RU2172060C2

RU2172060C2 - Constant voltage amplifier

Info

Publication number: RU2172060C2
Application number: RU98113509A
Authority: RU
Inventors: Е.А. Ваулин; А.А. Топунов; Ю.С. Дмитриев; О.О. Сильченко
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королева
Filing date: 1998-07-06
Publication date: 2001-08-10

Abstract

FIELD: radio electronics, automatics, pulse equipment. SUBSTANCE: constant voltage amplifier has logic 2NOT-AND gates 1, 2, 9, 10 forming two RS flip-flops 3, 11 connected in series. Anode of first diode 7 is connected to S input of first RS flip-flop 3, cathode of it is connected to inverse output of second RS flip-flop 11. Anode of second diode 8 is connected to R input of first RS flip-flop 3, cathode of it is connected to direct output of second RS flip-flop 11. Inputs of first RS flip-flop 3 are connected via two resistors 5, 6 to differential source of amplified signal ( not shown ) and outputs of second RS flip-flop 11 are connected via two resistors 13, 14 to two outputs of amplifier between which capacitor 15 is placed. EFFECT: increased stability of output voltage with differential input circuit of amplifier. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области радиоэлектроники и автоматики, в частности к импульсной технике и усилителям постоянного напряжения. В качестве усилителей постоянного напряжения часто используется операционный усилитель (1). Недостатком такого усилителя является использование разнополярного напряжения питания, что неудобно при разработке цифровых устройств управления технологическими процессами, которые строят на основе цифровых интегральных схем. При однополярном питании операционного усилителя, во-первых, напряжение питания цифровых устройств (5В) является недостаточным, а во-вторых, пульсация питающего напряжения недопустима велика для операционного усилителя. The invention relates to the field of electronics and automation, in particular to pulse technology and DC voltage amplifiers. An operational amplifier (1) is often used as a constant voltage amplifier. The disadvantage of this amplifier is the use of a multi-polar supply voltage, which is inconvenient when developing digital process control devices that are based on digital integrated circuits. With unipolar power supply of the operational amplifier, firstly, the supply voltage of digital devices (5V) is insufficient, and secondly, the ripple of the supply voltage is unacceptable for the operational amplifier.

Известен широтно-импульсный модулятор (2), содержащий автогенераторный мультивибратор, одновибратор (ждущий мультивибратор) и два усилителя импульсов, подключенные к двум выходам одновибратора, а выход автогенераторного мультивибратора подключен ко входу синхронизации одновибратора. Работа этого устройства основана на изменении длительности выходных импульсов одновибратора под действием постоянного напряжения на управляющем входе одновибратора. Known pulse-width modulator (2), containing a self-generating multivibrator, a single vibrator (standby multivibrator) and two pulse amplifiers connected to two outputs of a single vibrator, and the output of a self-generating multivibrator is connected to the synchronization input of a single vibrator. The operation of this device is based on changing the duration of the output pulses of a single vibrator under the action of a constant voltage at the control input of a single vibrator.

Основными недостатками такого устройства являются нестабильность средней составляющей выходного напряжения и коэффициента усиления при изменении температуры окружающей среды и напряжения питания, а также отсутствие дифференциального входа, что снижает помехозащищенность устройства при использовании его в качестве усилителя постоянного напряжения. The main disadvantages of such a device are the instability of the average component of the output voltage and gain when changing the ambient temperature and the supply voltage, as well as the lack of differential input, which reduces the noise immunity of the device when used as a constant voltage amplifier.

Поставлена задача - повысить стабильность выходного напряжения усилителя постоянного напряжения при использовании в качестве усилительных элементов цифровых интегральных схем и создание дифференциальной входной цепи усилителя. The task is to increase the stability of the output voltage of a DC amplifier when using digital integrated circuits as amplifying elements and to create a differential input circuit of the amplifier.

