SU1739480A1

SU1739480A1 - Имитатор отрицательной индуктивности

Info

Publication number: SU1739480A1
Application number: SU894772099A
Authority: SU
Inventors: Владимир Лукич Свирид
Original assignee: Минский радиотехнический институт
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1992-06-07

Abstract

Изобретение относитс к радиоэлектронике и может быть использовано дл имитировани отрицательной индуктивности в селективных устройствах микроэлектроники. Цель изобретени - повышение стабильности отрицательной индуктивности. Имитатор отрицательной индуктивности содержит первый 1 и второй 2 операционные усилители , первый 3 и второй 4 конденсаторы, первый 5, второй 6 и третий 7 резисторы Имитатор отрицательного сопротивлени работает на основе конвертора отрицательного сопротивлени , преобразу емкостное сопротивление в отрицательное индуктивное . 1 ил.

Description

Изобретение относится к интегральной микросхемотехнике, предназначено для моделирования отрицательной индуктивности с повышенной точностью и может быть использовано как схемотехнический элемент 5 в селективных устройствах- микроэлектроники, а также в качестве эквивалента мер отрицательных индуктивности и емкости . ;диоизмерительных приборов.

Целью изобретения является повыше- 10 ине стабильности отрицательной индуктивности.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема устройства для моделирования отрицательной индуктивно- 15 и.

Устройство для моделиров »ия отрицательной индуктивности содержит первый операционный усилитель 1, первый 2 и второй 5 резисторы, первый конденсатор 4, 20 третий резистор 3. второй конденсатор 6 и второй операционный усилитель 7.

Первый резистор 2, первый конденсатор 4 и второй резистор 5 соединены последовательно. Инвертирующий вход и выход 25 первого операционного усилителя 1 подключены соответственно к точкам соединения первого конденсатора 4 с первым 2 и вторым 5 резисторами, а его неинвертируюший вход, являющийся входом 9 устройст- 30 аа, соединен со свободным выводом второго резистора 5.

Неинвертирующий вход второго операционного усилителя 7 посредством третьего резистора 3 соединен с выходом первого 35 операционного усилителя 1 и через второй конденсатор 6 соединен с общей шиной 8 устройства, а инвертирующий вход и выход ί торого операционного усилителя 7 соеди, ены со свободным выводом первого рези- 40 стора 2.

Устройство для моделирования отрицательной индуктивности работает следующим образом.

При подключении между входом 9 и об- 45 шей шиной 8 устройства источника сигнала с напряжением U на выходе первого операционного усилителя 1 образуется напряжение U¹. Под влиянием разности напряжений U-U¹, действующей между неинвертирую- 50 щи.м входом и выходом первого операционного усилителя 1, по второму резистору 5 протекает ток I, который совместно с напряжением источника сигнала U определяет полное входное сопротивление, реализуе- 55 мое предлагаемым устройством (исходя из идеальности свойств операционного усилителя, его входная цепь не потребляет тока, из-за обесконечно большого в первом при ближении входного дифференциального сопротивления):

. U _ Rs ¹ ~ϋ где Rs ~ номинальное значение сопротивления второго резистора 5.

Под действием переменного выходного напряжения U¹ первого операционного усилителя 1 через первый конденсатор 4, первый резистор 2 и малое выходное сопротивление Rbux второго операционного усилителя 7 (этот усилитель охвачен стопроцентной параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, и его выходное сопротивление, определяющееся соотношением R_iiUx = R_Bbix / (1+К_О), пренебрежимо мало по сравнению с номинальным значением сопротивления первого резистора 2, где R_Bwx и Ко - выходное сопротивление и коэффициент передачи операционного усилителя без обратной связи - параметры усилителя, реально составляющие сотни Ом и сотни тысяч раз соответственно) протекает переменный ток, который на первом резисторе 2 создает напряжение, в точности равное входному напряжению U (разность напряжений между входами операционного усилителя принимается равной нулю, из-за бесконечно большого в первом приближении коэффициента передачи К_о без обратной связи):·

где R'2 и Си - номинальные значения сопротивления и емкости первого резистора 2 и первого конденсатора 4:

ω- круговая частота источника сигнала. •Отсюда находим искомое соотношение напряжений, представляющее коэффициент передачи первого операционного усилителя 1 с отрицательной обратной связью

(2)

Решая совместно уравнения (1) и (2). получаем соотношение для искомого полного входного сопротивления устройства

Z_BX=-j ω CnR2R5=j ω L₃kb, (3) где l-экв ~ эквивалентная индуктивность, реализуемая между входом 9 и общей шиной устройства;

Lskb=-C4R2R5 (4)

Из выражения (3) следует, что входное сопротивление, реализуемое предложенным устройством, носит отрицательный индуктивный характер и имеет эквивалентную отрицательную индуктивность, определяющуюся соотношением (4). Изменяя номинальные значения величин параметров, входящих в формулу (4), можно в широких пределах регулировать величину реализуемой отрицательной индуктивности.

Переменная составляющая тока, образуемая под влиянием выходного напряжения U¹ первого операционного усилителя 1, проходит также через третий резистор 3 и второй конденсатор 6, образующие фильтр нижних частот, отфильтровывается данным фильтром, не создавая на неинвертирующем входе второго операционного усилителя 7 заметного напряжения (номинальное значение емкости второго конденсатора 6 выбирают намного больше номинального значения емкости первого конденсатора 4 (С6 » С4), а постоянную времени фильтра реализуют намного большей ' периода Т_н= — самого низкочастотного Тн сигнала, поступающего на вход устройства: т= R3· Сб»Т_н, где Рз-номинальное значение сопротивления третьего резистора 3.

Постоянная составляющая напряжения U¹, возможно, появляющаяся на выходе первого операционного усилителя 1 (этот усилитель сам по себе не охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току), беспрепятственно проходит через третий резистор 3 на неинвертирующий вход второго операционного усилителя 7 и с коэффициентом передачи, весьма близким к единице, передается на выход, а затем через первый резистор 2 воздействует на инвертирующий вход первого операционного усилителя 1, охватывая тем самым отрицательной обратной связью по постоянному току предельной глубины оба операционных усилителя 1 и 7, что существенно улучшает стабильность работы устройства в целом.

Изменяя частоту f_c сигнала, подаваемого на вход 9 устройства по отношению к общей шине 8, входной ток I устройства, нагружающий источник сигнала, изменяется в широких пределах от некоторой максимальной величины 1макс до минимальной 1_Мин. Максимальная величина входного тока устройства определяется максимально возможным напряжением на выходе первого операционного усилителя 1 (и_Макс <

ивых.макс, где ивых.макс ~ максимальное выходное напряжение операционного усилителя 1 - параметр усилителя) и минимальным номинальным значением второго резистора 5 (1макс = UMaxc'/Rs) на некоторой самой низкой частоте, few. на которой сопротивление емкости первого конденсатора 4 велико, а сопротивление емкости второго конденсатора 6 еще мало. Частота верхнего среза фильтра нижних частот, образованного третьим резистором 3 и вторым конденсатором 6 определяется из условия .

fnc⁼ ----------< Тен ^ВС 2 7TC₆R3

Минимальное значение входного тока устремляется к нулю (1мин -*0: полное входное сопротивление (1) устремляется в бесконечность) на самой высокой частоте, на которой напряжение U¹ на выходе первого операционного усилителя 1 приближается к входному напряжению U за счет уменьшения сопротивления емкости первого конденсатора 4 и. следовательно, охвата стопроцентной отрицательной обратной связью по переменному току первого операционного усилителя / переводящей последний в режим повторения сигнала с реализацией единичного коэффициента передачи.

Таким образом, диапазон изменения токов стремится к бесконечности /1макс , (η---~*<»), что позволяет спроектировать • мин устройство для моделирования отрицательной индуктивности, изменяющейся в исключительно широком диапазоне.

С уменьшением частоты f_c до нулевых значений (f_c -»0), на которых сопротивление емкости второго конденсатора 6 заметно увеличивается с ухудшением фильтрующего действия, первый 1 и второй 7 операционные усилители охватываются стопроцентной отрицательной обратной связью по переменному току (выходное напряжение U* приближается к входному U), и ток I через второй резистор 5 снижается до нулевого уровня (полное входное сопротивление (1) устремляется в бесконечность).

