SU1124334A1

SU1124334A1 - Amplifier-limiter

Info

Publication number: SU1124334A1
Application number: SU833627087A
Authority: SU
Inventors: Леонид Иванович Волгин; Александр Владимирович Ефимов; Александр Игоревич Зарукин
Original assignee: Ульяновский политехнический институт
Priority date: 1983-05-03
Filing date: 1983-05-03
Publication date: 1984-11-15

Abstract

УСИЛИТЕЛЬ-ОГРАНИЧИТЕЛЬ, со держащий первый операционный усилитель ,, инвертирующий вход которого через первой масштабный резистор соединен с первым входом усилител ограничител и через второй масштаб ный резистор - с выходом операционного усилител , вл ющийс вьрсодом усилител -ограничител , второй опер ционный усилитель, между инвертирую л У ± - щим входом и выходо которого включен первый ключ, ограничивающий резистор , подключенньй первым выводом к инвертируквдему входу второго операционного усилител , выход которого соединен с первым выводом второго ключа, и источник н пр жени ограничени , одним выводом подключенный к щине нулевого потен иала, отличающийс тем, что, с целью повьппени быстродействи и расширени класса решаемых задач, он содер сит третий и четвертый масштабные резисторы , включенные последовательно между вторым входом усилител -органичитеп и шиной нулевого потенци- I ала, общий вывод третьего и четвертого масштабных резисторов соединён со вторым вьюодом второго ключа и неинвертирующим входом первого операционного усилител , выход которого подключен ко второму выводу ограничивающего резистора, а другой вывод источника напр жени ограничени соединен с неинвертируюшим входом второго операционного усилител .AMPLIFIER-LIMITER, containing the first operational amplifier, whose inverting input is connected to the first input of the limiter amplifier through the first scale resistor and through the second large-scale resistor to the output of the operational amplifier, which is the amplifier of the limiter, the second operational amplifier, invert between l Y ± - the common input and output of which includes the first key, the limiting resistor connected by the first output to the inverter input of the second operational amplifier, the output of which is connected with the first output of the second key, and the source of the limited voltage, one output connected to the zero potential terminal, characterized in that it contains the third and fourth scale resistors connected in series between the second to increase performance and expand the class of tasks to be solved. the input of the amplifier-organizer and the potential-zero bus; the common terminal of the third and fourth large-scale resistors is connected to the second view of the second key and the non-inverting input of the first operational amplifier; It is costly connected to the second output of the limiting resistor, and the other output of the source of the limiting voltage is connected to the non-inverting input of the second operational amplifier.

