SU1716571A1 - Устройство выборки-хранени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к радиотехнике и может использоватьс  дл  формировани  выборочных значений входного колебани  и их запоминани  при аналого-цифровом преобразовании . Цель изобретени  - расшире ние динамического диапазона при дискретизации высокочастотных колебаний. Устройство содержит два преобразовател  напр жени  в ток, первый ключевой элемент на диодах, накопительный элемент на конденсаторе, четыре источника тока, буферный усилитель, второй ключевой элемент . Переменна  составл юща  выходного тока преобразователей напр жени  в ток пропорциональна входному напр жению устройства. В режиме выборки первый и второй источники тока отключены и первый ключевой элемент соедин ет выходы преобразователей напр жени  в ток с накопительным элементом, который зар жаетс  разностью выходных токов данных преобразователей . Получаемый отсчет напр жени  на накопительном элементе пропорционален интегралу от входного напр жени  на интервале выборки. В режиме хранени  первый и второй источники тока включены, их выходные токи компенсируют выходные токи преобразователей напр жени  в ток, и первый ключевой элемент размыкает цепь зар да накопительного элемента .Перед очередной выборкой производитс  разр д накопительного элемента на конденсаторе с помощью второго ключевого элемента. 1 з.п.ф-лы, 1 ил. чл с

Description

Изобретение относитс  к радиотехнике и может использоватьс  дл  формировани  выборочных значений входного колебани  и их запоминани  при аналого-цифровом преобразований .

Известны интегрирующие устройства выборки и хранени  (аналоговые запоминающие устройства), содержащие интегратор, ключи, коммутаторы, инверторы, блок управлени . В данных устройствах выборки и хранени  производ тс  интегрирование входного колебани  на интервале стробирр- вани , хранение результата интегрировани  в промежутках между стробирующими импульсами и сброс результата интегрировани  перед очередной выборкой.

Недостатком этих устройств  вл етс  то, что из-за относительно низкого быстродействи  стробирующего ключа в них велика апертурна  неопределенность моментов начала и окончани  интервала стробирова- ни , котора  приводит к росту нелинейных искажений и уровн  шумов в устройстве выборки и хранени  и, следовательно, ограничивает динамический диапазон устройства

ч

ON

(Я Ч

при дискретизации высокочастотных колебаний .

Известны след щие устройства выборки и хранени , содержащие источники тока, диодный мостовой ключ, накопительный элемент на конденсаторе, блок управлени . В данных устройствах на интервале стробиро- вани  происходит зар д конденсатора в цепи с малой посто нной времени до напр жени  входного колебани  и хранение этого напр жени  до следующего стро- бирующего импульса.

Наиболее близким по структуре  вл етс  устройство выборки и хранени , содержащее диодный мостовой ключ, накопительный элемент на конденсаторе, повторитель напр жени , два ключа, четыре источника тока, блок управлени  и два источника опорного напр жени .

Недостатком данного устройства выборки и хранени , как и у других известных след щих устройств выборки и хранени ,  вл етс  малый динамический диапазон.

Нижн   граница динамического диапазона определ етс  собственными шумами устройства, а верхн   - нелинейными искажени ми колебани  в нем. Мала  величина динамического диапазона известных устройств обусловлена следующими причинами . Во-первых, сопротивление диодного мостового ключа зависит от тока, протекающего через него, т.е. от тока зар да накопительного элемента на конденсаторе. Следовательно, коэффициент передачи RC-цепи, образованный сопротивлением ключа и емкостью накопительного элемента , также зависит от тока зар да, что приводит к нелинейным искажени м отсчетов входного колебани . Во-вторых, реальный момент размыкани  ключа определ етс  не только моментом поступлени  стробирую- щего импульса, но и уровнем входного колебани . В результате возникает апертурна  неопределенность, котора  приводит к нелинейным искажени м. В-третьих, при дискретизации высокочастотных колебаний требуетс  большой ток зар да накопительного элемента, что повышает уровень нелинейных искажений, обусловленных нелинейност ми диодного мостового ключа и входного усилител , включенного перед ключом. В-четвертых, из-за широкой полосы пропускани  данных устройств внешние помехи и широкополосные шумы, действующие на его входе, вызывают дополнительную аддитивную погрешность формировани  отсчета . .

