RU2085021C1

RU2085021C1 - Electric signal amplifier unit with synchronous integrator

Info

Publication number: RU2085021C1
Application number: RU94004190A
Authority: RU
Inventors: Б.Н. Казаков; Г.М. Сафиуллин; Н.К. Соловаров
Original assignee: Казанский физико-технический институт Казанского научного центра РАН; Казанский государственный университет
Priority date: 1994-02-08
Filing date: 1994-02-08
Publication date: 1997-07-20

Abstract

FIELD: communication engineering and data transmission, measuring instruments for discriminating weak signal from noise, spectral analysis of electric signals, etc. SUBSTANCE: amplifier unit has resistor 1 connecting source of periodic signal to be amplified to inverting input of operational amplifier 2 whose noninverting input is connected through resistor 3 to common conductor (ground). Inverting input of operational amplifier 2 is connected through resistor 4 to one of common points of synchronous integrator built up of three parallel-connected circuits of which two are identical and incorporate series-connected capacitor 5 and switch 6 controlled by reference signal, as well as capacitor 7 and switch 8, respectively; third circuit is set up of common resistor 9. Same point of synchronous integrator is connected via circuit set up of series-connected resistor 10 and capacitor 11 to common conductor of unit. Other common point of synchronous integrator is connected to output of operational amplifier 2 which is used as amplifier unit output. Its input is either inverting or noninverting input of operational amplifier 2. EFFECT: simplified design in developing multistage selective amplifiers without reducing signal-to-noise ratio. 2 dwg

Description

Изобретение относится к селективному усилению периодических сигналов электрической природы и может быть использовано в технике связи и передачи информации, в измерительных приборах для выделения слабого сигнала на фоне шумов, для спектрального анализа электрических сигналов и т.п. The invention relates to the selective amplification of periodic signals of an electrical nature and can be used in communication and information transmission techniques, in measuring devices for isolating a weak signal against a background of noise, for spectral analysis of electrical signals, etc.

Известны устройства селективного усиления электрических сигналов, использующие синхронный интегратор напряжения, предложенный Фрейтером (Frpter R. N. // Rev. Sci.Instrum. 1965, V.36, N 5, P.634) и усовершенствованный рядом авторов (например, Ипатов А.В. Берлин А.Б.// ПТЭ, 1973, N 2, с. 118; Брайловский В. В. Жук О.П. Тарко Л.О. Шеляг А.Р.// ПТЭ, 1982, N 6, с. 88; Могилевский А.Н. Славный В.А. Субочев А.И. Астафьев П.Н.// Приборы и системы управления, 1978, N 6, с. 40). Такие устройства являются синхронными усилителями (фильтрами), выделяющими из периодического сигнала прямоугольные компоненты, совпадающие по форме с опорным сигналом. Основным преимуществом таких устройств по сравнению с другими типами селективных усилителей является большой динамический диапазон усиливаемого сигнала, некритичность к стабильности периода усиливаемого сигнала, а также боле высокое отношение сигнал/шум, определяемое главным образом, коммутационными шумами (обусловленными проникновением опорного сигнала через управляемые ключи на выход усилителя), уровень которых зависит от схемного решения устройства. Known devices for selective amplification of electrical signals using a synchronous voltage integrator proposed by Freiter (Frpter RN // Rev. Sci.Instrum. 