1О Изобретение относитс к рааиоалектронике , в именно к операционным усилител м с периодической компенсацией смещени нул , и может быть использовано в вычислительных и измерительных устройствах и устройствах автоматического регулировани . Известны операционные усилители с периодической компенсацией смещени нул , содержащие усилитель, операционный элемент, ключи, конденсатор и резистор. С помощью ключей операционный усилитель переводитс из рабочего режима в режим компенсации, в котором конденсатор зар жаетс до напр жени , равного смещению 8д нУл усилител fto напр жению либо пропорционального паразитному входному току Зд усилител (потенциальна либо токова составл ющие смещени нул усилител ). Затем операционный усилитель переводитс в рабочий режим и напр жение на конденсаторе используетс дл компенсации смещени нул по напр жению, либо парезитного входного тока L1J . Недостатком таких операционных усилителей вл етс низка точность компен сации смешени нул . Это обусловлено тем, что в каждом из них компенсируепс только одна из двух составл ющих смещени нул : напр жение (, или ток Од Этот недостаток устранен в операционном усилителе, содержащем два конденсатора , два ключа, резистор, операционный элемент и усилитель. Первый конденсатор С с первым ключом К v и в рой конденсатор С с вторым ключом К 2 соединены первыми выводами, вторые вь1воды первого ключа и второго конденсатора подключены к.общему выводу усилител , инвертирующий вход которого соединен непосредственно с вторым выво дом первого конденсатора и через резистор R - с первым выводом второго ключ ВТОРОЙ вывод которого подключен к выходу усилител . Первый операционный элемент Zn включен между выходом усилител и первым выводом первого ключа При использовании дифференциального усилител его неинвертирующий вход. подключен к общему выводу. В режиме компенсации ключи К и К замкнуты, первый конденсатор зар жаетс до напр жени ta, а второй - до напр жени и ). где R - сопротивление резистора R . В рабочем режиме ключи разомкнуты и напр жени на конденсаторах компенсируют обе составл ющие смещени нул , напр жение Eg, и ток За L 8 Недостатком такого операционного усилител вл етс низка точность компенсации смещени нул при наличии конденсаторов в операционном элементе Zj . Характерный пример - использование операционного усилител в режиме интегратора входного тока полезного сигнала: в этом случае элемент L состоит из единственного конденсатора С . В режиме компенсации этот конденсатор через замкнутый ключ К. включен параллельно выходу усилител и, как и конденсатор С, зар жаетс до напр жени Uj. В рабочем режиме это напр жение на конденсаторе С 2 существенно измен ет начальные услови интегрировани , что приводит к погрешности в дес тки-сотни процентов при интегрировании полезного сигнала. Другим недостатком такого операционного усилител вл етс необходимость использовани дополнительной коррекции дл обеспечени устойчивости в режиме компенсации, так как -при этом в контур обратной св зи дополнительно включаютс последовательно две апериодических RC цепи: перва состоит из выходного сопротивлени усилители и второго конденсатора , втора - из резистора и первого конденсатора, причем посто нные времени этих цепей значительны. При недостаточно качественной дополнительной коррекции снижаетс точность выполнени требуемой операции в рабочем режиме из-за возникновени генерации при изменений условий эксплуатации и старении элементов или ухудшени переходных процессов . Третьим недостатком такого операционного усилител вл етс то, что ток . зар да второго конденсатора в режиме компенсации определ етс только выходным напр жением и выходным сопротивлением усилител . Это затрудн ет выбор функциональных элементовустройства , так как дл р да усилителей в микросхемном исполнении (например , 1402Д1) ограничено максимально допустимое значение импульсного выходного тока. Далее кратковременное его превышение может не только существенно понизить точность выполнени требуемой операции, но и привести к отказу усилител . Цель изобретени - повышение точности операционного усилител . Указанна цель достигаетс тем, что в операционный усилитель с периодической компенсацией смешени нул , содер жаший цва запоминающих конденсатора, два ключа, масштабный резистор, операционный двухполюсник, усилитель посто н ного тока, к инвертирующем входу которого подключен первый вывод масштаСи ного резистора, причем первые выводы первого