Результат интеллектуальной деятельности: АНАЛОГОВЫЙ ИНТЕГРАТОР

Изобретение относится к промышленной электронике, аналого-цифровой технике и схемотехнике. Оно, в частности, может быть использовано для интегрирования аналоговых электрических напряжений, изменяющихся во времени.

Известна схема интегратора (Опадчий Ю.Ф., Глудкин Ю.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003, с.306, рис. 2.18, а), содержащего операционный усилитель, резистор и конденсатор, неинвертирующий вход операционного усилителя заземлен, один из выводов резистора соединен с его инвертирующим входом, а другой вывод образует вход схемы интегратора относительно «земли», конденсатор включен между инвертирующим входом операционного усилителя и его выходом, этот выход также образует выход схемы интегратора относительно «земли».

Недостатком его является ограниченная точность интегрирования. Идеального преобразования электрических сигналов, в том числе идеального интегрирования, как правило, не бывает. Погрешность операции интегрирования ограничивает точность интегрирования. Эта погрешность зависит от эквивалентной постоянной времени интегрирования

где R и С - сопротивление и емкость интегратора, K - коэффициент усиления операционного усилителя (справочный параметр). В частности, при воздействии на вход интегратора чередующихся перепадов напряжения положительной и отрицательной полярности с плоскими вершинами между перепадами на выходе получаются чередующиеся возрастания и убывания напряжений по закону, близкому к линейному. Например, в интервале времени возрастания выходного напряжения коэффициент нелинейности определяется известным выражением

В данном случае этот коэффициент является относительной погрешностью интегрирования. Для обеспечения малой погрешности интегрирования (2) значение эквивалентной времени (1) следует выбирать большим во многом за счет увеличения коэффициента усиления K операционного усилителя. Значение K является ограниченным и соответствует современным уровням схемотехники и технологии изготовления изделий микроэлектроники. Ограниченное значение K ограничивает эквивалентную постоянную времени (1) и ограничивает повышение точности интегрирования. Имеется потребность в повышении точности интегрирования электрических сигналов.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является выбранная в качестве прототипа схема интегратора на операционном усилителе (Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высшая школа, 2004, стр.454, рис. 6.16, а), содержащего операционный усилитель, два резистора и конденсатор, один из выводов первого резистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, другой вывод его образует вход интегратора относительно общей шины, второй резистор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и общий шиной, конденсатор включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, также этот выход образует выход схемы интегратора относительно общей шины.

Недостатком ее является ограниченная точность интегрирования, определяющаяся погрешностью операции интегрирования.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении погрешности интегрирования.

Это достигается тем, что в аналоговом интеграторе, содержащем операционный усилитель, два резистора и конденсатор, один из выводов первого резистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, другой его вывод образует вход аналогового интегратора относительно «земли», второй резистор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и «землей», один из выводов конденсатора соединен с общим выводом первого резистора и инвертирующего входа операционного усилителя, введено четыре дополнительных элемента и изменено включение элементов, первый дополнительный резистор включен между выходом имеющегося операционного усилителя и неинвертирующим входом дополнительного операционного усилителя, один из выводов второго дополнительного резистора подключен к общему выводу первого дополнительного резистора и неинвертирующего входа дополнительного операционного усилителя, другой вывод этого второго дополнительного резистора заземлен, дополнительный конденсатор включен параллельно первому дополнительному резистору, инвертирующий вход дополнительного операционного усилителя подключен к общему выводу имеющегося первого резистора, имеющегося конденсатора и инвертирующего входа имеющегося операционного усилителя, свободный вывод имеющегося конденсатора соединен с выходом дополнительного операционного усилителя, также этот выход образует выход аналогового интегратора относительно «земли».

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).

