SU1721526A1 - Линейный преобразователь среднеквадратического значени переменного напр жени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к радиоизмерительной технике. Цель изобретени  - повышение точности преобразовани . Дл  этого в преобразователь введены клемма 9, шунтирующий конденсатор 10 и разв зывающий резистор 11. Точность преобразовани  повышаетс  за счет снижени  погрешностей нелинейности и от вли ни  формы входного напр жени  при высоком входном сопротивлении и более широком диапазоне входных напр жений. Преобразователь содержит также два квадратора 1/2, интегрирующий усилитель 3. генератор 4 импульсов, амплитудный модул тор 5, выходную и входную клеммы 6,7. 1 ил/

Description

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в точных аналоговых системах, например вольтметрах среднеквадратического значения (СКЗ) переменного напряжения произвольной формы.

Известен линейный преобразователь СКЗ переменного напряжения (далее - преобразователь), содержащий два квадратора, выполненных на полевых транзисторах, у которых затвор соединен с истоком, подключенным через соответствующий конденсатор к шине нулевого -потенциала, усилитель постоянного тока, выход которого соединен с выходной клеммой преобразователя, один из входов подключен к истоку транзистора первого квадратора, связанного по стоку с входной клеммой преобразователя, а другой вход - к истоку транзистора второго квадратора, модулятор, сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя постоянного тока, а выход к истоку транзистора второго квадратора, генератор импульсов, выход которого подключен к управляющему входу модулятора.

Недостатком данного преобразователя является невысокая точность, обусловленная большим уровнем шумов на выходе преобразователя, квадратичностью реальных квадраторов и наличием методической погрешности.

Кроме того, из-за наличия двух постоян-. ных времени в петле обратной связи возможна потеря устойчивости.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является преобразователь, содержащий два квадратора, выполненных на полевых транзисторах с управляющим р -- η переходом, у которых исток соединен с затвором, интегрирующий усилитель постоянного тока, генератор импульсов, модулятор, причем выход упомянутого усилителя соединен с выходной клеммой преобразователя, неинвертирующий вход - с истоком транзистора первого квадратора, связанного по стоку с входной клеммой преобразователя, и со стоком транзистора второго квадратора, исток которого соединен с выходом модулятора, сигнальный вход которого соединен с выходной клеммой преобразователя, управляющий вход - с выходом генератора импульсов.

ι Недостатком известного преобразователя является невысокая точность, обусловленная неидентичностью показателей степени гы, пг функций преобразования первого и второго квадраторов соответственно, а также отклонением Δη показателей степени m и пг от идеального значения, равного двум.

Погрешность квадратора, реагирующего на мгновенные значения напряжений (каким является квадратор на полевом транзисторе), зависит не только от коэффициента амплитуды (К_а), отклонения Δη, но и от вида функции, описывающей кривую напряжения. Для исключения указанных составляющих погрешности необходимо обеспечить пг= пг = 2, т.е. Δ η = 0.

Большинство исследованных полевых транзисторов в диодном включении (как и у прототипа) имеют показатели ni и пг, отличающиеся между собой и от значения, равного двум, на несколько сотых, что обуславливает погрешность нелинейности и от влияния формы напряжения, достигающую единиц процентов.

Цель изобретения - повышение точности преобразования.

При этом одновременно повышается входное сопротивление преобразователя и расширяется диапазон СКЗ преобразуемых напряжений.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь, содержащий два квадратора, выполненных на полевых транзисторах с управляющим р - η переходом, интегрирующий усилитель постоянного тока, генератор импульсов, модулятор, причем выход упомянутого усилителя соединен с выходной клеммой преобразователя, неинвертирующий вход - с шиной нулевого потенциала, инвертирующий вход - с истоком транзистора первого квадратора, сток которого соединен с входной клеммой преобразователя, сигнальный вход модулятора соединен с выходной клеммой преобразователя, а управляющий вход - с выходом генератора импульсов, введены клемма, соединенная с затвором транзистора первого квадратора, на которую подано напряжение смещения запирающей полярности, конденсатор емкостью С, включенный между затвором и стоком транзистора второго квадратора, и резистор сопротивлением R. включенный между затворами транзисторов первого и второго квадраторов, причем значение упомянутого напряжения смещения не превышает значений напряжений отсечки транзисторов, а параметры С, R и частота f импульсов упомянутого генератора связаны соотношением 2 πί R С » 1.

.Кроме того, истоки транзисторов соединены между собой, а сток транзистора второго квадратора - с сигнальным выходом модулятора.

На чертеже представлена структурная схема предложенного преобразователя.