Description

Изобретение относитс к аналоговой вычислительной технике и радиотехнике и может быть использовано в различных устройствах радиоэлектроники , автоматики и вычислительной техники. Известен ограничитель напр жени , содержащий операционный усилитель, ,ключ и нелинейный злемент, в которых управление ключом осуществл етс путем изменени пол рности напр жени на выходе усилител .относительно опорного напр жени lj . Однако такой ограничитель имеет низкую точность в режиме усилени входного напр жени . , Известен усилитель-ограничитель, содержащий первый операционный усилитель , выход которого вл етс выходом усилител -ограничител и подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилител , к инвертирующему входу второго операционного усилител , к инвертирующему входу которого подключен источник напр жени ограничени , а выход через ключ соединен с инвертирующим входом первого операционного усилител , вл ющимс входом усилител -ограничител 2. -J Недостаток этого усилител -ограничител заключаетс в низком быстродей ствии. Наиболее близким по технической сущности к предложенному вл етс усилитель-ограничитель, содержащий первый операционный усилитель, первый и второй резисторы, соединенные последовательно и включенные между входом и выходом устройства, к которому подключен выход первого операционного усилител , а его инвертирующий вход подключен к точке соединени первого и второго резисторов, источни напр жени ограничени , одним выводом подключенный к шине нулевого потенциала , второй операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с одним из выводом ограничивающего резистора и с одним из вьшодов второго ключа, другой вывод которого соединен с выходом второго операционного усилител и с одним из выводов первого ключа инвертирующий вход-первог усилител соединен с другим выводом первого ключа, другой вывод ограничивающего резистора подключен к друго му ВЫВОДУ источника напр жени органи чени , а неинвертирукнций вх,од второго операционного усилител подключен к выходу устройства L3J . Недостатком известного устройства вл етс то, что в режиме ограничени в петлю обратной св зи вход т два последовательно включенных усилител с примерно равными козффициентами усилени . .Дл обеспечени устойчивости и равномерной частотной характеристики (без подъемов) необходимо, чтобы посто нна времени одного из усилителей быпа намного больше другого.Позтому приходитс либо ухудшать частотные свойства ограничител в режиме усилени , корректиру частотную характеристику первого усилител , либо уменьшить быстродействие при переключении режимов работы, корректиру второйусилитель, Кроме того, известньй усилитель позвол ет ограничивать только один входной сигнал. Целью изобретени вл етс повышение быстродействи и расширени класса решаемых задач. Поставленна цель достигаетс тем, что усилитель-ограничитель, содержащий первый операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый масштабный резистор соединен с первым входом усилител -ограничител и через второй масштабный резистор - с выходом операционного усилител , вл ющимс выходом усилител -ограничител , второй операционный усилитель, между инвертирующим входом и выходом которого включен первьй ключ, ограничивающий резистор , подключенный первым выводом к инвертирукщему входу второго операционного усилител , выход которого соединен с первым выводом второго ключа, и источник напр жени ограничени , одним выводом подключенный к шине нулевого потенциала, содержит третий и четвертьп масштабные резисторы , включенные последовательно между вторым входом усилител -ограничител и шиной .нулевого потенциала , общий вывод третьего и четвертого масштабных резисторов соединен со вторым вьшодом второго ключа и неинвертирующим входом первого операционного усилител , вых.од которого подключен к второму выводу ограничивакщего резистора, а другой вывод источника напр жени ограничени соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилител . The invention relates to analog computing and radio engineering and can be used in various radio electronics, automation and computing devices. A voltage limiter is known that contains an operational amplifier, a key and a non-linear element, in which the key is controlled by changing the polarity of the voltage at the output of the amplifier relative to the reference voltage lj. However, such a limiter has low accuracy in the input voltage boost mode. The limiting amplifier is known, which contains the first operational amplifier whose output is the output of the limiting amplifier and is connected to the non-inverting input of the second operational amplifier, to the inverting input of the second operational amplifier whose inverting input is connected to the limiting voltage source, and the output is connected via a switch with the inverting input of the first operational amplifier, which is the input of the amplifier-limiter 2. -J The disadvantage of this amplifier-limiter lies in the low fast speed . The closest in technical essence to the proposed is a limiting amplifier containing the first operational amplifier, the first and second resistors connected in series and connected between the input and the output of the device to which the output of the first operational amplifier is connected, and its inverting input is connected to the connection point of the first and a second resistor, a limiting voltage source, one output connected to the zero potential bus, a second operational amplifier, the inverting input of which is connected one of the outputs of the limiting resistor and one of the outputs of the second key, the other output of which is connected to the output of the second operational amplifier and one of the outputs of the first switch; the inverting input-first amplifier of the amplifier is connected to another output of the first switch; the other output of the limiting resistor is connected to the other OUTPUT the source voltage, and non-inverting in, the second opamp is connected to the output of the L3J device. A disadvantage of the known device is that in the limiting mode, two series-connected amplifiers with approximately equal gain factors are included in the feedback loop. To ensure stability and uniform frequency response (no rises), it is necessary that the time constant of one of the amplifiers be much more than the other. So, either the frequency characteristics of the limiter in gain mode are degraded, the frequency response of the first amplifier is corrected, or the performance is slowed down. Correcting the second amplifier. In addition, a lime amplifier allows only one input signal to be limited. The aim of the invention is to increase the speed and expansion of the class of tasks. The goal is achieved by the limiting amplifier containing the first operational amplifier, the inverting input of which is connected to the first input of the limiting amplifier through the first scale resistor and the second operational amplifier through the second large-scale resistor to the output of the operational amplifier. , between the inverting input and the output of which the first key is turned on, the limiting resistor connected by the first output to the inverting input of the second operational amplification l, the output of which is connected to the first output of the second key, and the source of the limiting voltage, one output connected to the zero potential bus, contains the third and quarter-scale scaling resistors connected in series between the second input of the limiting amplifier and the zero potential bus, the common output of the third and the fourth scale resistors are connected to the second output of the second key and the non-inverting input of the first operational amplifier, the output of which is connected to the second output of the limiting resistor, and the other to The output of the limiting voltage source is connected to the non-inverting input of the second operational amplifier.

