RU2066880C1 - Dc function generator realizing square-law dependence - Google Patents

Abstract

FIELD: analog computer equipment, measuring instruments for enhancing accuracy of conversion and simplifying the process of tuning. SUBSTANCE: function generator has field-effect transistors 1, 2, operational amplifiers 3, 4, 11, 12, summer 5, resistors 6, 7, 13, 14, 15, AC voltage generator 9, converter 10 changing alternating voltage to direct voltage proportional to it, capacitors 16, 17, 18,19. Due to the respective couplings between the generator components provision is made for independence of the output signal proportional to the square of the input signal both on the temperature of the field-effect transistors and on the peculiarities of their volt-ampere characteristics. EFFECT: enhanced accuracy of conversion. 1 dwg

Description

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может найти применение в измерительных приборах. The invention relates to analog computing and may find application in measuring instruments.

Известны функциональные преобразователи, реализующие квадратичную зависимость в виде ее кусочно-линейной аппроксимации [1] Такие квадраторы состоят из ряда звеньев, содержащих полупроводниковые диоды, включенные в цепь отрицательной обратной связи операционных усилителей. Достоинством их является то, что "индивидуальности" характеристик используемых диодов и зависимости от их температуры почти не влияют на точность преобразования. Однако, конструкция таких преобразователей довольно сложна, так как требуемая точность преобразования зачастую достигается лишь при большом количестве указанных звеньев. Functional converters are known that realize a quadratic dependence in the form of its piecewise linear approximation [1]. Such quadrators consist of a series of links containing semiconductor diodes included in the negative feedback circuit of operational amplifiers. Their advantage is that the "individuality" of the characteristics of the diodes used and the dependence on their temperature almost do not affect the accuracy of the conversion. However, the design of such converters is rather complicated, since the required conversion accuracy is often achieved only with a large number of these links.

Известен также функциональный преобразователь напряжения постоянного тока, реализующий квадратичную зависимость, действие которого основано на принципе преобразования напряжения в сопротивление полевого транзистора. Такой функциональный преобразователь содержит два полевых транзистора, три операционных усилителя (ОУ) и четыре резистора, в котором неинвертирующие входы всех ОУ соединены с общей шиной, исток первого транзистора соединен с инвертирующим входом первого ОУ, исток второго транзистора с инвертирующим входом второго ОУ, между выходом и инвертирующим входом первого ОУ включен первый резистор, к инвертиpующему входу второго ОУ подключен один из концов второго резистора, а к инвертирующему входу третьего ОУ один из концов третьего резистора, причем между выходом и инвертирующим входом третьего ОУ включен четвертый резистор. В рассматриваемом устройстве затраты транзисторов объединены и соединены с выходом второго ОУ, другой конец второго резистора соединен с выходом третьего ОУ, а другой конец третьего резистора с информационным входом функционального преобразователя и со стоком первого транзистора, при этом сток второго транзистора соединен с входом опорного напряжения функционального преобразователя, а выход первого ОУ является выходом преобразователя [2]
В данном устройстве сопротивление между стоком и истоком второго транзистора за счет параметрической отрицательной обратной связи второго ОУ, осуществляемой через затвор указанного транзистора, автоматически устанавливается обратно пропорциональным напряжению входного сигнала, а сопротивление между стоком и истоком первого транзистора "свидетельствует" о величине сопротивления второго транзистора, так как затворы обоих транзисторов соединены между собой и находятся, следовательно, под одним потенциалом. В то же время напряжения на выходе первого ОУ оказывается прямо пропорциональным напряжению входного сигнала и обратно пропорциональным сопротивлению первого транзистора (которое, в свою очередь, обратно пропорционально напряжению входного сигнала). В результате напряжение на выходе первого ОУ оказывается пропорциональным квадрату входного напряжения.Also known is a functional DC voltage converter that implements a quadratic dependence, the action of which is based on the principle of converting voltage into the resistance of a field effect transistor. Such a functional converter contains two field-effect transistors, three operational amplifiers (op-amps) and four resistors, in which the non-inverting inputs of all the op-amps are connected to a common bus, the source of the first transistor is connected to the inverting input of the first op-amp, the source of the second transistor with the inverting input of the second op-amp, between the output and the first resistor is connected to the inverting input of the first op-amp, one of the ends of the second resistor is connected to the inverting input of the second op-amp, and one of the ends of the third resistor to the inverting input of the third op-amp, moreover, between the output and the inverting input of the third op-amp, a fourth resistor is connected. In this device, the costs of the transistors are combined and connected to the output of the second op-amp, the other end of the second resistor is connected to the output of the third op-amp, and the other end of the third resistor to the information input of the functional converter and to the drain of the first transistor, while the drain of the second transistor is connected to the input of the reference voltage of the functional the converter, and the output of the first op-amp is the output of the converter [2]
In this device, the resistance between the drain and the source of the second transistor due to the parametric negative feedback of the second op-amp, through the gate of the specified transistor, is automatically set inversely proportional to the voltage of the input signal, and the resistance between the drain and the source of the first transistor "indicates" the resistance value of the second transistor, since the gates of both transistors are interconnected and are, therefore, under the same potential. At the same time, the voltage at the output of the first op-amp turns out to be directly proportional to the voltage of the input signal and inversely proportional to the resistance of the first transistor (which, in turn, is inversely proportional to the voltage of the input signal). As a result, the voltage at the output of the first op-amp is proportional to the square of the input voltage.

