УПРАВЛЯЕМОЕ ПРЕЦИЗИОННОЕ РЕГЕНЕРАТИВНОЕ ПОРОГОВОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к импульсной электронике и может использоваться во время-импульсных преобразователях и генераторах сигналов.

Известны управляемые регенеративные неинвертирующее и инвертирующее пороговые устройства (патент на полезную модель RU №121409 U1, H03K 3/13, опубл. 20.10.2012 г.), содержащие операционный усилитель с резистивной положительной обратной связью, в цепь которой включен аналоговый коммутатор, управляемый выходным напряжением операционного усилителя и коммутирующий два независимых управляющих напряжения.

Известные неинвертирующий и инвертирующий управляемые пороговые устройства (УПУ) имеют недостатки:

- недостаточная крутизна переднего и заднего фронтов выходных прямоугольных импульсов, что ограничивает точность преобразования время-импульсных преобразователей сигналов, особенно преобразователей двухтактного интегрирования, в которых выходные прямоугольные импульсы порогового устройства подвергаются интегрированию. Непрямоугольность выходных импульсов особенно проявляется в начале переходных процессов переключения всех известных регенеративных неуправляемых и управляемых пороговых устройств из одного устойчивого состояния в другое;

- нестабильность по температуре пороговых напряжений, обусловленная включением в цепь положительной обратной связи полупроводникового элемента - аналогового коммутатора, сопротивления включенных ключей которого нестабильны по температуре и имеют отрицательный коэффициент сопротивления. Поэтому известные УПУ могут использоваться только в условиях почти неизменной температуры окружающей среды и не могут применяться в прецизионной информационно-измерительной электронной аппаратуре специального назначения, к которой предъявляются жесткие требования по термостабильности параметров и характеристик в широком диапазоне температур окружающей среды (например, в авиации и космонавтике, в ресурсодобывающей, нефте- и газоперерабатывающей, энергогенерирующей промышленностях).

Задачей изобретения является расширение возможности применения заявленного УПУ в импульсной электронике, прежде всего в прецизионных время-импульсных преобразователях и генераторах двухтактного интегрирования.

Технический результат - увеличение крутизны фронтов выходных импульсов и повышение температурной стабильности пороговых напряжений управляемого порогового устройства.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в заявленное управляемое регенеративное пороговое устройство, независимо инвертирующее оно или неинвертирующее, содержащее операционный усилитель с резистивной положительной обратной связью, первый аналоговый коммутатор, управляемый выходным напряжением операционного усилителя и коммутирующий два независимых управляющих напряжения, как в известных управляемых регенеративных неинвертрующем и инвертирующем пороговых устройствах, включены второй аналоговый коммутатор, имеющий нормально замкнутый контакт, последовательно с резистором цепи положительной обратной связи, не соединенным с первым коммутатором, и дифференцирующая RC-цепочка, вход и выход которой подключены соответственно к выходу операционного усилителя и управляющему входу второго коммутатора.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 и фиг.2 изображены функциональные схемы заявленных УПУ соответственно неинвертирующего и инвертирующего типа.

Согласно представленным функциональным схемам УПУ включает в себя резисторы 1 (R1) и 2 (R1), образующие положительную обратную связь операционного усилителя (ОУ) 3, аналоговые коммутаторы 4 и 5 с двухполярным управлением и дифференцирующую RC-цепочку 6.

Первый аналоговый коммутатор 4 (предпочтительно МОП-типа) имеет два ключа, работающие в противофазе. Если выходное напряжение ОУ U_вых положительно, то цепь положительной обратной связи будет подключена к управляющему напряжению U₁. Если же выходное напряжение ОУ (и УПУ в целом) U_вых отрицательно, то цепь положительной обратной связи оказывается подключенной к управляющему напряжению U₂. Полярности напряжений U₁ и U₂ значения не имеют.

Второй однотипный аналоговый коммутатор 5 имеет один нормально замкнутый ключ и управляется выходным напряжением дифференцирующей RC-цепочки 6. В статическом состоянии УПУ на выходе дифференцирующей цепочки 6 напряжение dU_вых/dt=0 и ключ коммутатора 5 включен. В течение времени, когда происходит процесс переключения УПУ из одного из двух возможных устойчивых состояний (U_вых>0 или U_вых<0) в другое устойчивое состояние (соответственно U_вых<0 или U_вых>0), на выходе дифференцирующей цепочки 6 появляется импульс положительного или отрицательного напряжения U_Д=dU_вых/dt. Импульсное напряжение U_Д размыкает ключ коммутатора 5, причем, что очень важно, только в течение переходного процесса изменения состояния УПУ.