На фиг. 1 и 2 представлены варианты вьшолнени дифференциального усилител -ограничител в зависимости от характеристики ограничени (ограничение сверху и снизу соответственно ) ; йа фиг. 3 - схема неинвертирующего усилител -ограничител (напр жени на втором входе фиг. 1 ); на фиг. 4 - схема инвертирующего усилител -ограничител (напр жение на первом входе фиг. 2 U 0).FIG. Figures 1 and 2 show the options for performing a differential limiting amplifier depending on the characteristics of the limitation (upper and lower limits, respectively); ya fig. 3 is a schematic of a non-inverting limiting amplifier (voltage at the second input of FIG. 1); in fig. 4 is a diagram of an inverting limiting amplifier (voltage at the first input of FIG. 2 U 0).

Усилитель-ограничитель содержит первый операционный усилитель 1с дифференциальным входом, второй операционный усилитель 2 с дифференциальным входом, первый масштабньй резистор 3, второй масштабный резистор 4, третий масштабный резистор 5, четвертый масщтабный резистор 6, ограничиванщий резистор 7, первый ключ 8, например диод, второй ключ 9 содержащий либо последовательно соединенные диод 10 и стабилитрон 11 при ограничении отрицательного напр жени сверху (фиг. 1) или положительного напр жени снизу (фиг. 2), либо диод 10. При ограничении положительного напр жени сверху или отрицательного напр жени снизу (фиг. 2 и фиг. 4), источник 12 напр жени ограничени , входы 13 и 14, выход 15 устройства.The limiting amplifier contains the first operational amplifier 1 with a differential input, the second operational amplifier 2 with a differential input, the first large-scale resistor 3, the second large-scale resistor 4, the third large-scale resistor 5, the fourth large-scale resistor 6, the limited resistor 7, the first switch 8, for example a diode, The second key 9 contains either a series-connected diode 10 and a zener diode 11, with a negative voltage limited from above (Fig. 1) or a positive voltage from below (Fig. 2), or a diode 10. When limited, itelnogo voltage above or below the negative voltage (FIG. 2 and FIG. 4), voltage source 12 is limited to the inputs 13 and 14, the output 15 of the device.

Уровень ограничени усилител ограничител устанавливаетс регулировкой напр жени источника 12.The limiting level of the limiter amplifier is set by adjusting the voltage of source 12.

Усилитель-ограничитель работает следующим образом.The limiting amplifier works as follows.

Пусть разность напр жений на входе усилител -ограничител (фиг.2) положительна: () 0, напр жение источника 12 напр жени ограничени положительно U О, и считаем что разность входных напр жений (): U,R,/RJ, где R.J - сопротивлени резисторов 3 и 4 соответственно . Выходное напр жение (отрицательное относительно напр жени ограничени U,), te-рез ограничивающий резистор 7 подаетс на инвертирующий вход усилител 2у что приводит к по влению на его выходе положительного напр жени , открывающего диод ключа 8j замыканию петли отрицательной обратной , включающее усилитель 2, .открытый диод 8, усилитель 1. На выходе усилител -ограничител в данно режиме - режиме ограничени - поддерживаетс напр жение ограничени . Выходное напр жение ограничиваетс снизу на уровнеLet the difference in voltage at the input of the amplifier-limiting device (Fig. 2) be positive: () 0, the voltage of source 12 of the limiting voltage be positive U U, and assume that the difference in input voltage (): U, R, / RJ, where RJ - resistances of resistors 3 and 4, respectively. The output voltage (negative with respect to the voltage limiting U,), te-cut limiting resistor 7 is fed to the inverting input of amplifier 2y, which leads to the appearance of a positive voltage at its output, opening the key of the diode 8j to the negative feedback circuit, including amplifier 2, Open diode 8, amplifier 1. At the output of the limiting amplifier in this mode — limiting mode — the limiting voltage is maintained. Output voltage is limited below

1 L ) «см.О)1 L) "see O)

ых оoh about

где мультипликативна погрешность напр жени ограничени where is the multiplicative error of limiting voltage

v ILjo±. , rj,jfiij , 6 U R К, и„ R. К/ R,HRjгде RjH сопротивление открытого диода ключа 8; К - коэффициент усилени усилител 2; Tj - выходное сопротивление усилител 2; S,( Uj;nj - напр жение смещени второго операционного усилител .v ILjo ±. , rj, jfiij, 6 U R К, and „R. К / R, HRj, where RjH is the open diode resistance of the key 8; K is the gain of amplifier 2; Tj is the output impedance of amplifier 2; S, (Uj; nj is the bias voltage of the second opamp.