Для нормального функционирования устройства необходимо, чтобы сопротивление первого транзистора "повторяло" сопротивление второго. Это возможно при соблюдении двух условий во-первых, вольт-амперные характеристики транзисторов должны быть идентичными и, во-вторых, рабочие точки транзисторов должны находиться в пределах начальных линейных участков вольт-амперных характеристик во всем диапазоне изменения входного сигнала. Если второе условие не выполняется, то сопротивления транзисторов неизбежно будут отличаться друг от друга, даже при идентичных вольт-амперных характеристиках, поскольку напряжения между стоком и истоком транзисторов различны, ибо первый транзистор находится под напряжением источника входного сигнала, которое изменяется, а второй под напряжением опорного сигнала, остающимся неизменным. For normal operation of the device, it is necessary that the resistance of the first transistor "repeats" the resistance of the second. This is possible under two conditions, firstly, the current-voltage characteristics of the transistors must be identical and, secondly, the operating points of the transistors must be within the initial linear sections of the current-voltage characteristics in the entire range of the input signal. If the second condition is not fulfilled, then the resistance of the transistors will inevitably differ from each other, even with identical current-voltage characteristics, since the voltages between the drain and the source of the transistors are different, because the first transistor is under the voltage of the input signal source, which changes, and the second under voltage reference signal remaining unchanged.

Второе условие сравнительно просто обеспечивается при проектировании устройства и легко корректируется в процессе настройки. Однако соблюдение первого условия сопряжено с подбором транзистора с идентичными вольт-амперными характеристиками, что является трудоемким и кропотливым процессом ввиду большого разброса характеристик полевых транзисторов. Это и является недостатком устройства. The second condition is relatively simple provided during the design of the device and is easily adjusted during the setup process. However, compliance with the first condition is associated with the selection of a transistor with identical current-voltage characteristics, which is a time-consuming and painstaking process due to the large spread in the characteristics of field-effect transistors. This is a disadvantage of the device.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является функциональный преобразователь напряжения постоянного тока, реализующий квадратичную зависимость, содержащий два полевых транзистора, два операционных усилителя (ОУ), два сумматора, два резистора, а также инвертирующий усилитель, причем неинвертирующие входы операционных усилителей соединены с общей шиной, их инвертирующие входы соединены соответственно с истоками первого и второго полевых транзисторов, между инвертирующим входом и выходом первого ОУ включен первый резистор, к инвертирующему входу второго ОУ подключен один из выходов второго резистора, другой вывод которого соединен с выходом инвертирующего усилителя, вход опорного напряжения функционального преобразователя подключен к первому входу первого сумматора, а также к стоку второго транзистора, информационный же вход функционального преобразователя подключен к первому входу второго сумматора, к стоку первого транзистора и входу инвертирующего усилителя, затвор первого транзистора подключен к выходу второго ОУ и к второму входу первого сумматора, а затвор второго транзистора к выходу второго сумматора, выход первого сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, а выход первого ОУ с выходом функционального преобразователя [3]
В рассматриваемом устройстве при идентичных параметрах полевых транзисторов сопротивления их между истоком и стоком автоматически "повторяют" друг друга, причем влияние величины входного сигнала на степень синхронности указанного повторения существенно снижено по сравнению с устройством [2] Однако ввиду значительного разброса параметров полевых транзисторов, имеющем место в действительности, сопротивления каналов транзисторов и в данном устройстве оказываются различными, что влечет за собой погрешность преобразования. Подбор же транзисторов с идентичными вольт-амперными характеристиками усложняет процесс настройки преобразователя.The closest in technical essence and the achieved result to the declared one is a functional DC voltage converter that implements a quadratic dependence, containing two field-effect transistors, two operational amplifiers (op amps), two adders, two resistors, and an inverting amplifier, while the non-inverting inputs of the operational amplifiers are connected with a common bus, their inverting inputs are connected respectively to the sources of the first and second field-effect transistors, between the inverting input and the output ne The first resistor is connected to the first op-amp, one of the outputs of the second resistor is connected to the inverting input of the second op-amp, the other output of which is connected to the output of the inverting amplifier, the reference voltage input of the functional converter is connected to the first input of the first adder, and also to the drain of the second transistor, the information input is functional the converter is connected to the first input of the second adder, to the drain of the first transistor and the input of the inverting amplifier, the gate of the first transistor is connected to the output of the second op-amp and to the second input of the first adder, and the gate of the second transistor to the output of the second adder, the output of the first adder is connected to the second input of the second adder, and the output of the first op-amp with the output of the functional converter [3]
In the device under consideration, with identical parameters of the field effect transistors, their resistance between the source and the drain automatically "repeats" each other, and the influence of the input signal on the degree of synchronism of this repetition is significantly reduced compared to the device [2] However, due to the significant spread in the parameters of the field effect transistors, in fact, the resistance of the transistor channels in this device is different, which entails a conversion error. The selection of transistors with identical current-voltage characteristics complicates the process of tuning the converter.