Поставленная задача решается за счет того, что в усилитель постоянного напряжения, содержащий логический элемент, резисторы и конденсатор, согласно изобретению дополнительно введены три логических элемента, два диода и конденсатор, а логические элементы выполнены в виде элементов 2И-НЕ, причем логические элементы образуют два RS-триггера, соединенных последовательно, к S-входу первого RS-триггера подключен анод первого диода, катод которого соединен с инверсным выходом второго RS-триггера, а к R-входу первого RS-триггера подключен анод второго диода, катод которого соединен с выходом второго RS-триггера, входы первого RS-триггера через два резистора соединены с дифференциальным источником усиливаемого сигнала, а выходы второго RS-триггера через два резистора соединены с двумя выходами усилителя, между которыми включен конденсатор. The problem is solved due to the fact that three logic elements, two diodes and a capacitor are additionally introduced into the DC amplifier containing a logic element, resistors and capacitor, and the logic elements are made in the form of 2I-NOT elements, and the logical elements form two RS-flip-flop connected in series, the anode of the first diode is connected to the S-input of the first RS-flip-flop, the cathode of which is connected to the inverse output of the second RS-flip-flop, and the second anode is connected to the R-input of the first RS-flip-flop about the diode, the cathode of which is connected to the output of the second RS-flip-flop, the inputs of the first RS-flip-flop through two resistors are connected to a differential source of the amplified signal, and the outputs of the second RS-flip-flop through two resistors are connected to two outputs of the amplifier, between which a capacitor is connected.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов: трех дополнительных логических элементов 2И-НЕ, двух диодов, времязадающего конденсатора, соединенных по схеме симметричного мультивибратора, резисторов связи между источником входного сигнала, а также низкочастотного RC- фильтра в выходной цепи мультивибратора и их связями. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Comparative analysis with the prototype shows that the inventive device is characterized by the presence of new elements: three additional logic elements 2I-NOT, two diodes, a timing capacitor connected by a symmetric multivibrator scheme, communication resistors between the input signal source, as well as a low-frequency RC filter in the output circuit multivibrator and their connections. Thus, the claimed device meets the criteria of the invention of "novelty."

Сравнение заявляемого решения показывает, что симметричные мультивибраторы такого же типа, как и в предлагаемом устройстве, известны (3). Однако при введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство вышеуказанный мультивибратор проявляет новые свойства, что приводит к новой возможности усиления низкочастотных сигналов. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень". A comparison of the proposed solution shows that symmetric multivibrators of the same type as in the proposed device are known (3). However, when introduced in this connection with the other elements of the circuit into the inventive device, the above multivibrator exhibits new properties, which leads to a new possibility of amplification of low-frequency signals. This allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "inventive step".

На чертеже представлена схема предлагаемого усилителя. The drawing shows a diagram of the proposed amplifier.

Усилитель постоянного напряжения содержит логические элементы 1 и 2, соединенные по схеме RS-триггера 3, между S- и R- входами которых включен времязадающий конденсатор 4, обкладки которого соединены через резисторы 5 и 6 с дифференциальным источником усиливаемого сигнала (на чертеже не показан), а через диоды 7 и 8 с выходами логических элементов 9 и 10, соединенных по схеме RS-триггера 11, к которым подключен RC-фильтр низкой частоты 12, содержащий резисторы 13 и 14, включенные соответственно между прямым и инверсным выходами RS-триггера 11 и обкладками конденсатора 15. The DC voltage amplifier contains logic elements 1 and 2, connected according to the RS-flip-flop circuit 3, between the S- and R-inputs of which a timing capacitor 4 is connected, the plates of which are connected through resistors 5 and 6 to a differential source of the amplified signal (not shown in the drawing) and through diodes 7 and 8 with outputs of logic elements 9 and 10 connected according to the RS-flip-flop circuit 11, to which a low-frequency RC-filter 12 is connected, containing resistors 13 and 14, connected respectively between the direct and inverse outputs of the RS-flip-flop 11 and linings to capacitor 15.