Один из выводов резистора 1 соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 2, другой его вывод образует вход аналогового интегратора относительно «земли». Неинвертирующий вход первого операционного усилителя 2 через резистор 3 соединен с «землей». К выходу этого операционного усилителя подключена цепь из последовательно соединенных двух резисторов 4 и 5. Свободный вывод последнего заземлен. Параллельно резистору 4 включен конденсатор 6. Общий вывод резисторов 4, 5 и конденсатора 6 соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 7. Конденсатор 8 включен между общим выводом инвертирующих входов двух операционных усилителей 2, 7, и выход образует выход аналогового интегратора относительно «земли».

В исходном состоянии входное напряжение аналогового интегратора равно нулю (), выходное напряжение его тоже равно нулю ().

Аналоговый интегратор работает следующим образом. При выборе операционных усилителей в схеме на фиг.1 с большим коэффициентом усиления получаем, что напряжение на их инвертирующих входах относительно «земли» имеет весьма малое значение (исчезающее малое значение, виртуальный нуль). Тогда сила электрического тока через резистор 1 определяется выражением

Этот ток замыкается на емкость конденсатора 8

особенно при операционных усилителях с полевыми транзисторами на входах. Сила электрического тока () и напряжение () на емкости связаны между собой известной зависимостью

(5)

Напряжение на емкости с учетом ранее приводимого виртуального нуля является по сути выходным напряжением аналогового интегратора. Используя (3), (4) из (5) получаем

т.е. выходное напряжение аналогового интегратора пропорционально интегралу от его выходного напряжения.

В частном случае при неизменяющемся входном напряжении выходное напряжение интегратора изменяется по почти линейному закону. Относительная погрешность в этом случае совпадает с коэффициентом нелинейности (2), где эквивалентная постоянная времени для схемы на фиг.1

где и - коэффициенты усиления соответственно операционных усилителей 2 и 7, − коэффициент передачи делителя на сопротивлениях и резисторов 4 и 5

В аварийных режимах максимальное выходное напряжение (справочный параметр) операционного усилителя 2 может превысить допустимое входное напряжение операционного усилителя 7 (справочный параметр). Для устранения этого введена электрическая цепь (делитель напряжения) на резисторах 4 и 5. Коэффициент передачи его должен удовлетворять условию

Вместе с этим сумма сопротивлений и не должна быть меньше значения минимального сопротивления нагрузки () операционного усилителя 2 (справочный параметр)

Операционные усилители имеют входную паразитную емкость (). Эта емкость операционного усилителя 7 шунтируется резистором 5, поэтому конденсатор 6 введен для ослабления искажения передаваемого сигнала на высоких частотах. Для этого значение коэффициента передачи делителя на сопротивлениях и должно равняться значению коэффициента передачи на емкости и

Значение максимального выходного напряжения многих операционных усилителей находится в районе десяти вольт. Допустимое входное напряжение для них лежит в районе единиц вольт. Из (9) значение коэффициента передачи определяется не на пределе, а с некоторым запасом и предположительно находится в районе значений 0,3÷0,7.

В общем случае при заряде емкости от неизменяющегося напряжения зарядный ток убывает. В рассматриваемой схеме на фиг. 1 это убывание электрического тока существенно ослабляется имеющейся отрицательной обратной связью, которая замыкается через емкость . Это приводит к существенному уменьшению погрешности интегрирования.

Таким образом, в аналоговом интеграторе (фиг.1) существенно уменьшена погрешность интегрирования. Так, при одинаковых операционных усилителях и в прототипе, и в аналоговом интеграторе

в случае неизменяющегося входного напряжения в интервале времени погрешность интегрирования в прототипе

и в приведенном аналоговом интеграторе

В знаменателе выражения (13) произведение RC и произведение в (14) имеют сопоставимые значения, тогда

и относительная погрешность интегрирования в аналоговом интеграторе много меньше, чем погрешность в прототипе. При частном значении и худшем значении численное ориентировочное представление о степени выполнения неравенства (15) дает соотношение

В результате использования данного предлагаемого изобретения повышается точность интегрирования.