Задача изобретения повышение точности преобразования и упрощение настройки преобразователя. The objective of the invention is to increase the accuracy of conversion and simplify the configuration of the Converter.

Для этого в известный функциональный преобразователь напряжения постоянного тока, реализующий квадратичную зависимость, содержащий два полевых транзистора, два операционных усилителя, сумматор и два резистора, в котором неинвертирующие входы операционных усилителей соединены с общей шиной, их инвертирующие входы соединены с истоками соответственно первого и второго полевых транзисторов, а между инвертирующим входом и выходом первого операционного усилителя включен первый резистор, к инвертирующему входу второго операционного усилителя подключен один из выводов второго резистора, а вход опорного напряжения функционального преобразователя подключен к первому входу сумматора, согласно изобретению введены генератор напряжения переменного тока, преобразователь напряжения переменного тока в пропорциональное ему напряжение постоянного тока, третий и четвертый операционные усилители, третий, четвертый и пятый резисторы и четыре конденсатора, причем второй вход и выход сумматора подключены соответственно к выходу первого операционного усилителя, соединенному через преобразователь напряжения переменного тока в пропорциональное ему напряжение постоянного тока с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, и стоку второго полевого транзистора, сток первого полевого транзистора соединен с выходом генератора напряжения переменного тока, затворы первого и второго полевых транзисторов соединены с выходами соответственно третьего и четвертого операционных усилителей, между выходами которых и инвертиpующими входами включены соответственно первый и второй конденсаторы, выход второго операционного усилителя соединен с другим выводом второго резистора, через третий конденсатор с выходом функционального преобразователя и через третий резистор с неинвертиpующим входом четвертого операционного усилителя, соединенным через четвертый конденсатор с общей шиной, инвертирующие входы третьего и четвертого операционных усилителей соединены соответственно через четвертый и пятый резисторы с информационным входом функционального преобразователя. To do this, into a well-known functional DC voltage converter that implements a quadratic dependence, containing two field-effect transistors, two operational amplifiers, an adder and two resistors, in which the non-inverting inputs of the operational amplifiers are connected to a common bus, their inverting inputs are connected to the sources of the first and second field transistors, and between the inverting input and the output of the first operational amplifier, the first resistor is turned on, to the inverting input of the second operational amplifier One of the terminals of the second resistor is connected, and the reference voltage input of the functional converter is connected to the first input of the adder. According to the invention, an alternating current voltage generator, an alternating current voltage converter into a proportional DC voltage, third and fourth operational amplifiers, third, fourth and fifth are introduced resistors and four capacitors, and the second input and output of the adder are connected respectively to the output of the first operational amplifier, connected through a converter of AC voltage to a proportional DC voltage with a non-inverting input of the third operational amplifier, and the drain of the second field-effect transistor, the drain of the first field-effect transistor is connected to the output of the AC voltage generator, the gates of the first and second field-effect transistors are connected to the outputs of the third and fourth operational amplifiers, between the outputs of which and the inverting inputs, respectively, the first and second capacitors are connected, the output of the second the operating amplifier is connected to the other terminal of the second resistor, through the third capacitor with the output of the functional converter and through the third resistor with the non-inverting input of the fourth operational amplifier connected through the fourth capacitor to the common bus, the inverting inputs of the third and fourth operational amplifiers are connected respectively through the fourth and fifth resistors with information input of the functional converter.