Усилитель работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии на выходе логического элемента 1 действует низкий уровень (логический ноль). Тогда диод 8 открыт и по цепи - источник питания, входная цепь логического элемента 1, конденсатор 4, диод 8, выходная цепь логического элемента 10 - протекает ток заряда конденсатора 4. При отсутствии усиливаемого сигнала зарядка конденсатора 4 происходит до уровня срабатывания логического элемента, затем происходит переключение логического элемента 1, что вызывает переключение логических элементов 9 и 10. В результате диод 8 закрывается, а диод 7 открывается и происходит процесс перезарядки конденсатора. Таким образом, мультивибратор, собранный на логических элементах 1, 2, 9, 10 и диодах 7, 8, вырабатывает симметричные импульсы с частотой, заданной значением емкости времязадающего конденсатора 4. При наличии усиливаемого сигнала протекает дополнительный ток заряда конденсатора 4. В результате длительность интервалов времени, в течение которых логический элемент 1 формирует на своем выходе сигнал высокого уровня (логическая единица), изменяется под действием усиливаемого сигнала. Аналогично для логического элемента 2 происходит противоположное изменение длительности состояния, соответствующее высокому уровню (логическая единица) на выходе. Таким образом происходит изменение скважности выходных импульсов мультивибратора без изменения частоты. Низкочастотный RC-фильтр 12, подключенный к двум выходам логических элементов 9 и 10, выделяет низкочастотную составляющую выходного напряжения, которая имеет частоту, равную частоте усиливаемого сигнала, и пропорциональна ему по амплитуде. Таким образом, предлагаемое устройство является усилителем постоянного напряжения. The amplifier operates as follows. Let in the initial state at the output of the logical element 1 operates a low level (logical zero). Then the diode 8 is open and the circuit - the power source, the input circuit of the logic element 1, the capacitor 4, the diode 8, the output circuit of the logic element 10 - flows the charge current of the capacitor 4. In the absence of an amplified signal, the charging of the capacitor 4 occurs to the level of operation of the logic element, then switching of the logic element 1 occurs, which causes the switching of logic elements 9 and 10. As a result, the diode 8 closes, and the diode 7 opens and the process of recharging the capacitor occurs. Thus, a multivibrator assembled on logic elements 1, 2, 9, 10 and diodes 7, 8 generates symmetrical pulses with a frequency specified by the capacitance of the time-setting capacitor 4. In the presence of an amplified signal, an additional charge current of the capacitor 4 flows. As a result, the duration of the intervals time during which the logic element 1 generates a high level signal (logical unit) at its output, changes under the influence of the amplified signal. Similarly, for logic element 2, the opposite change in the duration of the state occurs, corresponding to a high level (logical unit) at the output. Thus, a change in the duty cycle of the output pulses of the multivibrator without changing the frequency. A low-frequency RC filter 12, connected to two outputs of the logic elements 9 and 10, selects the low-frequency component of the output voltage, which has a frequency equal to the frequency of the amplified signal and is proportional to it in amplitude. Thus, the proposed device is a constant voltage amplifier.

Экспериментальные исследования показывают, что коэффициент усиления предлагаемого усилителя равен 4 для различных типов интегральных микросхем (К 155ЛАЗ, 1533ЛАЗ и т. д.) и различных резисторов 5 и 6. Ширина полосы пропускания определяется постоянной времени цепи низкочастотного RC- фильтра 12 и значением емкости времязадающего конденсатора 4. Амплитудный диапазон выходного сигнала предлагаемого усилителя достигает 10 вольт при правильном выборе синфазной составляющей усиливаемого сигнала. Термостабильность коэффициента усиления высокая. В диапазоне изменения температур окружающей среды -50+50^oC изменение коэффициента усиления не превышает 2%. В этом же диапазоне изменения температур уровень постоянной составляющей выходного напряжения изменяется менее 1%.Experimental studies show that the gain of the proposed amplifier is 4 for various types of integrated circuits (K 155LAZ, 1533LAZ, etc.) and various resistors 5 and 6. The bandwidth is determined by the time constant of the low-frequency RC filter circuit 12 and the value of the timing capacitance capacitor 4. The amplitude range of the output signal of the proposed amplifier reaches 10 volts with the correct choice of the in-phase component of the amplified signal. Thermostability of the gain is high. In the range of changes in ambient temperature -50 + 50 ^o C the change in gain does not exceed 2%. In the same temperature range, the level of the DC component of the output voltage changes less than 1%.

Источники информации
1. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства, Москва, Связь, 1975. С.384.Sources of information
1. Voishvillo G.V. Amplification devices, Moscow, Communication, 1975. P.384.

2. Патент США N 3568094, H 03 К 7/08, опубл. 02.03.71. 2. US patent N 3568094, H 03 K 7/08, publ. 03/02/71.

3. SU 1561119, H 01 H 36/00, 30.04.1990. 3. SU 1561119, H 01 H 36/00, 04/30/1990.

Claims

A DC voltage amplifier containing a multivibrator and a low-pass filter that selects the low-frequency component of the output voltage, characterized in that the multivibrator is designed according to a symmetrical multivibrator circuit and contains first and second RS triggers connected in series and a timing capacitor connected between the inputs of the first RS trigger and the lining of which through the corresponding resistors connected to a differential source of the amplified signal, the R-input of the first RS-trigger is connected to the anode of the diode, the cathode of which is connected to the inverse output of the second RS-trigger, and the S-input of the first RS-trigger is connected to the anode of the second diode, the cathode of which is connected to the direct output of the second RS-trigger, and a low-pass filter containing two resistors is connected to the outputs of the second RS-trigger connected respectively between the direct and inverse outputs of the second RS-trigger and the capacitor plates.