При увеличении разности входных напр жений и вьшолнени услови () на выходе усилител 1 по вл етс напр жение положительное относительно опорного .- DU , которое через ограничивающий резистор 7 подаетс на инвертирующий вход усилител 2. Это приводит к по влению на выходе усилител 2 отрицательного напр жени . Диод ключа 8 закрываетс . Цепь обратной св зи отключаетс и не вли ет на работу усилител 1.As the input voltage difference increases and the condition () is fulfilled, the output of amplifier 1 produces a positive voltage relative to the reference .- DU, which through a limiting resistor 7 is applied to the inverting input of amplifier 2. This leads to the appearance of a negative voltage wives The key 8 diode closes. The feedback circuit is disconnected and does not affect the operation of amplifier 1.

Выходное напр жение усилител -ограничител Output voltage of the limit amplifier

- (и,- и,)(1 -ьу ), - (and, - and,) (1 st),

иand

(3)(3)

выхout

где - погрешность коэффициента усилени where is the gain error

.(4 .(four

с -) иwith -) and

UMUm

v., ГГ IT v., yy IT

1 -и, U,-U2 j, U -и1 -and, U, -U2 j, U -and

«2 R4"2 R4

Здесь Ы, RiilCR, + R4), 42 R,/-/ (RI + Rj) в рассматриваемом случа , 6/2, так как Кз)К4 9 сопротивление закрытого диода ключа 8, -напр жение на выходе усилител 2.Here Ы, RiilCR, + R4), 42 R, / - / (RI + Rj) in the case under consideration, 6/2, since Kz) K4 9 is the resistance of the closed diode of the key 8, is the voltage at the output of the amplifier 2.

