzystorów Tri i Trt polaczone sa poprzez zalaczone szerego¬ wo rezystancje R3 i R4 do zródla Uy napiecia sterujacego, przy czym równolegle do rezystora R4, którego jedno z wyprowadzen jest bezposrednio polaczone z emiterami wymienionych tranzysto¬ rów zalaczony jest trzeci wzmacniacz operacyjny OV3 w taki sposób, ze wyjscie tego wzmacniacza operacyjnego OV3 jest polaczone z emiterami tran¬ zystorów Tri i Trt a wejscie inwertujace wzmac¬ niacza operacyjnego OV3 jest polaczone z punktem polaczen wyprowadzen odbydwóch rezystancji R3 i R4. Wyjscie nieinwertujace wspomnianego wzmac¬ niacza operacyjnego OV3 jest polaczone z ukladem skladajacym sie z rezystancji R5 i diody D w taki sposób, ze drugie wyprowadzenie rezystancji R5 jest polaczone ze zródlem UB napiecia stalego, a dioda Jest zalaczona pomiedzy wejsciem nieinwer- tujacym wzmacniacza operacyjnego OV3 a masa.Wzmacniacz operacyjny OV3 przetwarza napiecie sterujace Uy, przy czym czulosc jest skalowana przez wlasciwy' dobór dwóch opornosci R, i R4.Staly potencjal powoduje, ze zaleznosc tempera¬ tury jest zmniejszana lub kompensowana przez kombinacje na inwertujacym wejsciu, z dioda D i opornoscia R4. Uklad izoluje zródlo sterowania od nieliniowosci wejscie-emiter.Ze sterowania liniowego istnieje mozliwosc in¬ wersji tylko wtedy, kiedy uklad polaczen ze ste¬ rowaniem liniowym umieszczony jest w torze sprzezenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego.Fig. 6 pokazuje taki uklad lecz w formie uprosz¬ czonej. Uklad sterujacy jest przedstawiony jako blok sterujacy ukladu polaczen s.S i przedstawia go uklad wedlug fig. 1 z wlaczeniem fig. 3 i fig. 4.Dla osiagniecia sterowania inwersyjnego wielkosci przekazywanych ewentualnie dzielenia przewidzia¬ ne jest, ze pierwotny uklad polaczen ze sterowa¬ niem liniowym przedstawiony na fig. 1 dodatko¬ wo jest polaczony z czwartym nieinwertujacym wzmacniaczem operacyjnym OV4, którego wyjscie polaczone jest z wejsciem sygnalowym, a wejscie — z wyjsciem pierwotnego ukladu ze sterowaniem liniowym przedstawionym na fig. 1, przy czym zródlo Ux sygnalowe (dzielenie) jest polaczone po¬ przez opornosc wstepna Rv z wejsciem czwartego wzmacniacza operacyjnego OV4, a zródlo Uy na¬ piecia sterujacego dolaczone Jest do wejscia ukla¬ du polaczen do sterowania liniowego przedstawio¬ nego na fig. 1 do którego jest doprowadzone na¬ piecie sterujace. Wyjsciem (ilorazowym) ukladu jest wyjscie czwartego wzmacniacza operacyjnego OV4 Jego prad wyjsciowy ukladu jest okreslony przez Iz—«*UyUa przy czym K jest stala.Wzmacniacz operacyjny OV4 ma wzmocnienie nieskonczone, a zatem zanika jego napiecie wejscio¬ we i wtedy prad ten wynosi —Iz-=Ux/Rv przy czym Rv oznacza opornosc wstepna. Z po¬ wyzszego równania wynika nastepujaca zaleznosc Uz=Ux/K • Uy • Rv Dla uzyskania sterowania Wykladniczego wielkos¬ ci przekazywanych zwlaszcza dla ciaglego wyste- rowywania wyjscia przewidziane jest ostatecznie, ze pierwotny uklad polaczen ze sterowaniem wy¬ kladniczym jest polaczony dodatkowo z czwartym nieinwertujacym wzmacniaczem operacyjnym OV4, którego wyjscie jest polaczone z wejsciem sygna¬ lowym ukladu przedstawionego na fig. 2 a wejs¬ cie — z wyjsciem pierwotnego ukladu polaczen przedstawionego na fig. 2 ze sterowaniem wyklad¬ niczym, przy czym zródlo Ux sygnalowe jest pola¬ czone poprzez opornosc Rv wstepna z wejsciem czwartego wzmacniacza operacyjnego OY4, a wejsciem ukladu przeznaczone do podlaczenia sy¬ gnalu sterujacego jest polaczone ze zródlem Uy napiecia sterujacego. Wyjscie ukladu stanowi wyj¬ scie czwartego wzmacniacza operacyjnego OV4.Z fig. 2 z blokiem sterujacym ukladu polaczen do sterowania wykladniczego wynika, te zamiast sterowania liniowego nastepuja sterowanie wyklad¬ nicze, stad wniosek, ze istnieje znowu zaleznosc wykladnicza pomiedzy Ux/Ux i Uy, poniewaz in¬ wersja funkcji wykladniczej ponownie okazala sie funkcja wykladnicza.W odróznieniu od fig. 2 jest to jednak mozliwe, chociazby z tego wzgledu, ze napiecie U* sygnalu jest dostosowywane nadal do stalego napiecia wyj¬ sciowego Uz, i to w zakresie dynamiki poprzez na¬ piecie sterujace Uy. Z tego wzgledu konieczna jest tego rodzaju modyfikacja majaca wielkie znacze¬ nie techniczne. ' PL