Преобразователь содержит первый 1 и второй 2 квадраторы, выполненные на полевых транзисторах с управляющим р - η переходом, интегрирующий усилитель 3, генератор 4 импульсов, выход которого соединен с управляющим входом модулятора 5, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя 3 и выходной клеммой 6 преобразователя, а сигнальный выход - со стоком транзистора квадратора 2. Входная клемма 7 преобразователя соединена со стоком транзистора квадратора 1. а соединенные между собой истоки транзисторов подключены к инвертирующему входу усилителя 3, неинвертирующий вход которого соединен с шиной 8 нулевого потенциала. Кроме того, устройство содержит клемму 9, соединенною с затвором транзистора квадратора 1, между которой и шиной 8 нулевого потенциала приложено упомянутое напряжение смещения, конденсатор 10, включенный между затвором и стоком транзистора квадратора 2, и резистор 11, включенный между затворами упомянутых транзисторов. Модулятор 5 может быть выполнен в виде, электронного ключа, управляемого генератором .4 прямоугольных импульсов типа меандр.

Преобразователь работает следующим образом.

Поскольку потенциал инвертирующего входа усилителя 3 близок к нулю, то напряжение смещения оказывается' приложенным к управляющему переходу затвор-исток транзисторов квадратора 1 непосредственно, а транзистора квадратора 2 через резистор 11. При соблюдении соотношения 2 πί R С » 1 конденсатор 10 шунтирует по переменному току переход сток-затвор транзистора квадратора 2, а резистор 11 осуществляет развязку между затворами транзисторов, не препятствуя при этом передаче постоянного смещения на затвор транзистора квадратора 2 (обратный ток р - η перехода мал). Полярности квадратичных составляющих выходных токов квадраторов противоположньц что необходимо для правильной работы преобразователя. В усилителе 3 резистор - в обратной связи, что уменьшает погрешность статизма преобразователя.

Постоянная составляющая Е выходного напряжения преобразователя связана с СКЗ U входного напряжения следующим соотношением:

Ε = κύ(Λ + <5), где К - коэффициент пропорциональности;

(5 - погрешность преобразования.

Погрешность определяется неквадратичностью вольт-амперных характеристик (ВАХ) полевых транзисторов. Исследуем выражение, описывающее ВАХ в крутой области (до насыщения)

Jc = Ιο [-3 - 2 (\^з/2 +

Vo \ Vo / + 2 0) где J_c - ток стока;

1о - ток отсечки канала;

Uc - напряжение сток-исток;

- контактная разность потенциалов на переходе (барьерный потенциал);

U₃ - напряжение затвор-исток;

V_o = Uo + φ* ~ полное напряжение отсеч-ки; ·

Uo - напряжение отсечки.

Введя нормированные величины 1_с = ρί ^Uc V0^,Ua Vo’ где V₃ = U₃ + φ*, формулу (1) можно представить в виде lc = - 3 U_c - 2 (U₃ - Uc)³'² + 2 U^3/2. (2)

Разложив (2) в ряд по степеням Uc, используя при этом для члена в круглых скобках формулу бинома Ньютона, получим |_с = -з и_с + з и J'² Uc - |u;^1/2 Uc -1 Us³'² Uc - — Uj⁵'²· Uc + Z, (3) где Z - остаток ряда.

Разложение(3)справедливо при Uc<U₃, что, как правило, выполняется на практике. Ограничимся суммой ряда до четвертой степени Uc включительно. Остаток Z при этом не превышает 0,024 U> Uc. При U₃ > 0.5. Uc < 0,1 относительная ошибка аппроксимации не превышает 0,004%.

Усредняя_по времени указанную частичную сумму ряда (3) и полагая при этом, что входное напряжение U_BX (t) = U_c (t) периодическое с нулевой постоянной составляющей, после перехода к ненормированным величинам получим

Jc = Io (a U² + b U$. (4) гдеа = -|и;¹'² v;³'²;

Т 4 1

U_B = (— / U_c (t) dt) ' - биквадратичеT 0 ское значение напряжения,.

Представим в (4) U_B = Κψ ϋ⁴, где Κψ коэффициент, однозначно определяемый формой напряжения,получим

Jc = a Ιο и² (1 + у). (5) где y= U⁵~0,06 К_ф v;² U² - погретэ ность квадрирования.

Из (5) следует, что при увеличении IU₃1 погрешность/уменьшается, что равносильно п-+2 при степенной аппроксимации ВАХ полевого транзистора.

Погрешность (<3_Нл) нелинейности и погрешности (<3ф) от влияния формы напряжения (являющиеся основными составляющими погрешности преобразования) можно определить по следующим формулам:

<5нл (м ~γζ) «0,03 О² (Κφΐ/νίι - Кф2/Уз2): (6) <5ф «-^ (/1 ~ У1г) ~ 0,03 (Кф - Кфг) х х и²/у’з1, (7) где/1, уг. и /и-погрешность первого, второго квадраторов и погрешность первого квадратора при градуировочной форме сигнала соответственно:

Кф1, Кф2 и Кф_Г~ коэффициенты, определяемые соотношением входного напряжения преобразователя, выходного напряжения модулятора и градуировочного напряжения соответственно:

V₃1, V₃₂ - полное напряжение затвор-исток первого и второго квадраторов.