1965, V.36, N 5, P.634) and improved by a number of authors (for example, Ipatov A.V. Berlin A.B.// PTE, 1973, N 2, p. 118; Brailovsky V.V. Zhuk, O.P. Tarko L.O. Shelyag A.R. // PTE, 1982, N 6, p. 88 ; Mogilevsky A.N. Slavny V.A. Subochev A.I. Astafev P.N.// Instruments and control systems, 1978, N 6, p. 40). Such devices are synchronous amplifiers (filters) that extract rectangular components from a periodic signal that match the shape of the reference signal. The main advantage of such devices over other types of selective amplifiers is the large dynamic range of the amplified signal, the uncritical stability of the period of the amplified signal, and a higher signal-to-noise ratio, determined mainly by switching noise (due to the penetration of the reference signal through controlled keys to the output amplifier), the level of which depends on the circuit design of the device.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является устройство усиления электрических сигналов с синхронным интегратором, описанное в работе (Брайловский В.В, Жук О.П. Тарко Л.О. Шеляг А.Р. Компенсированный синхронный интегратор. // ПТЭ, 1982, N 6, с. 88). Оно состоит из усилительного каскада на операционном усилителе, резистора обратной связи, буферного каскада с высоким входным сопротивлением и двух идентичных параллельно соединенных цепей и общего резистора, образующих синхронный интегратор. Каждая идентичная цепь образована последовательно соединенным конденсатором и управляемым опорным сигналом ключом. Одна общая точка параллельного соединения этих идентичных цепей соединена с общим проводом устройства ("земля"), а другая через общий резистор с источником усиливаемого сигнала и со входом буферного каскада, выход которого подключен ко входу усилительного каскада на операционном усилителе. Управление ключами осуществляется синхронно с усиливаемым периодическим сигналом так, чтобы в течение полупериода был замкнут только один ключ. Поэтому на каждом полупериоде напряжение усиливаемого сигнала интегрируется на одном из конденсаторов. В результате на выходе синхронного интегратора появляется сигнал, прямоугольная переменная компонента которого пропорциональна амплитуде усиливаемого входного сигнала. The closest in technical essence to the claimed (prototype) is a device for amplifying electrical signals with a synchronous integrator, described in (Brailovsky V.V., Zhuk O.P. Tarko L.O. Shelyag A.R. Compensated synchronous integrator. // PTE 1982, No. 6, p. 88). It consists of an amplifier stage on an operational amplifier, a feedback resistor, a buffer stage with a high input resistance, and two identical circuits connected in parallel and a common resistor forming a synchronous integrator. Each identical circuit is formed by a series-connected capacitor and a key controlled by a reference signal. One common point of parallel connection of these identical circuits is connected to the device’s common wire (ground), and the other through a common resistor with the source of the amplified signal and with the input of the buffer stage, the output of which is connected to the input of the amplifier stage on the operational amplifier. The keys are controlled synchronously with the amplified periodic signal so that only one key is closed during the half-cycle. Therefore, at each half-cycle, the voltage of the amplified signal is integrated on one of the capacitors. As a result, a signal appears at the output of the synchronous integrator, the rectangular variable of which component is proportional to the amplitude of the amplified input signal.