На чертеже изображена схема предложенного функционального преобразователя. The drawing shows a diagram of the proposed functional Converter.

Устройство содержит первый 1 и второй 2 полевые транзисторы, первый 3 и второй 4 операционные усилителя (ОУ), сумматор 5, первый 6 и второй 7 резисторы, причем неинвертирующие входы усилителей 3 и 4 соединены с общей шиной, их инвертирующие входы с истоками соответственно первого 1 и второго 2 полевых транзисторов, а между выходами и инвертирующими входами усилителей 3 и 4 включены соответственно резисторы 6 и 7, при этом вход 8 опорного напряжения функционального преобразователя подключен к одному из входов сумматора 5. Устройство содержит также генератор 9 напряжения переменного тока, преобразователь 10 напряжения переменного тока в пропорциональное ему напряжение постоянного тока, третий 11 и четвертый 12 операционные усилители, третий 13, четвертый 14 и пятый 15 резисторы и четыре конденсатора 16, 17, 17 и 19, причем второй вход и выход сумматора 5 подключены соответственно к выходу первого усилителя 3 и стоку второго полевого транзистора 2, выход усилителя 3 через преобразователь 10 соединен с неинвертирующим входом третьего усилителя 11, затворы первого 1 и второго 2 полевых транзисторов соединены с выходами соответственно третьего 11 и четвертого 12 усилителей, между выходами которых и инвертирующими входами включены соответственно первый 16 и второй 17 конденсаторы, выход второго усилителя 4 через третий конденсатор 18 соединен с выходом 20 функционального преобразователя и через третий резистор 13 с неинвертирующим входом четвертого усилителя 12, соединенным через четвертый конденсатор 19 с общей шиной, инвертирующие входы третьего 11 и четвертого 12 усилителей соединены соответственно через четвертый 14 и пятый 15 резисторы с информационным входом 21 функционального преобразователя. The device contains first 1 and second 2 field-effect transistors, first 3 and second 4 operational amplifiers (op amps), an adder 5, first 6 and second 7 resistors, the non-inverting inputs of amplifiers 3 and 4 connected to a common bus, their inverting inputs with sources, respectively, of the first 1 and second 2 field-effect transistors, and between the outputs and inverting inputs of amplifiers 3 and 4, resistors 6 and 7 are included, respectively, while the input 8 of the reference voltage of the functional converter is connected to one of the inputs of the adder 5. The device also contains nerator 9 of AC voltage, converter 10 of AC voltage into proportional DC voltage, third 11 and fourth 12 operational amplifiers, third 13, fourth 14 and fifth 15 resistors and four capacitors 16, 17, 17 and 19, the second input and the output of the adder 5 is connected respectively to the output of the first amplifier 3 and the drain of the second field-effect transistor 2, the output of the amplifier 3 through the converter 10 is connected to the non-inverting input of the third amplifier 11, the gates of the first 1 and second 2 field-effect transistors are connected inenes with the outputs of the third 11 and fourth 12 amplifiers, respectively, between the outputs of which and the inverting inputs include the first 16 and second 17 capacitors, the output of the second amplifier 4 through the third capacitor 18 is connected to the output 20 of the functional converter and through the third resistor 13 with a non-inverting input of the fourth amplifier 12, connected through the fourth capacitor 19 to a common bus, the inverting inputs of the third 11 and fourth 12 amplifiers are connected respectively through the fourth 14 and fifth 15 resistors with info input of the functional converter 21.

Сумматор 5, обведенный пунктирной линией, изображен в виде типовой схемы, содержащей операционный усилитель 22 и резисторы 23, 24 и 25, причем сопротивления резисторов 23 и 24 не обязательно равны друг другу, так что суммирование сигналов, поступающих на входы сумматора 5, может осуществляться, так сказать, с разными "весами". The adder 5, surrounded by a dashed line, is depicted in the form of a typical circuit containing an operational amplifier 22 and resistors 23, 24 and 25, and the resistances of the resistors 23 and 24 are not necessarily equal to each other, so that the summation of the signals received at the inputs of the adder 5 can be carried out , so to speak, with different "weights".