Например, при синусоидальном градуировочном напряжении (Кф = 1,5) и входном напряжении,представляющем собой после-, довательность прямоугольных импульсов с Ка-ЮГКф-Й-.ЮО), ' дф «Л uWi.

у~Ап, тогда при степенной аппроксимации функций преобразования квадраторов погрешности <5_Нл ~ Гц - п₂ И <5ф ~ А п. Следовательно, при повышении I Us I уменьшается отклонением η от по = 2, что свидетельствует о повышении квадратичное™ квадраторов и, как следствие, повышении точности преобразователя.

Входное сопротивление (Rex) преобразователя с открытым входом определяется сопротивлением канала транзистора квадратора 1 по формуле (6) . R_BX = Ro/(1- VU); (8) .где Ro “ начальное сопротивление канала.

Из (8) следует, что при.увеличении U₃ = = (U₃ +Y0/(Uo + (ft) увеличивается и R_Bx.

Максимальный симметричный (относительно Uc = 0) диапазон преобразуемых напряжений (Um) можно оценить по формуле (7)

Um - 0,5 I Uo I + 0,3: (9)· v = U₃/U₀ = 0,5 - 0,3/ iUol, (10) где U₃ и Uo выражены в вольтах;

Для диодного включения транзисторов (каку прототипа) v = 0. При этом U_M = 0,6 В. Из формулы (9) следует, что при использовании транзистора, имеющего U_o > 0,6 В, возможно расширение диапазона входных напряжений. Например, при U_o= 1,8 В U_M = = 1,2 В, что достигается при U₃ = 0,6 В. Как показали исследования различных типов транзисторов в качестве квадраторов, чувствительность последних при изменении смещения на управляющем переходе изменяется незначительно (менее 5%). Поэтому в данном случае происходит расширение диапазона по уровню СКЗ или увеличение максимально допускаемого значения Ка без ухудшения соотношения сигнал/шум (в приведенном примере - в 2 раза).

При постановке в (1) U₃ = U_c члены разложения с четными степенями изменяют полярность на противоположную.

Исследуемая выборка полевых транзи•сторов содержала транзисторы различных типов, лет выпуска, различные по технологии изготовления. На всех транзисторах партии отмечено повышение квадратичности при увеличении v. Для большинства транзисторов удавалось получить значение η = 2 с точностью до случайной составляющей погрешности и погрешности измерительных приборов. Измерение η можно проводить, например, по способу формулы (8).

Практически все полевые транзисторы имеют η > 2. При некотором значении ν₀ возможно достижение η = 2. Если продолжать увеличивать V, то η становится менее двух, что не вытекает из общей теории. Ποвидимому, в этом случае сказывается влияние поперечного и продольного электрических полей, которые определяются напряжением V₃ и конструктивно-технологическими параметрами транзистора.

, Например, при использовании неподобранных по параметрам полевыхтранзисторовтипа КП103Л (Uoi = 2,98 В; Uo2==2,36 В) и при v = 0 максимальная погрешность нелинейности достигает 12% (в диапазоне 100 300 В). При U₃1 = 0,94 В, и_з2 =? 0,79 В указанная погрешность не превышает 0,2%, т.е. · уменьшается в 60 раз. При использовании согласованной пары КПС104 на практике удается снизить погрешность на порядок (до сотых долей процента).

Предложенный преобразователь по сравнению с известным имеет меньшие погрешности нелинейности и от влияния формы напряжения, большее входное сопротивление и диапазон преобразуемых напряжений.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Линейный преобразователь среднеквадратического значения переменного напряжения, содержащий два квадратора, выполненных на полевых транзисторах суп- 5 равняющим р - п переходом, интегрирующий усилитель, генератор импульсов, модулятор, причем выход интегрирующего усилителя соединен с выходной клеммой преобразователя, неинвертирующий входс шиной нулевого потенциала, инвертирующий вход - с истоком транзистора первого квадратора, сток которого соединен с входной клеммой преобразователя, сигнальный вход модулятора соединен с выходной клеммой преобразователя, а управляющий вход соединен с выходом генератора импульсов, отличаю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, дополнительно введены третья клемма, конденсатор, резистор, причем затвор транзистора первого квадратора соединен с третьей клеммой, сток транзистора второго квадратора соединен с сигнальным выходом модулятора, а исток соединен с истоком транзистора первого квадратора, выводы конденсатора соединены соответственно с 10 затвором и стоком транзистора второго квадратора, выводы резистора соединены соответственно с затворами транзисторов первого и второго квадраторов, причем частота импульсов f генератора определяется 15 соотношением 2 π f R С » 1, где С - емкость конденсатора;

   R - сопротивление резистора.