Цель изобретени  - расширение динамического диапазона при дискретизации высокочастотных колебаний.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство выборки и хранени , содержащее буферный усилитель, с первого по четвертый источники тока, первый ключевой элемент на диодах и второй ключевой элемент, накопительный элемент на конденсаторе , первый вывод которого подключен к объединенным информационному выходу первого ключевого элемента, инфор0 мационному входу второго ключевого элемента и входу буферного усилител , выход которого  вл етс  информационным выходом устройства, первый и второй входы управлени  первого ключевого элемента

5 подключены соответственно к выходам первого и второго источников тока, управл ющие входы которых объединены с соответствующими выходами третьего и четвертого источников тока и подключены

0 соответственно к первой и второй шинам питани  устройства, управл ющие входы третьего и четвертого источников тока объединены , информационный вход четвертого источника тока  вл етс  входом

5 стробировани  устройства, управл ющий вход второго ключевого элемента  вл етс  входом сброса устройства, анод первого и катод второго диодов первого ключевого элемента объединены и  вл ютс  информа0 ционным входом первого ключевого элемента , катод первого и анод второго диодов первого ключевого элемента подключены соответственно к его первому и второму управл ющим входам, введены первый и вто5 рой преобразователи напр жени  в ток, первые входы питани  которых подключены соответственно к первой и второй шинам питани  устройства, а их вторые входы питани  подключены соответственно к

0 третьей и четвертой шинам питани  устройства . Информационные входы обоих преобразователей напр жени  в ток объединены и  вл ютс  информационным входом устройства , выходы первого и второго преобра5 зователей напр жени  в ток подключены соответственно к первому и второму управл ющим входам первого ключевого элемента , информационный вход которого подключен к шине нулевого потенциала ус0 тройства. Второй вывод конденсатора нако- пительного элемента объединен с информационным выходом второго ключевого элемента и подключен к информационному выходу устройства. Катод первого и

5 анод третьего диодов первого ключевого элемента объединены, анод второго и катод четвертого диодов первого ключевого элемента объединены, катод третьего и анод четвертого диодов первого ключевого элемента объединены и подключены к информационному выходу первого ключевого элемента .

При этом первый и второй преобразователи напр жени  в ток идентичны по структуре , но отличаютс  пол рностью питающих напр жений и проводимостью соответствующих транзисторов, и каждый преобразователь напр жени  в ток содержит дифференциальный усилитель, токозадаю- щий элемент на резисторе и два идентичных источника тока, причем инвертирующий вход дифференциального усилител   вл етс  информационным входом преобразовател  напр жени  в ток, а неинвертирующий соединен с выходом первого управл емого источника тока и первым выводом резистора токозадающего элемента, второй вывод которого подключен к соответствующей (третьей и четвертой) шинам питани  устройства , выход дифференциального усилител  подключен к информационным входам первого и второго управл емых источников тока,выход второго управл емого источника тока  вл етс  соответствующим выходом преобразовател  напр жени  в ток.

На чертеже изображена функциональна  схема устройства выборки и хранени .

Устройство выборки и хранени  содержит два преобразовател  1 и 2 напр жени  в ток, первый ключевой элемент 3 на диодах 4-7, четыре источника 8-11 тока, буферный усилитель 12, накопительный элемент 13 на конденсаторе, второй ключевой элемент 14. При этом преобразователи 1 и 2 напр жени  в ток идентичны по структуре, но отличаютс  пол рностью питающих напр жений и проводимостью соответствующих транзисторов, и каждый преобт разователь напр жени  в ток содержит дифференциальный усилитель 15, два иден- .тичных источника 16 и 17 тока, токозадаю- щий резистор 18.

Устройство выборки и хранени  работает следующим образом.