Выходное напряжение генератора 9 может быть, например, синусоидальным, причем его амплитуда может и не отличаться повышенной стабильностью. Преобразователь 10 может представлять собой, например, выпрямитель, построенный на базе операционного усилителя с полупроводниковыми диодами, включенными в цепь его отрицательной обратной связи, что обеспечивает хорошую линейность преобразования и независимость от температуры. Выпрямитель может быть дополнен фильтром. Преобразователь 10 может быть построен также и по другим схемам. The output voltage of the generator 9 may be, for example, sinusoidal, and its amplitude may not differ in increased stability. The converter 10 can be, for example, a rectifier built on the basis of an operational amplifier with semiconductor diodes included in its negative feedback circuit, which ensures good linearity of the conversion and independence from temperature. The rectifier can be supplemented with a filter. Converter 10 can also be built in accordance with other schemes.

Полевые транзисторы 1 и 2 могут быть, например, типа КП 103. Будет считать для определенности, что опорное напряжение, подводимое к входу 8, а также напряжение преобразуемого сигнала, подводимое к входу 21, и выходное напряжение преобразователя 10 имеют положительную полярность, что и отражено на фигуре. Field effect transistors 1 and 2 can be, for example, of type KP 103. For definiteness, it will be considered that the reference voltage supplied to input 8, as well as the voltage of the converted signal supplied to input 21, and the output voltage of converter 10 have a positive polarity, which reflected in the figure.

Работает функциональный преобразователь следующим образом. The functional converter operates as follows.

Напряжение переменного тока, выделяемое на выходе ОУЗ под воздействием генератора 9 и зависящее от сопротивления транзистора 1, поступает на вход преобразователя 10 и преобразуется в нем в напряжение постоянного тока в соответствии с соотношением:

где U₁₀ напряжение постоянного тока на выходе преобразователя 10;
К коэффициент преобразования преобразователя 10;

напряжение переменного тока, поступающее с выхода ОУЗ на вход преобразователя 10.The AC voltage generated at the output of the GLC under the influence of the generator 9 and depending on the resistance of the transistor 1, is fed to the input of the converter 10 and converted into DC voltage in accordance with the ratio:

where U ₁₀ DC voltage at the output of the Converter 10;
To the conversion coefficient of the Converter 10;

AC voltage coming from the output of the OUZ to the input of the Converter 10.

Напряжение U₁₀ подается на неинвертирующий вход ОУ 11 и сравнивается с напряжением U_вх преобразуемого сигнала, поступающего с информационного входа 21 через резистор 14 на инвертирующий вход ОУ 11. При том ОУ 11 охвачен параметрической отрицательной обратной связью, осуществляемой через затвор транзистора 1. Напряжение на выходе ОУ 11, соединенном с затвором транзистра 1, управляет сопротивлением транзистора 1 таким образом, что увеличение напряжения на выходе ОУ 11 сопровождается увеличением сопротивления транзистора 1, а следовательно, уменьшением напряжения переменного тока, поступающего на вход преобразователя 10 и соответственно уменьшением напряжения постоянного тока, воздействующего на неинвертирующий вход ОУ 11, влекущим за собой уменьшение "первоначального" увеличения напряжения на выходе ОУ 11. Так как коэффициент усиления ОУ 11 очень велик, то это означает, что в установившемся состоянии напряжение U₁₀ (на неинвертирующем входе ОУ 11) практически повторяет напряжение входного сигнала, выделяемого на инвертирующем входе ОУ 11:
U₁₀=U_вх, (2)
где U_вх напряжение входного (преобразуемого) сигнала, подводимое к информационному входу 21.The voltage U ₁₀ is supplied to the non-inverting input of the op-amp 11 and compared with the voltage U _{I of the} converted signal from the information input 21 through the resistor 14 to the inverting input of the op-amp 11. Moreover, the op-amp 11 is covered by parametric negative feedback through the gate of transistor 1. The voltage at the output of the op-amp 11 connected to the gate of the transistor 1 controls the resistance of the transistor 1 so that an increase in the voltage at the output of the op-amp 11 is accompanied by an increase in the resistance of the transistor 1, and therefore, by lowering the AC voltage supplied to the input of the converter 10 and, accordingly, by decreasing the DC voltage acting on the non-inverting input of the op-amp 11, resulting in a decrease in the "initial" increase in the voltage at the output of the op-amp 11. Since the gain of the op-amp 11 is very large, this means that in the steady state, the voltage U ₁₀ (at the non-inverting input of the op-amp 11) practically repeats the voltage of the input signal released at the inverting input of the op-amp 11:
U ₁₀ = U _in , (2)
where U _Rin of the input voltage (converted) signal supplied to the data input 21.