В этой области нижних частот, когда влияние номинального значения емкости первого конденсатора 4 не сказывается, под действием напряжения U¹ с выхода первого операционного усилителя 1 через третий резистор 3 и второй конденсатор 6.протекает переменный ток, который на втором конденсаторе 6 создает напряжение, в точности соответствующее входному напряжению U (неинвертирующий вход второго операционного усилителя 7 и инвертирующий вход первого операционного усилителя 1 становятся эквипотенциальными):

(^{Кз +} ГаГСб) ^{J ω Сб}

Отсюда отношение напряжений ду = 1 + j (ύ СбИз (5)

Подставляя соотношение (5) в выражение (1). получаем входное сопротивление устройства

-7 _ ^5 __ 1 ff''.

^вх j ω Се Из j ω С_экв ' ^{1 j} где Сэкв ~ эквивалентная емкость, реализуемая между входом 9 и общей шиной 8 устройства

Сэкв⁼-Сб (7)

Rs

Из соотношения (6) видим, что в рассматриваемой области низких частот устройство реализует на своем входе эквивалентную отрицательную емкость, которую можно регулировать, изменяя величины номинальных значений параметров элементов схемы, входящих в выражение (7).

Распоряжаясь соответствующим образом номинальными значениями параметров элементов схемы, можно спроектировать устройство для реализации эквивалентных как отрицательной индуктивности (4), так и отрицательной емкости (7), изменяющихся в широких пределах.

Предлагаемое устройство для моделирования отрицательной индуктивности по сравнению с известным выгодно отличается повышенной точностью моделирования отрицательной индуктивности.

Возможность моделирования высокоточной отрицательной индуктивности на микроэлектронной основе без применения катушки индуктивности как таковой обеспечена благодаря'использованию в устройстве стопроцентной отрицательной обратной связи по постоянному току, позволяющей существенно улучшить стабильность его работы в целом.

Без второго операционного усилителя 7 и фильтра нижних частот, образованного третьим резистором 3 и вторым конденсатором 6, устройство становится практически неработоспособным (погрешность реализации индуктивности стремится к бесконечности) даже в том случае, когда второй вывод первого резистора 2 соединен с общей шиной вследствие неустойчивой работы первого операционного усилителя из-за отсутствия в нем отрицательной обратной связи по постоянному току.

При отсутствии такой связи первый операционный усилитель 1, накапливая заряд в первом конденсаторе 4, образует на своем выходе постоянное напряжение, приближающееся к уровню питающих напряжений, и становится неуправляемым (неработоспособным).

Введенная глубокая отрицательная обратная связь по существу полностью устраняет отмеченный недостаток, и погрешность реализации отрицательной индуктивности и отрицательной емкости с помощью предложенного устройства определяется, в основном,нестабильностью элементов схемы, участвующих в образовании искомых величин в соответствии с выражениями (4) и (7), и может реально составить десятые доли процента.

В связи с этим выигрыш в повышении точности моделирования отрицательной индуктивности с помощью предлагаемого устройства может составлять реально несколько тысяч раз.

Таким образом, предлагаемое устройство по.сравнению с известным обладает высокой эффективностью и позволяет реализовать высокоточную отрицательную индуктивность на микроэлектронной основе. Это устройство, как наиболее эффективное, целесообразно для использования в качестве схемотехнического элемента в различных селективных устройствах микроэлектроники, а также в качестве мер отрицательных индуктивности и емкости радиоизмерительных приборов.

Claims

Формула изобретения

Имитатор отрицательной индуктивности, содержащий первый операционный усилитель, ’ инвертирующий вход которого соединен с первыми выводами первого резистора и первого конденсатора, второй вывод которого соединен с выходом первого операционного усилителя и с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, а также третий резистор, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности отрицательной индуктивности, введены второй операционный усилитель и второй конденсатор, первый вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод соединен с первым выводом третьего резистора и с неинвертирующим входом второго операци- 5 онного усилителя, выход которого соединен с его инвертирующим входом и вторым выводом первого резистора, а второй вывод третьего резистора соединен с выходом первого операционного усилителя, причем его неинвентирующий вход является входом имитатора отрицательной индуктивности.