CC BY
17НЕЛИНЕЙНАЯ КОРРЕКЦИЯ В АМПЛИТУДНЫХ ДЕТЕКТОРАХ
Прокопенко Н.Н.(mail@sssu.ru), Никуличев Н.Н.(nik1974@mail.ru)
ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА
Активные преобразователи амплитудных значений (АПАЗ) ит импульсных и синусоидальных сигналов на основе дифференциальных усилителей с глубокой общей отрицательной обратной связью (рисунок 1), являются широко распространённым функциональным узлом многих устройств измерительной техники, электроники и автоматики [1]. Для повышения их быстродействия в режиме выборки сигнала, то есть когда Эuc(t)/Эt^0, применяются схемы форсирования заряда запоминающего конденсатора С1 , требующие специальных схем логического управления[1].
Весьма эффективным средством решения данной задачи в АПАЗ,
реализуемых на базовых матричных коррекция проходной характеристики теля (ДУ) [2].
кристаллах, может стать нелинейная входного дифференциального усили-
Рисунок 1 Рисунок 2
Предлагаемые в [2,3] квазилинейные дифференциальные каскады могут оказаться весьма эффективным средством уменьшения времени выборки АПАЗ Их основное свойство — возможность продления от 50мВ до
3 ■ 8В линейного участка проходной характеристики АПАЗ за счёт введения цепи нелинейной коррекции (ЦНК) в схему того или иного классического ДУ. При этом расширение диапазона активной работы базового ДУ (повышение значений граничных напряжений игр) обеспечивается без ухудшения статической точности [2].
В линейном режиме работы ДУ(рисунок 1 ), когда разность напряжений - ^ьк^) < игр, время выборки АПАЗ минимально, при этом основная
инерционность схемы - запоминающий конденсатор С1, заряжается через диод УБ1 выходным током ДУ ^, пропорциональным сигналу рассогласования ивх. Поэтому предельная скорость изменения напряжения ивых^) не может превышать значений :
диаых С') I ^ К дис (К) < §
дк |тзх п дк С1 д ' где Кп ~1 - коэффициент передачи повторителя напряжения(ПН); ит - амплитуда входного прямоугольного импульса; Бд - малосигнальная крутизна ДУ. Для классических ДУ[2] с активными нагрузками (АН):
Бд= 1 / 2 гэ =1о/ 4фт , где 10 - суммарнный ток эмиттерной цепи ДУ ;
фт =25мВ - температурный потенциал . Следовательно, время выборки АПАЗ с линейным режимом работы
ДУ:
ди (О-1-1
вых V /
tв= 4фтС1 / 1о =
• ит.
дк
Если амплитуда входного импульса значительно превышает игр (рисунок 1), то входной каскад АПАЗ работает в режиме динамической перегрузки :
дивых (К) < 1о / С1 ,
tв =
ди (К)
вых V /
дк
-1
• ит ~ итяхс1 / 1о
дк
Таким образом, время выборки АПАЗ (рисунок 1), работающим с
*
линейным входным каскадом, в п-раз меньше ^ при перегрузке ДУ:
П = tв / tв ~ Ит/ 4фТ.
Рисунок 3 - Зависимость времени выборки ^ от амплитуды входного импульса ит
Из рисунка 3 следует, что в худшем случае при нелинейном режиме работы ДУ:
Ппйх 0,25Umax /фт ,
где Umax - максимальное выходное напряжение АПАЗ.
Применение в АПАЗ более 300 модификаций квазилинейных каскадов и и I- классов [3], схемотехника которых описана в [2] и [3], позволяет обеспечить пропорциональность между током заряда С1 и сигналом рассогласования ис(^ - ивых^) в широком диапазоне изменения амплитуды импульсных входных сигналов. Это даёт основание считать, что выигрыш по быстродействию АПАЗ с квазилинейными ДУ может достигать одного-двух порядков.
Переходной процесс в АПАЗ на основе ДУ с нелинейной коррекцией, имеющий в общем случае аппроксимированную проходную характеристику, показанную на рис.4, можно исследовать с помощью методов, изложенных в [2]. Описывая подсхему ДУ и выходной каскад АПАЗ у-параметрами и полагая, что основная инерционность АПАЗ - запоминающий конденсатор С1, включенный во входной цепи подсхемы 2, определим закон изменения ивых в режиме выборки входного импульса евх при следующих обозначениях:
К (з) = Ку а = У + У2 + Уп.кз)
ис (1) = ,
у2
1.1(3) :
Т..
1
у21.1(1) у21.2К
ау =
(у21.1(1) + у11.2 + у22.2)
У1 + У 2 + У11
ъ.
Коб =
У 2
1(1)
У1 + У 2 + У11
1(1)
ъи
и,
гр1
и.
гр
= игр2
т
и
Л = Си - Ъи
Т ср.Т =
гр
Т.
п
и - (1+-2К, п1
Я- иКоб
и
у - п
-1
У 2 = п
-1
гр
где у (к) - у-параметры ! -подсхемы АПАЗ на к-участке.
Если ввх > и (Ъи + Ла )(1 + — + У111(1)), то зависимость
Ух У1
напряжения АПАЗ от времени будет иметь четыре участка (рис.5).
выходного
А . i н 4
3 /
2 >2!