Так как в течение переходного процесса резисторы 1 (R1) отключаются от цепей положительной обратной связи ОУ, то коэффициенты положительной обратной связи в обеих схемах становятся равными единице. Следовательно, длительность переходных процессов переключения УПУ будет минимально возможной, а крутизна выходных импульсов схемы станет максимально достижимой, ограниченной только параметром используемого типа ОУ - скоростного нарастания выходного напряжения и паразитными емкостями монтажа схемы.

Итак, технический результат - уменьшение длительностей (повышение крутизны) фронтов выходных импульсов УПУ - достигается.

Включение второго коммутатора с нормально замкнутым ключом обеспечивает повышение температурной стабильности пороговых напряжений заявленного УПУ.

В известных УПУ, считающихся прототипами, пороговые напряжения определяются выражениями:

неинвертирующего УПУ и

инвертирующего УПУ.

Если учитывать остаточные сопротивления r включенных полупроводниковых ключей коммутаторов известных УПУ, то выше представленные формулы будут иметь вид:

При неизменной температуре эксплуатации УПУ сопротивления включенных ключей коммутаторов r можно учесть посредством регулировки одного из сопротивлений R₁ или R₂. Если температура изменится на Δt°С, то сопротивления включенных ключей коммутаторов r (например, остаточных сопротивлений индуцированных каналов транзисторов МОП-типа) изменятся на Δr, причем с отрицательным температурным коэффициентом, и пороговые напряжения неинвертирующего и инвертирующего управляемых ПУ изменятся:

Температурная нестабильность пороговых напряжений известного УПУ оценивается относительной погрешностью:

где в реальных схемах R₂/r+1>>Δr/r и (R₁+R₂)/r+1>>Δr/r, поэтому с вполне достаточной точностью:

Из представленных формул следует вывод, что относительное температурное изменение сопротивления r включенных полупроводниковых коммутаторов Δr/r оказывает непосредственное влияние на стабильность пороговых напряжений известных УПУ, причем тем сильнее, чем меньше отношение R₂/r или (R₁+R₂)/r соответственно для неинвертирующего и инвертирующего известных УПУ.

Пороговые напряжения заявленных УПУ с учетом сопротивлений включенных ключей r можно рассчитать по формулам:

где R₁ - сопротивление резисторов 1; R₂ - сопротивление резисторов 2.

Если температура заявляемых УПУ, например, увеличится на Δt°C, то сопротивления включенных ключей r коммутатора 4 уменьшатся на Δr, и пороговые напряжения будут определяться выражениями:

Тогда относительные изменения пороговых напряжений U_{пор.неинв} и U_{пор.инв.} УПУ, вызванные изменением температуры, будут равны:

Разделив числители и знаменатели последних двух выражений на r, получим:

В реальных схемах УПУ всегда выполняются соотношения:

R₂/r+1>>Δr/r и тем более (R₁+R₂)/r+2>>2Δr/r, поэтому с достаточной для практической электроники точностью можно считать, что

Сравнение выражений (1) для известных УПУ с выражениями (2) приводит к выводу: температурная нестабильность заявляемых неинвертирующего и инвертирующего УПУ меньше температурной нестабильности известных УПУ, вызванных термозависимостью остаточных сопротивлений r включенных полупроводниковых ключей, в (R₁+r)/(R₁-R₂) раз.

Более того, из (2) следует, что при R₁=R₂ в заявленных УПУ зависимость сопротивления r включенных ключей коммутатора от температуры никак не будет влиять на термостабильность пороговых напряжений. Равенство R₁=R₂ в реальных схемах УПУ может выполняться с вполне достаточной точностью.

Таким образом, задача повышения температурной стабильности УПУ решается, заявленные УПУ имеют несравнимо более высокую термостабильность пороговых напряжений по сравнению с известными УПУ.

Итак, поставленная задача решается и технический результат достигается - заявленное изобретение позволяет значительно повысить температурную стабильность пороговых напряжений и увеличить крутизну фронтов выходных импульсов управляемых регенеративных пороговых устройств, независимо от того неинвертирующее оно или инвертирующее.