Дискретизируемое колебание U(t) пси- ступает одновременно на входы преобразователей 1 и 2 напр жени  в ток. Входом преобразовател  1 напр жени  в ток  вл етс  инвертирующий вход дифференциального усилител  15, на неинвертирующий вход которого подаетс  напр жение Uoc(t) отрицательной обратной св зи, образующеес  на первом выводе токозадающего резистора 18. Цепь отрицательной обратной св зи замкнута через управл емый источник 16тока, который преобразует выходное напр жение дифференциального усилител  15 в ток h(t). Этот ток протекает через токо- задающий резистор 18. За счет большой величины общего коэффициента усилени 

по напр жению и току дифференциального усилител  15 и управл емого источника 16 тока, который нагружен на токозадающий резистор 18, и действию отрицательной об- 5 ратной св зи напр жение U0c(t) практически совпадает с U(t), а ток, втекающий в неинвертирующий вход дифференциального усилител  15, пренебрежимо мал по сравнению с током h(t). Поэтому h(t)Uoc(t)+

0f U(t)+ lo-ь U(t)/R, где Un2- напр жение питани , к которому подключен второй вывод токозадающего резистора 18 с сопротивлением R; l0 Un2/R - выходной ток преобразовател  1 напр жени  в ток

5 при нулевом напр жении на его входе.

Поскольку второй управл емый источник 17 тока полностью идентичен первому управл емому источнику 16 тока, и их входы объединены, выходные токи обоих источни0 ков совпадают и равны li(t).

Таким образом, с выхода второго управл емого источника 17 тока,  вл ющегос  одновременно выходом лервого преобразовател  1 напр жени  в ток, на

5 стробирующйй ключ поступает ток li(t)i0+U (t) / R.

Второй преобразователь 2 напр жени  в ток отличаетс  от первого преобразовател  1 только противоположными проводимо0 ст ми соответствующих транзисторов и пол рност ми питающих напр жений, Поэтому его выходной ток i2(t)-io+U (t)/R.

Питание устройства от двух бипол рных источников напр женийШпТ ntUn2 по5 звол ет путем подбора напр жени  питани  1)п2 в широких пределах измен ть сопротивление R токозадающего резистора 18, обеспечива  при этом необходимый коэффициент 1/R преобразовани  преобразо0 вателей 1 и 2 напр жени  в ток при выбранном токе i0 Un2/R. Значение 1о должно выбиратьс  большим, чем абсолютное значение (U(t)/R|переменной составл ющей токов ii(t) и i2(t). Это необходимо дл  пред5 отвращени  полного запирани  преобразователей 1 и 2 напр жени  в ток.

Токи ii(t) и i2(t) подаютс  на первый ключевой элемент 3 на диодах. В режиме выборки (на интервале стробировани ) ключевой

0 элемент 3 замкнут. Замыкание ключевого элемента 3 происходит при подаче на вход Строб устройства логической единицы ТТЛ-уровн , в результате чего источники 10 и 11 тока наход тс  во включенном состо 5 нии (образующие их транзисторы открыты), а источники 8 и 9 тока - в выключенном состо нии (транзисторы, выполн ющие их функцию, закрыты). Это приводит к открытию третьего 6 и четвертого 7 диодов ключевого з-лемента 3, через которые протекают

выходные токи h(t) и l2(t) преобразователей 1 и 2 напр жени  в ток. В точке соединени  катода диода 6, анода диода 7, первой обкладки накопительного элемента 13 и входа буферного усилител  12 с очень высоким входным сопротивлением токи li(t) и la(t) суммируютс , поэтому ток зар да накопительного элемента 13 равен

l3(t)ii(t)+l2(t)2U(t)/R.

Первый 4 и второй 5 диоды в режиме выборки закрыты и на ток зар да накопительного элемента 13 не вли ют.

К моменту t2 окончани  интервала стро- бировани  напр жение на накопительном элементе 13 составл ет .,.itif

UC--C-/J i3(t)(t)dt, t,. -t,

где С - емкость накопительного элемента

13;

ti - момент начала интервала стробиро- вани ,

При ограниченной скорости изменени  U(t) напр жение Uc пропорционально мгновенному значению U(t) в середине интервала стробировани , т.е.  вл етс  отсчетом напр жени  в этот момент.