Недостатком известных устройств (в том числе и прототипа) является необходимость использования буферного каскада с высоким входным сопротивлением, необходимым для согласования синхронного интегратора, обладающего высоким выходным сопротивлением, с усилительным каскадом на операционном усилителе. Это усложняет устройство в целом, особенно при построении многокаскадных селективных усилителей. A disadvantage of the known devices (including the prototype) is the need to use a buffer cascade with a high input impedance, necessary for matching a synchronous integrator with a high output impedance, with an amplifying cascade on an operational amplifier. This complicates the device as a whole, especially when constructing multi-stage selective amplifiers.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в построении схемы, исключающей буферный каскад с высоким входным сопротивлением, сохраняющей селективные свойства и не увеличивающий уровень коммутационных шумов устройства. Это позволит значительно упростить устройство в целом, особенно при построении многокаскадных селективных усилителей без уменьшения отношения сигнал/шум, присущего известным селективным усилителям. The problem to which the invention is directed is to build a circuit eliminating a buffer cascade with high input impedance, preserving selective properties and not increasing the level of switching noise of the device. This will significantly simplify the device as a whole, especially when constructing multi-stage selective amplifiers without reducing the signal-to-noise ratio inherent in known selective amplifiers.

Для решения поставленной задачи в известное устройство усиления электрических сигналов с синхронным интегратором, содержащее операционный усилитель, резистор обратной связи и синхронный интегратор, состоящий из двух идентичных цепей, соединенных параллельно друг с другом, содержащих последовательно соединенные конденсатор и управляемый опорным сигналом ключ, и общего резистора, введены дополнительный резистор и дополнительный конденсатор, причем общий резистор в синхронном интеграторе подсоединен параллельно двум идентичным цепям, одна из общих точек этого соединения через резистор обратной связи соединена с инвертирующим входом операционного усилителя и через цепочку последовательно соединенных дополнительного резистора и дополнительного конденсатора с общим проводом устройства, а другая общая точка с выходом операционного усилителя, являющегося выходом устройства, при этом входом устройства является либо инвертирующий, либо неинвертирующий вход операционного усилителя. Наличие отличительных признаков заявленного изобретения: дополнительного резистора и дополнительного конденсатора, а также порядок включения отличительных и известных элементов в схеме устройства, как следует из акта испытаний (в котором зафиксирована работоспособность устройства), исключить буферный каскад с высоким входным сопротивлением. При этом селективные свойства и отношение сигнал/шум заявляемого устройства не хуже, чем у известных устройств (см. акт испытаний). Уровень коммутационных шумов заявляемого устройства не превышает уровня коммутационных шумов известных устройств (см. акт испытаний). Полученный технический результат, по нашему мнению, не является очевидным и не следует явным образом из уровня техники: условие патентоспособности - "изобретательский уровень". Как следует из акта испытаний "промышленная применимость". Наличие отличительных признаков заявляемого устройства свидетельствует о соответствии условию патентоспособности "новизна". To solve the problem in a known device for amplifying electrical signals with a synchronous integrator, containing an operational amplifier, a feedback resistor and a synchronous integrator, consisting of two identical circuits connected in parallel with each other, containing a series-connected capacitor and a key controlled by a reference signal, and a common resistor , an additional resistor and an additional capacitor are introduced, and the common resistor in the synchronous integrator is connected in parallel with two identical circuits m, one of the common points of this connection through a feedback resistor is connected to the inverting input of the operational amplifier and through a chain of series-connected additional resistor and additional capacitor with a common wire of the device, and the other common point with the output of the operational amplifier, which is the output of the device, while the input of the device is either an inverting or non-inverting input of an operational amplifier. The presence of distinctive features of the claimed invention: an additional resistor and an additional capacitor, as well as the order of inclusion of distinctive and well-known elements in the device circuit, as follows from the test report (in which the device is operable), exclude the buffer cascade with a high input resistance. At the same time, the selective properties and signal-to-noise ratio of the claimed device are not worse than that of known devices (see test report). The level of switching noise of the claimed device does not exceed the level of switching noise of known devices (see test report). The technical result obtained, in our opinion, is not obvious and does not follow explicitly from the prior art: the condition of patentability is “inventive step”. As follows from the test report "industrial applicability". The presence of distinctive features of the claimed device indicates compliance with the condition of patentability "novelty."

На фиг. 1 изображен инвертирующий, а на фиг. 2 неинвертирующий селективный усилитель с синхронным интегратором. In FIG. 1 shows an inverting one, and FIG. 2 non-inverting selective amplifier with synchronous integrator.

Инвертирующий усилитель (фиг. 1а) содержит резистор 1, через который подключен источник усиливаемого периодического сигнала (на фиг. 1 не изображен) к инвертирующему входу операционного усилителя 2. Неинвертирующий вход усилителя 2 через резистор 3 подключен к общему проводу устройства ("земля"). Инвертирующий вход усилителя 2 через резистор 4 связан с одной из общих точек синхронного интегратора, состоящего из трех параллельно соединенных цепей: две из них являются идентичными и состоят из последовательно соединенных конденсатора 5 и ключа 6 и конденсатора 7 и ключа 8, соответственно, а третья цепь из общего резистора 9. Эта же общая точка синхронного интегратора через цепь из последовательно соединенных резистора 10 и конденсатора 11 соединена с общим проводом устройства. Другая общая точка синхронного интегратора соединена с выходом усилителя 2, который является выходом устройства. The inverting amplifier (Fig. 1a) contains a resistor 1 through which a source of amplified periodic signal is connected (not shown in Fig. 1) to the inverting input of the operational amplifier 2. The non-inverting input of the amplifier 2 is connected through a resistor 3 to the device’s common wire (ground) . The inverting input of amplifier 2 through a resistor 4 is connected to one of the common points of a synchronous integrator, consisting of three parallel-connected circuits: two of them are identical and consist of series-connected capacitor 5 and key 6 and capacitor 7 and key 8, respectively, and the third circuit from the common resistor 9. The same common point of the synchronous integrator through a chain of series-connected resistor 10 and capacitor 11 is connected to the common wire of the device. Another common point of the synchronous integrator is connected to the output of amplifier 2, which is the output of the device.