запоминающего конденсатора и первого ключа и второго запоминающего конденсатора и второго ключа объединены , а вторые выводы первого ключа и второго запоминающего конденсатора соединены с щиной нулевого потенциала, и генератор тактовых импульсов, введе- ны дев ть ключей, два сглаживающих конденсатора и ограничивающий резистор причем первые выводы первого сглаживающего конденсатора, третьего ключа и второй вывод первого запоминающего конденсатора подключены к неинвертирую шему входу усилител посто нного тока, общий вывод первого запоминающего конденсатора и первого ключа через четверо тый ключ соединен с вторым выводом второго ключа, и через ограничивающий резистор - с выходом усилител посто нного тока, соединенным с первым выводо п того ключа, второй вывод которого сое динен с вторым выводом масштабного резистора ,через шестойключ-с оРщимвывоаом второгоключа и второгопапомипающего конденсатора и через параллельно включенные седьмой ключ и первый сглаживающий конденсатор - с инвертирующим вхо. дом усилител посто нного тока, подключенным к первому выводу восьмого ключа , второй вьюод которого соединен с первым выводом операционного двухполюсника и через дев тый ключ - с шинс нулевого потенциала, второй вывод огю- рационного двухполюсника через дес тый ключ подключен к щине нулевого потенциала и «tofiea одиннадцатый ключ к выхо усилител посто нного тока, второй сглаживающий конденсатор включен между неинвертирующим входом операционного усилител и шиной нулевого потенциала, а управл кнцие входы ключей соединены с соответствующими выходами генератора тактовых импульсов. На фиг. 1 приведена функциональна сжема предложенного операционного усилител и функциональна схема его вклю чени ; на фиг. 2 - эквивалентна схема усилител посто нного тока, вход щего в состав интегратора на операционном усилителе; на фиг. 3 - временные ци праммы выходного напр жени предложенн н о операционного усилител и состо ни ключей, вход щих в его состав. Операционный усилитель 1 (фиг. 1) содержит усилитель 2 посто нного тока, ключи 3-13, запоминающий конденсатор 14, сглаживающие конденсаторы 15 и 16 и запоминающий конденсатор 17, ограничивающий резистор 18, масштабный резистор 19 и операционный двухполюсник 20. Неинвертирующий вход 21 усилител 2 объединен с первыми выводами ключа 3 и конденсаторов 14 и 15. Второй вывод запоминающего конденсатора 14 через ключ 5 соединен с шиной нулевого потенциала 22 усилител 2 и через ключ 4 - с первым выводом ключа 10, соед1р1енного через ограничивакндий резистор 18 с выходом 23 усилител 2, соединенного через ключ 7 С первыми выводами ключа 6, конденсатора , 16, масштабного резистора, соединенными через ключ 8 с вторым выводом ключа 1О, соединенного через . запоминающий конденсатор 17 с шиной нулевого потенциала. Вторые выводы ключа 6, конденсатора 16 и резистора 19 соединены с инвертирующим входом 24 усилител 2, соединенного через ключ 12 с первыми выводами ключа 9 и операционного двухполюсника 20, второй вывод которого через ключ 13 соединен с выходом 23, а через ключ 11 - с шиной нулевого потенциала 22 и вторыми выводами ключей 3 и 9 и конденсатора 15. Конденсаторы 14 и 17 - запоминающие; они запоминают значени отдельных составл ющих смещени нул усилител 2 во врем компенсации. Конденсаторы 15 и 16 - сглаживающие; они сглаживают выбрюсы напр жени на входах усилител 2 во врем коммутации ключей. Ограничивакндий резистор 18 ограничивает максимальные значени выходного тока усилител 2 во врем зар да конденсатора 14 и 17 через ключи 3, 4 и 10 соотвественно. Масштабный резистор 19 служит дл измерени входного тока усилител 2 и его последующей точной компенсации. Входом по току операционного усилител 1 вл етс инвертирук ций вход 24 усилител 2. Выходом по напр жению операционного усилител 1 вл етс выход 23. усилител 2. Операционный двухполюсник 20 содержит интегрирующий конденсатор 25, включенный между вьшодами авухполюсн 1ка 20; при этом операционный усилитель 1 вл етс интегратором тоха, т.