Из соотношений (1) и (2) следует, что

,
отсюда

т.е. напряжение

оказывается пропорциональным входным сигналу и не зависит ни от "индивидуальности" характеристики транзистора 1, ни от его температуры, ни от выходного напряжения генератора 9, если его нестабильность находится, конечно, в "разумных" пределах.From relations (1) and (2) it follows that

,
from here

those. voltage

It turns out to be proportional to the input signal and does not depend on the "individuality" of the characteristics of the transistor 1, nor on its temperature, nor on the output voltage of the generator 9, if its instability is, of course, within "reasonable" limits.

Напряжение

с выхода ОЗУ поступает также на один из входов сумматора 5. Кроме того, с входа 8 опорного напряжения на другой вход сумматора поступает напряжение U_o опорного сигнала. Нетрудно показать, что напряжение, выделяемое на выходе сумматора 5, совпадающем с выходом ОУ 22, связано с величинами

и U_o следующим образом:

где U₂₂ напряжение на выходе сумматора 5;
U_o опорное напряжение;
R₂₃, R₂₄, R₂₅ соответственно сопротивление резисторов 23, 24, 25.Voltage

from the RAM output also goes to one of the inputs of the adder 5. In addition, from the input 8 of the reference voltage to the other input of the adder receives the voltage U _{o of the} reference signal. It is easy to show that the voltage released at the output of the adder 5, which coincides with the output of the OS 22, is associated with the values

and U _o as follows:

where U ₂₂ voltage at the output of the adder 5;
U _o reference voltage;
R ₂₃ , R ₂₄ , R _25, respectively, the resistance of the resistors 23, 24, 25.

Напряжение U₂₂ оказывается почти полностью приложенным к сопротивлению сток-исток транзистора 2, так как напряжение на инвертирующем входе ОУ 4, охваченного отрицательной обратной связью (через резистор 7), весьма близко к нулю. При этом сопротивление резистора 25, 23 и 24 всегда могут быть подобраны так, чтобы напряжение U₂₂ не выводило рабочий режим транзистора 2 за пределы линейных лучеобразных начальных участков его вольт-амперных характеристик. В этом случае сопротивление транзистора 2, зависящее от напряжения на затворе, оказывается одинаковым как по постоянному, так и по переменному току. Поэтому

где I_т ток через транзистор 2;
R_т сопротивление между стоком и истоком транзистора 2.The voltage U ₂₂ turns out to be almost completely applied to the drain-source resistance of the transistor 2, since the voltage at the inverting input of the op-amp 4, covered by negative feedback (through the resistor 7), is very close to zero. In this case, the resistance of the resistor 25, 23 and 24 can always be selected so that the voltage U ₂₂ does not bring the operating mode of the transistor 2 beyond the linear beam-like initial sections of its current-voltage characteristics. In this case, the resistance of the transistor 2, depending on the voltage at the gate, turns out to be the same in both direct and alternating current. therefore

where I _t current through the transistor 2;
R _{t the} resistance between the drain and the source of the transistor 2.

В результате на выходе ОУ 4 появляется напряжение, равное

где U₄ напряжение на выходе ОУ 4;
R₇ сопротивление резистора 7.As a result, the output of the op-amp 4 appears voltage equal to

where U _{4 the} voltage at the output of the OS 4;
R ₇ resistor 7 resistance.

Оно представляет собой сумму постоянной и переменной составляющих:

где

соответственно постоянная и переменная составляющие напряжения U₄. Из (4) следует, что эти составляющие равны:

Переменная составляющая

через конденсатор 18 поступает на выход устройства, а постоянная составляющая, выделяющаяся на выходе фильтра, образованного резистором 13 и конденсатором 19, поступает на неинвертирующий вход ОУ 12 и сравнивается с напряжением входного сигнала U_вх, которое через резистор 15 подается на инвертирующий вход ОУ 12. При этом ОУ 12 оказывается охваченным параметрической отрицательной обратной связью, осуществляемой через затвор транзистора 2. Напряжение, выделяемое на выходе ОУ 12, подается на затвор транзистора 2 и управляет сопротивлением транзистора таким образом, что увеличение напряжения вызывает увеличение сопротивления транзистора, а следовательно, уменьшение коэффициента передачи инвертирующего усилителя, образованного ОУ 4, резистором 7 и сопротивлением сток-исток транзистора 2. В результате увеличение напряжения на выходе ОУ 12 влечет за собой уменьшение напряжения U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{o}}{\text{4}}$ , а значит и уменьшение "первоначального" увеличения напряжения на выходе ОУ 12. В этих условиях при очень большом коэффициенте усиления ОУ 12 напряжение U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{o}}{\text{4}}$ в установившемся режиме практически повторяет напряжение входного сигнала U_вх:
U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{o}}{\text{4}}$ =U_вх (7)
С учетом (7) соотношение (5) принимает следующий вид:

откуда следует, что R_т, изменяясь автоматически, оказывается обратно пропорциональным U_вх и принимает значения

которые, таким образом, не зависят ни от температуры, ни от индивидуальных особенностей характеристик используемых транзисторов.It represents the sum of the constant and variable components:

Where

respectively, the constant and alternating components of the voltage U ₄ . From (4) it follows that these components are equal:

Variable component

through the capacitor 18 it enters the output of the device, and the constant component released at the output of the filter formed by the resistor 13 and the capacitor 19 is fed to the non-inverting input of the op-amp 12 and is compared with the voltage of the input signal U _I , which is fed through the resistor 15 to the inverting input of the op-amp 12. In this case, the op-amp 12 is covered by parametric negative feedback provided through the gate of the transistor 2. The voltage generated at the output of the op-amp 12 is supplied to the gate of the transistor 2 and controls the transistor resistance ora so that voltage increase causes an increase in resistance of the transistor, and consequently, a decrease in the gain of the inverting amplifier formed by op amp 4, the resistor 7 and the resistance of the drain-source of the transistor 2. As a result, increase in the voltage at the output of op amp 12 entails a decrease in the voltage U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{o}}{\text{4}}$ , and hence the decrease in the "initial" increase in voltage at the output of the op-amp 12. In these conditions, with a very large gain of the op-amp 12, the voltage U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{o}}{\text{4}}$ in steady state, it practically repeats the voltage of the input signal U _I :
U $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{o}}{\text{4}}$ = U _in (7)
In view of (7), relation (5) takes the following form:

whence it follows that R _t , changing automatically, turns out to be inversely proportional to U _in and takes values

which, therefore, do not depend on temperature or on the individual characteristics of the characteristics of the transistors used.

Что касается переменной составляющей

, то подстановка в формулу (6) значения R_т, взятого из соотношения (8), приводит к выражению:

которое с учетом соотношения (3) приобретает вид:

Соотношение (9) показывает, что переменная составляющая

, поступающая на выход устройства, действительно, пропорциональна квадрату напряжения входного сигнала.Regarding the variable component

, then the substitution in the formula (6) of the value of R _t taken from relation (8), leads to the expression:

which, taking into account relation (3), takes the form:

Relation (9) shows that the variable component

coming to the output of the device is really proportional to the square of the voltage of the input signal.

Наличие RC-фильтров, образованных резистором 14 и конденсатором 16 и резистором 15 и конденсатором 17, обеспечивает сигнальную отрицательную обратную связь операционных усилителей 11 и 12 по переменному току, которая предотвращает многократное усиление пульсаций, поступающих на входы этих усилителей с выхода преобразователя 10 и с выхода фильтра, образованного резистором 13 и конденсатором 19. В отсутствии этих RC-цепочек напряжение на затворах транзисторов 1 и 2 под влиянием многократно усиленных пульсаций существенно изменило бы свои значения уже в течение периода колебаний. Это привело бы к искажению колебаний, запутыванию работы устройства и снижению точности преобразования. The presence of RC filters formed by a resistor 14 and a capacitor 16 and a resistor 15 and a capacitor 17 provides signal negative feedback of the operational amplifiers 11 and 12 by alternating current, which prevents multiple amplification of ripples entering the inputs of these amplifiers from the output of the converter 10 and from the output a filter formed by a resistor 13 and a capacitor 19. In the absence of these RC circuits, the voltage at the gates of transistors 1 and 2 under the influence of multiply amplified ripples would significantly change their values for same during a period of oscillation. This would lead to distortion of vibrations, obfuscation of the device and a decrease in the accuracy of the conversion.