Схема неинвертирующего усилителя (фиг. 1б) содержит те же самые элементы и отличается тем, что источник усиливаемого периодического сигнала подключен к неинвертирующему входу усилителя 2, а сопротивление 1 подключено к общему проводу устройства. The non-inverting amplifier circuit (Fig. 1b) contains the same elements and is characterized in that the source of the amplified periodic signal is connected to the non-inverting input of amplifier 2, and the resistance 1 is connected to the device’s common wire.

Устройство работает следующим образом: входной ток, создаваемый источником усиливаемого периодического напряжения, через резистор 1 подают на инвертирующий вход операционного усилителя 2 и возникающий на его выходе ток интегрируют на конденсаторах 5, 7 синхронного интегратора (резистор 3 включает для компенсации токов утечки операционного усилителя). Управление ключами 6, 8 синхронного интегратора осуществляют опорным сигналом синхронно с усиливаемым периодическим сигналом так, что в течение полупериода замкнут только один из ключей 6 или 8. Поэтому на одном из полупериодов ток интегрируется в конденсаторе 5, а на другом на конденсаторе 7. В результате в установившемся режиме, время установления которого определяется произведением емкости конденсатора 5 (7) и резистора 9, на выходе усилителя 2 (т.е. на выходе устройства) появляется прямоугольный переменный сигнал, амплитуда которого определяется формой и амплитудой усиливаемого входного сигнала. Эмпирически было установлено, что коммутационные шумы устройства существенно уменьшаются при включении резисторов 4, 10 и конденсатора 11 указанным на фиг. 1 образом. Значения этих элементов подбирают экспериментально по минимуму коммутационных шумов. The device operates as follows: the input current generated by the amplified periodic voltage source is supplied through the resistor 1 to the inverting input of the operational amplifier 2 and the current arising at its output is integrated on the synchronous integrator capacitors 5, 7 (the resistor 3 turns on to compensate for the leakage currents of the operational amplifier). Keys 6, 8 of the synchronous integrator are controlled by a reference signal synchronously with the amplified periodic signal so that only one of the keys 6 or 8 is closed during the half-cycle. Therefore, at one of the half-periods, the current is integrated in the capacitor 5, and on the other on the capacitor 7. As a result in steady state, the settling time of which is determined by the product of the capacitor 5 (7) and resistor 9, a rectangular variable signal appears at the output of amplifier 2 (i.e., at the output of the device), the amplitude of which is determined is determined by the shape and amplitude of the amplified input signal. Empirically, it was found that the switching noise of the device is significantly reduced when the resistors 4, 10 and capacitor 11 are turned on as indicated in FIG. 1 way. The values of these elements are selected experimentally to a minimum of switching noise.

В неинвертирующем усилителе (фиг. 1б) усиливаемый периодический сигнал подают на неинвертирующий вход усилителя 2, соединенный с общим проводом устройства резистором 1. Возникающий при этом на выходе усилителя 2 ток интегрируется так же, как и в схеме с инвертирующим усилителем. In a non-inverting amplifier (Fig. 1b), an amplified periodic signal is supplied to the non-inverting input of amplifier 2 connected to the device common wire by resistor 1. The current arising at the output of amplifier 2 is integrated in the same way as in the circuit with an inverting amplifier.

Таким образом, предложено техническое решение, позволяющее существенно упростить устройство в целом, особенно при построении многокаскадных селективных усилителей без уменьшения отношения сигнал/шум, присущего известным устройствам. Thus, a technical solution is proposed that can significantly simplify the device as a whole, especially when constructing multi-stage selective amplifiers without reducing the signal-to-noise ratio inherent in known devices.

Claims

A device for amplifying electrical signals with a synchronous integrator, comprising an operational amplifier, a feedback resistor, and a synchronous integrator, consisting of two identical circuits connected in parallel with each other, containing a series-connected capacitor and a key controlled by a reference signal, and a common resistor, characterized in that an additional resistor and an additional capacitor are introduced to it, and the common resistor in the synchronous integrator is connected in parallel to two identical circuits, one of the common the check of this connection through the feedback resistor is connected to the inverting input of the operational amplifier and through a chain of series-connected additional resistor and additional capacitor with the device’s common wire, and the other common point with the output of the operational amplifier, which is the output of the device, while the input of the device is either inverting or non-inverting input of the operational amplifier.