е. вьшолн ет операцию интегрировани тока полезного сигнала на входе 24. Генераторы 26 и 27 тока (фиг. 2), включенные между шиной нулевого потен циала 22 усилител 2 и его входами 24 и 21 соответственно, учитьшают парази ные вхоцнью токи Од и Резисторы 28-чЗО, включенные треугольником между входами 24 и 21 и шиной нулевого потенциала 22, учитьюают составл к цие входного сопротивлени усилител 2 (например, дл усилител типа 14ОУД1 в нормальных услови х сопротивлени резисторов 28-30 имеют пор док 1 мОм и 1О кОм соответственно ). Генератор 31 ЭДС, включенный последовательно с входом 21 усилител 2 учитывает приведенное к входу 21 усилител 2 напр жение смещени его нул Генератор 32 ЭДС и резистор 33, вклю ченные последовательно между шиной 22 и выходом 23 усилител 2, учитьшают его выходные напр жени и сопротивлени соответственно. Функциональна схема (фиг. 2) включ ни операционного усилител 1 содержит кроме него источник 34 напр жени по- лезного сигнала, включенный последовательно с резистором 35 между шиной 2 и первым выводом ключа 36, соединенного с входом 24 через включенные последовательно ключ 37 и резистор 38. Второй вьшоа ключа 36 соединен с шиной 22. Управл ющие входы ключей 3- 13, 36 и 37 соединены с выходами генератора 39 тактовых импульсов. Генератор 39 тактовых импульсов (фиг. 2) содержит генератор 40 импульсов, два триггера 41 и 42, три элемента И-НЕ 4 45 и инверторы 46-48. Усилитель 1 работает следующим образом. С помощью ключей 3-13, управл емы генератором 39 тактовых импульсов, усилитель поочередно переводитс в режим компенсации смещени нул . Входным полезным сигналом вл етс элект рический , поступающий на вход 2 через резистор 38. В режиме компенсации ключ 37 закрыт, а ключ 36 открыт, поэтому ток сигнала равен нулю. Сопротивление , закрытого) ключа 37 много больше входного сопротивлени резистора 28 усилител 2, поэтому источник тока полезного сигнала в режиме компен сации можно считать идеальным. На .фиг. 3 приведены временные диаграммы состо ни ключей 3-13, 36 и 37 Сто щие возле диаграмм цифры соответ ствуют номерам ключей, низкий уровень линии каждой диаграммы ceaoTBeTCTByeT закрытому состо нию ключа, а высокий- открытому. В моменты времени i: - t4 происходит практически одновременное изменение состо ний ключей. Крива 23 показывает изменение напр жени на выходе 23 в различных режимах усили- тел 1. Режим компенсации (фиг. 3) состоит из двух следующих друг за другом тактов: такт компенсации напр жени у cмeщeни нул (временной интервал и такт компенсации паразитного вход-i ного тока DCI на входе 24 (временной интервал ). До момента Ч , устройство находитс в режиме работы со скомпенсированным смещением нул ; при этом напр жение на выходе 23 (фиг. 3) (крива 23), определ етс результатом выполнени соответствующих операций над током полезного сигнала. В такте tj. компенсации напр жени 8д открыты ключи 3, 4, 6, 7, 12, 13 и 36 (фиг. 1 - З), остальные ключи закрыты. Инвертирующий вход 24 усилител 2 замкнут с его выходом 23 через низкое сопротивление, двух последовательно включенных открытых ключей 6 и 7. При этом интегрирующий конденсатор 25 операционного двухполюсника 2О разр жаетс до нул последовательно включенные открытые ключи 12, 6, 7 и 13 с малой посто нной времени; по окончании его разр да напр жение на выходе 23 (при больщом коэффициенте усилени усилител 2) становитс равным напр жению ЕЛ I так как неинвертирующий вход 21 усилител 2 через открытый ключ 3 соед1шен с шиной нулевого потенциала 22. Через ограничивакший резистор 18 и открытые ключи 4 и 3 запоминающий конденсатор 14 зар жаетс до напр жени 2а на выходе 23. На фиг. 1 показана пол рность напр жени на запоминающем конденсаторе 14, соответствующа показанной там же пол рноста напр жени генератора 31. Резистор 18 ограничивает максимальный зар дный ток конденсатора 14 на уро&не , допустимом дл выходного тока усилител 2. Таким образом, на ксжденса- торе 14 запоминаетс напр жение UK . В рассматриваемом такте не т.ребу- етс Дополнительна коррекци дл устойчивости усилител 2, так как он фактически работает при коротком замыкании инвертирукмиего входа 24 на выход 23 и неинвартирующеро входе 21 на общий вывод по шине 22. При наличии в усилителе 2 (например, типа 140УД6) внутренней коррекции устойчивость его в таком режиме гарантируетс . При от- сутствии в усилителе 2 (например, типа 14ОУД1) внутренней коррекции УСТОЙЧИВОСТЬ обеспечивают обычные корректирующие цепи/ рекомендуемые дл режима инвертора и интегратора (и.х параметры приведены в руковод щих тех нических материалах по применению усилител ). Цепь, состо ща из резистора 18 и конденсатора 14, включенных последовательно через замкнутые ключи 3 и 4 между выходом 23 и шиной 2 практически улучшает устойчивость усилител 2, так как вместе с выходным сопротивлением резистора 33 образует последовательное корректирующее звено интегрирующего типа. В. такте t компенсации паразитного тока DO 1 открыты ключи 5, 7, 9, 1О, 11 и 36 (фиг. 1 - 3), остальные ключи закрыты.