Буферный усилитель 12 имеет большой по модулю отрицательный коэффициент передачи , поэтому как в режиме выборки, так и в режиме хранени  напр жение на входе буферного усилител  12 поддерживаетс  близким к нулю. В результате выходное напр жение устройства выборки и хранени  практически совпадает с равным отсчету входного колебани  напр жением Uc на накопительном элементе 13.

При переходе в режим хранени  на вход Строб устройства подаетс  ТТЛ-уровень логического нул . Источники 10 и 11 тока выключаютс  (закрываютс  транзисторы, выполн ющие функцию источников 10 и 11 тока), а источники 8 и 9 тока включаютс  (образующие их транзисторы открываютс ). Выходные токи источников 8 и 9 тока противоположны по знаку выходным токам преобразователей 1 и 2 напр жени  в ток соответственно и больше их максимально возможных значений. Поэтому выходной ток источника 8 тока полностью компенсирует выходной ток преобразовател  1 напр жени  в ток, а выходной ток источника 9 тока - выходной ток преобразовател  2 напр жени  в ток. В результате диоды б и 7 ключевого элемента 3 закрываютс , а диоды 4 и 5 открываютс  и пропускают на общую шину Земл  избыточные токи, равные разности выходных токов источников 8 и 9 тока

и преобразователей 1 и 2 напр жени  в ток соответственно.

Таким образом, путем закрыти  диодов 6 и 7 ключевого элемента 3 полностью размыкаетс  цепь зар да накопительного элемента 13, Буферный усилитель 12 имеет большое входное сопротивление, которое преп тствует разр ду накопительного элемента 13 через входную цепь буферного

0 усилител  12. Поэтому в течение всего интервала хранени  отсчета напр жение на выходе устройства выборки и хранени  равно отсчету входного колебани  U(t).

Перед очередной выборкой на второй

5 ключевой элемент 14 подаетс  импульс Сброс. Ключевой элемент 14 замыкаетс , и через него осуществл етс  разр д накопительного элемента 13, напр жение на котором к концу импульса Сброс становитс 

0 равным нулю.

Сброс значени  предыдущего отсчета перед каждой новой выборкой необходим дл  обеспечени  устойчивости устройства выборки и хранени .

5 Предлагаемое устройство имеет больший динамический диапазон, чем известные устройства, при дискретизации высокочастотных колебаний благодар  следующим факторам.

0 Во-первых, в известном устройстве, как и во всех след щих УВХ, величина тока зар да накопительного элемента больше, чем в предлагаемом устройстве. Следовательно, в известном устройстве выше уровень нели5 нейных искажений, который определ етс  нелинейностью ключевого элемента и усилител , включаемого на входе устройства выборки и хранени .

Во-вторых, за счет большого выходного

0 сопротивлени  преобразователей 1 и 2 напр жени  в ток, которое многократно превышает сопротивление открытых диодов первого ключевого элемента 3, ток зар да накопительного элемента 13 не зависит от

5 сопротивлени  ключевого элемента 3 и, следовательно , его нелинейности в режиме выборки .

В-третьих, в данном устройстве перепад управл ющего напр жени  на первом

0 ключевом элементе при переходе из режима хранени  в режим выборки и обратно равен 0,6 - 0,8 В - удвоенному падению напр жений на открытом диоде, в то врем  как в известном устройстве перепад управ5 л ющего напр жени  на диодном мостовом ключе должен быть больше максимальной амплитуды входного колебани . Следовательно , в данном устройстве дл  перезар да выходных емкостей источников тока и паразитных емкостей диодов первого ключевого элемента потребуетс  меньше времени , чем в известном устройстве. Уменьшение времени переключени  позвол ет снизить апертурную неопределенное , за счет чего уменьшаютс  уровни шума и нели- нейных искажений, возникающих за счет апертурной неопределенности. В результате расшир етс  динамический диапазон предлагаемого устройства при дискретизации высокочастотных колебаний.