В то же время по постоянному току ОУ 11 и ОУ 12 "по-прежнему" остаются охваченными лишь параметрической отрицательной обратной связью через затворы транзисторов 1 и 2, ибо никакой дополнительной обратной связи по постоянному току указанные RC-цепочки не вносят. At the same time, for direct current, op-amp 11 and op-amp 12 "as before" remain covered only by parametric negative feedback through the gates of transistors 1 and 2, because these RC circuits do not introduce any additional DC feedback.

Таким образом, предложенный функциональный преобразователь реализует квадратичную зависимость между выходным сигналом

переменного тока и входным сигналом напряжения постоянного тока U_вх. При этом ни температуры обоих полевых транзисторов, ни индивидуальные особенности их вольт-амперных характеристик не влияют на величину выходного сигнала, за счет чего повышается точность преобразования и исключается необходимость подбора транзисторов с идентичными характеристиками, т.е. упрощается процесс настройки преобразователя.Thus, the proposed functional Converter implements a quadratic dependence between the output signal

alternating current and an input signal of direct current voltage U _in . At the same time, neither the temperature of both field effect transistors, nor the individual characteristics of their current-voltage characteristics affect the value of the output signal, thereby increasing the conversion accuracy and eliminating the need for selection of transistors with identical characteristics, i.e. The process of setting up the transmitter is simplified.

Claims (1)

Функциональный преобразователь постоянного тока, реализующий квадратичную зависимость, содержащий два полевых транзистора, два операционных усилителя, сумматор и два резистора, причем неинвертирующие входы операционных усилителей соединены с общей шиной, их инвертирующие входы соединены с истоками соответственно первого и второго полевых транзисторов, между инвертирующим входом и выходом первого операционного усилителя включен первый резистор, к инвертирующему входу второго операционного усилителя подключен один из выводов второго резистора, вход опорного напряжения функционального преобразователя подключен к первому входу сумматора, отличающийся тем, что в него введены генератор напряжения переменного тока, преобразователь напряжения переменного тока в пропорциональное ему напряжение постоянного тока, третий и четвертый операционные усилители, третий, четвертый и пятый резисторы и четыре конденсатора, причем второй вход и выход сумматора подключен соответственно к выходу первого операционного усилителя, соединенному через преобразователь напряжения переменного тока в пропорциональное ему напряжение постоянного тока с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, и стоку второго полевого транзистора, сток первого полевого транзистора соединен с выходом генератора напряжения переменного тока, затворы первого и второго полевых транзисторов соединены с выходами соответственно третьего и четвертого операционных усилителей, между выходами которых и инвертирующими входами включены соответственно первый и второй конденсаторы, выход второго операционного усилителя соединен с другим выводом второго резистора, через третий конденсатор с выходом функционального преобразователя и через третий резистор с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя, соединенным через четвертый конденсатор с общей шиной, инвертирующие входы третьего и четвертого операционных усилителей соединены соответственно через четвертый и пятый резисторы с информационным входом функционального преобразователя. A functional DC-DC converter that implements a quadratic dependence, comprising two field-effect transistors, two operational amplifiers, an adder and two resistors, the non-inverting inputs of the operational amplifiers connected to a common bus, their inverting inputs connected to the sources of the first and second field-effect transistors, respectively, between the inverting input and the output of the first operational amplifier includes the first resistor, one of the outputs of the second is connected to the inverting input of the second operational amplifier of the resistor, the input of the reference voltage of the functional converter is connected to the first input of the adder, characterized in that an alternating voltage generator, a converter of alternating current voltage into a proportional DC voltage, third and fourth operational amplifiers, third, fourth and fifth resistors are introduced into it; four capacitors, the second input and output of the adder connected respectively to the output of the first operational amplifier connected through a voltage converter alternating current into a proportional DC voltage with a non-inverting input of the third operational amplifier, and the drain of the second field-effect transistor, the drain of the first field-effect transistor is connected to the output of the AC voltage generator, the gates of the first and second field-effect transistors are connected to the outputs of the third and fourth operational amplifiers, respectively the outputs of which and the inverting inputs respectively include the first and second capacitors, the output of the second operational amplifier is connected with the other output of the second resistor, through the third capacitor with the output of the functional converter and through the third resistor with the non-inverting input of the fourth operational amplifier connected through the fourth capacitor to the common bus, the inverting inputs of the third and fourth operational amplifiers are connected respectively through the fourth and fifth resistors with the information input of the functional transducer.