! 1 ! /| ивх -►
и.
гр
игр1 Игр2
Рис. 4. Параметры квазилинейного входного каскада АПАЗ
Рис. 5. Переходный процесс в квазилинейном режиме
С
и
I
max
I
0
На первом участке
u (t)
вьа V /
tU „ (1 + dby) т Т K б
срТ об
Границы этого участка определяются соотношениями:
ti =Тср.т(Я-bu -ауd)(1 + dby)-1, Ub«x.i(ti) = U - UгрKо-б(day + bu).
На втором участке, время которого отсчитывается от конца предыдущего,
Uр (bb -ay) Uграу (1 + dbv) bt
ueba, (t) = U -^КТ^- - К b exp(--);
К б b К б b a т Т
об у об у у срТ
U b av
Ueba,(t2) = U —К^- ; 12 =Тср.Т / ln(1 + dbv );
Коб by
На третьем участке
ьи гр игрк к3 Цгр
и М) = и —+-;—^ = ь -1;и 3(к3) = и--^.
вых.3 V / ту ту ' и ' вых.3\ 3/ ту.
Коб КобТср.Т ТсрТ Коб
На четвертом участке
ивьал(К) = и - ^ехр( —).
К б т Т
об срТ
иК
Если амплитуда евх такова, что Ьи <-— < Ьи + daу, то зависимость
игр
выходного напряжения от времени будет иметь три участка и определяться соотношениями:
u , (t) =
вых.1 V /
av - bubv
U + -JL-U-L Uгр
Коб by гр.
byt
1 - exp(---—)
a yT ср.Т y
; = 0yln(1 + -
тср.Т by ay ay
b„uгр Uгр t
U .(t,) = U-b К-; u 2(t) = U-^^L + гр
вых. 1 1 u б вых.2
К б К бтср.Т
— = bu -1; uehlx2(t2) = U - ЦрК-; uвых.з(t) = U - UгрК- exp(-—).
UK
u ' вых.2 V 2 7 гр о^ вых.3 V / гр об -
Т ср.Т Т ср.Т
При 1 < ^ ^об < Ьи переходной процесс соответствует динамической
игр
перегрузке входного каскада АПАЗ и имеет два участка:
U 1 (() =-Lt, —^ = Я- 1, u , (t ) = U
вых.1 V / jy. ? 5 вых.1 V1 / ту
К обТ ср.Т Т ср.Т Коб
uehlx.2 (t ) = U - Uгр К- exp( —).
тср.Т
Если Я = иКоб/игр < 1, то входной каскад АПАЗ работает в линейном режиме и переходной процесс имеет только один участок:
ивьа (г) = и [1- ехр(-
т
ср.Т
ошибки £ =
Время процесса АПАЗ ^уст) в зависимости от заданной зоны дина-мической
ивых (1 уст ) - и
и
и приведенной амплитуды выходного напряжения и/Ц
гр
определяется соотношениями, приведенными в табл. 1.
Параметры переходного процесса АПАЗ
Таблица 1
г
Время установления переходного процесса Примечание
г 1 -£ уст Я Т ср.Т 1 + ЛЪу и > Ъи +ауd игр £Коб
густ =Я-Ъи -Лау ау ау(1 + 6ЬУ) ) и > Ъи игр £Кб
— V / Т Ср.Т 1 + ^у Ъу £ЪуЯ + ау - ЪиЪу
густ Я-Ъи -dаv ау л уст = и у + у 1п(1 + dЪv) + Ъи £Я Тсрт 1 + dЪу Ъу к у) и и1 ->- игр £Коб
густ ау 1 Я-Ъи -dаv — = Ъи -1 - т^ 1п(1 + Ъу d) + 1п(—) + 1 и у т ср.т Ъу у £Я 1 + dЪу и1 -<- игр £Коб
Приведенные на рис. 6 номограммы, построенные с учетом полученных выше формул, позволяют определить время выборки ^=уст АПАЗ для заданной зоны динамической ошибки £ при различных параметрах результирующей проходной характеристики ДУ с нелинейной коррекцией.
Рис.6. Зависимость времени установления переходного процесса АПАЗ от параметров
квазилинейного входного каскада
Представленная на рисунке 2 схема АПАЗ на базе квазилинейного ДУ и-класса [3], исследовалась с помощью программы Рвр1ве 5.1. Результаты исследования приведены на рисунке 7. Входной сигнал представлял собой прямоугольный импульс амплитудой 2В и длительностью 95 мкс. Выходной сигнал получен при различных значениях резистора Я1: кривая 1- Я1=50 Ом, кривая 2- Я1=1000м, кривая 3- Я1= 3кОм, кривая 4- = 10к0м, кривая 5-= 50к0м, кривая 6- Ю= да. Напряжение цепи смещения уровня(ЦСУ)
исм=1,2В.
Рисунок 7 - переходной процесс в АПАЗ с квазилинейным ДУ
ЛИТЕРАТУРА
1. Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М., 1977.
2. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / В. И. Анисимов, М.В. Капитонов, Н.Н. Прокопенко, Ю.М. Соколов. Л., 1979.
3. Прокопенко Н.Н. Основы структурного синтеза нелинейных корректирующих цепей усилительных каскадов./ М.,1992. Деп. в ВИНИТИ 01.02.92, № 76550.