Инвертирующий вход 24 уси лител 2 соединен с его выходом 23 через масштабный резистор 19 и включенный последовательно с ним открытый ключ 7 Запоминающий конденсатор 14 (зар жен ный в предыдущем такте до напр жени 2(j ) через открытый ключ включен между не инвертирующим входом 21 и щиной 22 параллельно со сглаживающим конденсатором 15 небольщой емкости. Таким образом, напр жение на запомина щем конденсаторе 14 компенсирует напр жение а генератора 31. При этом н пр жение на выходе 23 обусловлено тол ко действием паразитных входных токов и D а 2. На инвертирукиций вход 24, кроме Tf генератора 26, действует также ток эквивалентного генератора паразитного тока tg / RjQ, где Eg - напр жение конденсаторе 14, приложенное к входу 2 а - .сопротивление резистора 30, че рез которое течет этот ток (на суммирующий вход 24 операционного усилител 1). При большом коэффициенте усиле ни усилител 2 сумма этих токов созд на выходе 23 напр жение: )(1) где Rдд - сопротивление резистора 19. Ток DO л на неинвертирующем входе 21 интегрируетс запоминающим конденсатором 14 и создает на нем падение напр жени , равное . где t - врем , d (4- емкость конденсаторш 14. При соответствуюиюм емкости конденсатора 14 и длительности рассма риваемого такта и режима работы эту составл ющую смещени нул можно не учитывать. Через огран1гчивающий резистор 18 и открытый ключ 10 запоминающий конденсатор 17 зар жаетс до напр жени UK на выходе 23. Резистор. Г8 огран1гчивает максимальный зар дный ток конденсатора 17 до допустимого уровн . Таким образом, на конденсаторе 17 запоминаетс напр жение (J ц. В рассматриваемом такте не требуетс дополнительна коррекци дл устойчивости усилител 2, если источник полезного сигнала идеален, а сопротивление масштабного резистора 19 много меньше сопротивлени резистора 28, так как в этом случае усилитель 2. так же , как и в предыдущем такте, фактически работает при коротком замыкании инвертирующего входа 24 Ни выход 23 и не инвертирующего входа 21 на шину 22 (через конденсатор 14 значительной емкрсти и открытий ключ 5).Если источник тока полезного сигнала нельз считать идеальным, то его конечное выходное сопротивление необходимо учесть в сопротивлении резистора 28. При этом общее сопротивление резистора 28 может стать сравнимым или меньшим сопротивлени резистора 19. То же самое будет и при идеальном источнике полезного сигнала, на высоком сопротивлении резистора 19, сравнимом с сопротивлением резистора 28. При рассмотрении устойчивости этот случай эквивалентен работе усилител 2 в качестве операционного в режиме масштабного инвертирующего звена. При наличии в усилителе 2 внут ренней коррекции устойчивость его в таком режиме гарантируетс . При отсутствии в усилителе 2 внутренней коррекции устойчивость обеспечивают .обычные корректирующие цепи, рекомендуемые .дл режима масштабного звена и интегратора . Цепь, состо ща из резистора 18 и конденсатора 17, включенных последовательно через замкнутый ключ 1О между, выходом 23 и щиной 22, практически улучшает устойчивость усилител 2, так как вместе с его выходным сопротивлением резистора 33 образует послеаова- . тельное корректирующее звено интегрирующего типа. Разр женный в предыдущем такте интегрирующий конденсатор 25 операционного авухполюсипка 20 замкнут накоротко через открытые ключи 9 и 11 и не вли ет на работу устройства, В режиме рагюты (фиг. 3, временной интервал 3- t)открыты ключи 5, 8, 12, 13 и 37; остальные ключи закрыты Запоминающий конаенсатор 14 (зар женный до напр жени 2д в такте) так же, как и в предыдущем такте, ICON пенсирует напр жение генератора 21 и создает составл ющую 8д / паразитного входного тока на входе 24. Таким образом, на входе 24 действует паразитный ток. оавный: нBO.(2 JnOa - Запоминающий конденсатор 17 (зар женный в предыдущем такте до напр жени и,,) соединен через открытый ключ 8 и масштабный резистор 19 с входом 24 При этом на вход 24 через резистор 19 течет компенсирующий ток Ovi оторый, учить1ва результат в формуле (1), равен: UK бо, .