Отрицательное напр жение на выход усилител 2 открывает диод 10 и стабилитрон 11 ключа 9, через которые усилитель 2 охватваетс местной петлей обратной св зи, поддерживающей на его инвертирующем входе напр же .ни Uj и предотвращающей его насыщение . Напр жение стабилизации стабилитрона 11 выбираетс таким образом, чтобы Uj, (UQ) - (Un), где UK - напр жение на стабилитроне 11 и диоде 10,-быпо отрицательно и быпо не менее 2-3 В, так, чтобы диод 8 находилс Е закрытом состо нии. По срав нению с прототипом данное выполнение ключей 8 и 9 дает существенное повышение точности устройства в области усилени разностк входных напр жений , так как стабилитрон в области напр жений, близким к напр же нию стабилизации, имеет сопротивление меньшее сопротивлени закрытого диода. При отрицаиельных значени х источника напр жени ограничени UQ -2В ключ 9 вьшолн етс без стабилитрцна, как показано на фиг. 4. Дл устройства (фиг. 1), вл юще гос ограничителем сверху, U, О, а UH (и,) - (и,) и вьйираетс равным +2, 4-ЗВ. При положитшгьных Up 2В ключ 9 необходимо вьшолн ть без стабилитрона, как показано на фиг. 3. На фиг. 3 и фиг. 4 приведены схе усилителей-ограничителей при (фиг. 3) и .и, О (фиг. 4). Дл усилител -ограничител фиг. выходное напр жение ВЫХ 2 К где погрешность При использовании предлагаемого усилител -ограничител существенно. повьш1аетс быстродействие (полоса р бочих частот устройства). В.отличие от прототипа в предлагаемом усилите ле-ограничителе в режиме ограничени 46 первый усилитель охвачен цепью отрицательной обратной св зи через делитель, вьшолненный на резисторах R и R,,, что в Kj 62 раз уменьшает его .посто нную време.ни. Здесь К - коэффициент усилени первого усилител на посто н .ном и квазипосто нном токе. Это позвол ет в К В| раз (при применении операционных усилителей с однополюсной частотной характеристикой, нашедших наибольшее применение) уменьшить посто нную времени второго операционного усилител по сравнению с прототипом. При этом существенно увеличиваетс быстродействие устройства при переходах из режима ограничени в режим усилител и наоборот. Измен значение и пол рность напр жени источника 12, а также мен пол рности.диодов и стабилитрона ключей 8 и 9, можно производить ограничени двухпол рного сигнала снизу и сверху во всем диапазоне его изменени . Предложенное техническое решение позвол ет использовать его как в режиме дифференциального,, так и в режиме неинвертирующего усилител -ограничител . Предлагаемый дифференциальньй усилитель-ограничитель легко реализуетс на современной элементной базе, в том числе и в интегральном исполнении, не труебует подбора элементов по параметрам и специальньк построек. Таким образом, предлагаемое устройство практически при тех же аппаратурных затратах превосходит прототип в быстродействии.Negative voltage at the output of amplifier 2 opens diode 10 and zener diode 11 of switch 9, through which amplifier 2 is covered by a local feedback loop supporting, at its inverting input, voltage Uj and preventing its saturation. The stabilization voltage of Zener diode 11 is chosen so that Uj, (UQ) - (Un), where UK is the voltage on Zener diode 11 and diode 10, is negative and not less than 2-3 V, so that diode 8 is E closed state. Compared to the prototype, this implementation of switches 8 and 9 gives a significant increase in the accuracy of the device in the field of amplification of the differences in the input voltages, since the zener diode in the voltage region close to the stabilization voltage has a resistance less than the resistance of the closed diode. With negative values of the voltage source of the limitation UQ -2B, the switch 9 is executed without stabilization, as shown in FIG. 4. For the device (Fig. 1), which is the top state limiter, U, O, and UH (and,) - (and,) and is equal to +2, 4-ЗВ. With a positive Up 2B key, it is necessary to perform without a zener diode, as shown in FIG. 3. In FIG. 3 and FIG. 4 shows the circuit of the limiting amplifiers with (FIG. 3) and .i, O (FIG. 4). For the amplifier limiter of FIG. output voltage OUT 2 K where the error When using the proposed amplifier-limiter significantly. The speed increases (the frequency band of the device). B. Unlike the prototype in the proposed amplifier limiter 46, the first amplifier is covered by a negative feedback circuit through a divider implemented on the resistors R and R ,,, which reduces its time constant Kj 62 times. Here K is the gain of the first amplifier at a constant and quasi-constant current. This allows for KV | times (when using optic amplifiers with a single-pole frequency response that have found the greatest use) reduce the time constant of the second opamp compared to the prototype. This significantly increases the speed of the device during transitions from limiting mode to amplifier mode and vice versa. By varying the value and polarity of the voltage source 12, as well as the polarity of the diodes and the zener diode keys 8 and 9, it is possible to limit the two-pole signal from below and from above throughout the entire range of its change. The proposed solution allows it to be used both in the differential mode and in the non-inverting amplifier limiting mode. The proposed differential limiting amplifier is easily implemented on a modern element base, including in the integrated design, it doesn’t work out the selection of elements according to the parameters and special features of the buildings. Thus, the proposed device with almost the same hardware costs surpasses the prototype in speed.

SS

;-ВЩЬ; -AIN

-cz-cz

1one

выyou

LL

SlSl

Claims

Amplifier-limiter, containing the first operational amplifier. the inverting input of which through the first scale resistor is connected to the first input of the limiter amplifier and through the second scale resistor to the output of the operational amplifier, which is the output of the limiter amplifier, the second operational amplifier, between inverting __3 * ---- CZ3 s' ^{and the} main input and output which includes the first key limiting the resistor connected by the first output to the inverting input of the second operational amplifier, the output of which is connected to the first output of the second key, and the voltage limiting source, o connected to the zero potential bus, characterized in that, in order to improve performance and expand the class of tasks to be solved, it contains the third and fourth large-scale resistors connected in series between the second input of the amplifier-organizer and the zero-potential bus, the common output of the third and fourth large-scale resistors is connected to the second terminal of the second switch and the non-inverting input of the first one radio amplifier, the output of which is connected to the second terminal of the limiting resistor, and the other terminal and the voltage limiting source is connected to a non-inverting input of the second operational amplifier.

<5

1— * “League <"> -S.U „up__1124334 A

1 1124334