В-четвертых, устройство имеет амплитудно-частотную характеристику вида синус-импульса , что обеспечивает подавление спектральных составл ющих широкополосных шумов и помех, действующих на входе устройства, частоты которых превышают верхнюю частоту спектра полезного колебани . Применение в устройстве ключевого элемента на диоде, в котором можно использовать диоды Шоттки, не накапливаю- щие зар д и имеющие малое врем  переключени , позвол ет существенно повысить быстродействие ключевого элемента по сравнению с ключами известных интегрирующих устройств выборки и хране- ни , и, следовательно, расширить динамический диапазон устройства. ,

За счет, всех перечисленных факторов динамический диапазон устройства выборки и хранени  при дискретизации колеба ний с частотами до 10 МГц, как показали экспериментальные исследовани , в среднем на 15-20 дБ выше динамического диапазона известных устройств.

Claims (2)

1. Устройство выборки-хранени , содержащее буферный усилитель, первый, второй, третий и четвертый источники тока, первый ключевой элемент на диодах и втск рой ключевой элемент, накопительный эле- мент на конденсаторе, первый вывод которого подключен к объединенным информационному выходу первого ключевого элемента, информационному входу второго ключевого элемента и входу буферного уси- лител , выход которого  вл етс  информационным выходом устройства, первый и второй входы управлени  первого ключевого элемента подключены соответственно к выходам первого и второго источников тока, управл ющие входы которых объединены с соответствующими выходами третьего и четвертого источников тока и подключены соответственно к первой и второй шинам питани  устройства, управл ющие входы третьего и четвертого источников тока объединены , информационный вход четвертого источника тока  вл етс  входом стробиро- вани  устройства, управл ющий вход второго ключевого элемента  вл етс  входом

сброса устройства, анод первого и катод второго диодов первого ключевого элемента объединены и  вл ютс  информационным входом первого ключевого элемента, катод первого и анод второго диодов первого ключевого элемента подключены соответственно к его первому и второму управл ющим входам, отличающеес  тем, что, с. целью расширени  динамического диапазона при дискретизации высокочастотных колебаний, в него введены первый и второй преобразователи напр жени  в ток, первые входы питани  которых подключены соответственно к первой и второй шинам питани  устройства, а их вторые входы питани  подключены соответственно к третьей и четвертой шинам питани  устройства, информационные входы обоих преобразователей напр жени  в ток объединены и  вл ютс  информационнымвходом устройства, выходы первого и второго преобразователей напр жени  в ток подключены соответственно к первому и второму управл ющим входам первого ключевого элемента, информационный вход которого подключен к шине нулевого потенциала устройства, второй вывод конденсатора накопительного элемента объединен с информационным выходом второго ключевого элемента и подключен к информационному выходу устройства, катод первого и анод третьего .диодов первого ключевого элемента объединены, анод второго и катод четвертого диодов первого ключевого элемента объединены,катод третьего и анод четвертого диодов первого ключевого элемента объединены и подключены к информационному выходу первого ключевого элемента.

2. Устройство по п,1,отличающеес  тем, что первый и второй преобразователи напр жени  в ток идентичны по структуре , но отличаютс  пол рностью питающих напр жений и проводимостью соответствующих транзисторов и каждый преобразователь напр жени  в ток содержит дифференциальный усилитель, токозадающий элемент на резисторе и два идентичных управл емых источника тока, причем инвертирующий вход дифференциального усилител   вл етс  информационным входом преобразовател  напр жени  в ток, а неинвертирующий соединен с выходом первого управл емого источника тока и первым выводом резистора токазадающего элемента, второй вывод которого подключен к соответствующей третьей или четвертой шине питани  устройства , выход дифференциального усилител  подключен к информационным входам

первого и второго управл емых источников тока  вл етс  соответствующим выходом тока, вход второго управл емого источника преобразовател  напр жени  в ток.

Сирое

Них.