(3) li :г- - -г- - J 19 30 Таким образом, компенсируюший ток компенсирует паразитный ток, а напр жение на запоминающем конденсаторе 17 компенсирует паразитный входной ток За генератора 26. Операционный двухполюсник 2О через открытые ключи 12 и 13 включен между входом 24 и выходом 23 усилител 2. Поэтому устройство выполн ет операцию интегрировани тока полезного сигнала на входе 24 следующим образом. В интервале t -i4 люч 37 открыт, ключ 3 закрыт и усилитель 1 интегрирует ток полезного сигнала. В интервале t4 ключ 37 закрыт, ключ 36 закрыт и усилитель 1 хранит результат интегриро вани . После этого снова включаетс ре« жим компенсации. Рассмотрим более подробно назначение и действие некоторых элементов ОУ Если ключи 3-5 окажутс одновременно закрыты во врем переходных процессов в них, то при этом вход 21 усил№тел 2 отключаетс от щины 22, а отсутствие конденсатора 15 может быть причиной значительных всплесков напр ени на выходе 23, так как при оторванном входе 21 напр жение на нем мо« жет быть значительным, поскольку определ етс произведением тока а2 генератора 27 на сопротивление резистора 29. Сглаживаемый конаенсатор 15 небольшой емкости существенно уменьшает всплески при переключени х ключей 3-5, так ка в течение коротких интервалов времени, когда все эти ключи закрыты, конденсатор 16 помнит предыдущее значение напр жени на входе 21, Емкость этого конденсатора на несколько пор дков меньше емкости конденсатора 14( поэтому изменение напр жени на конденсаторе 14 после закрывани ключа 3 и открьшани ключа 5 в момент tj незначительно . Изменение напр жени происходит потому, что на разр женный в первом гакте ключом 3 конденсатор 15 передаетс часть зар да с конденсатора 14. Ключ 6 совместно с ключом 7 обеспечивает соединение входа 24с выходом 23 усилител 2 в первом такте. Во втором такте и в режиме работы, ключ 6 закрыт и не должен шунтировать резистор 19, но при высоком сопротивлении этого резистора и сравнительно не очень высоком сопротивлении закрытого ключа 6, его вли ние могло быть заметным. Однако в обоих случа х ключ 6 находитс практически под одинаковым напр жением И|, поэтому и во втором такте и в режиме работы сопротивление закрытого ключа 6 одинаково и не вли ет на точность компенсации паразитного тока Открытые во втором такте ключи 9 и 11 исключают возможность зар да интегрирующего конденсатора 25 напр жением с выхода 23 через не очень высокое сопротивление закрытых ключей 12 и 13. Если во врем переходных процессов в ключах 6, 12 и 13 в момен Ъ. ключи 12 и 13 закроютс раньше ключа 6, то на выходе 23 возможен значительный выброс напр жени из-за выброса зар да на вход 24 «з цепи управлени ключом 6 (так как конденсатор 25 уже отключен). Сглаживающий конденсатор 16 небольшой емкости существенно снижает указанный выброс, так как совместно с резшгтором 19 он образует апериодическую цепь с определенной посто нной времени, котора в течение небольшого интервала времени действует как интer рирукйЕца цепь. При слишком большом значении емкости конденсатора 16 выброс напр жени на выходе 23 может не успеть закончитьс к моменту t г, что может привести к неточной компенсации паразитного тока. При значительном сопротивлении резистора 19 в качестве конденсатора 16 может быть использована емкость между вьшодами этого резистора . В предложенном операционном усилителе 1, в отличи от известных, проводитс периодическа компенсаци как потенциальной, так и токовой составл - юших смещени нул усилител 2 посто нного тока без применени дополнитель ных цепей коррекции благоаар исключению из ксжтура обратной св зи цополнительных апериодических цепей со значительной посто нной времени. Это сушест венно упрощает разработку и настройку операционного усилител -и повышает его статическую точность за счет повышени устойчивости и аинамическую точность за счет улучшени переходных процессов Исключено нарушение компенсации смешени нул при наличии конденсаторов в составе операционного элемента, благодар отключению его от усилител на врем компенсации паразитного входного тока усилител 2. Это повышает точность и расшир ет функциональные возможности oneрационного-усилител 1. 10 8 Практически исключено вли нио высокого сопротивлени закрытых электронных ключей на точность выполнени компенсации и требуемой операции благодар согласованной работе групп ключей. Это позвол ет использовать ключи со средними значени ми параметров, в частности в микросхемном исполнении, что уменьшает массу и габариты устройства. Использование вместо сглаживающего конденсатора емкости между выводами резистора упрошает устройство. Использование изобретени повьшхает точность, расшир ет функциональные возможности , упрошает разработку, снижает габариты и массу операционного усилител с периодической компенсацией смещени нул .
Фиг.