усилитель постоянного напряжения

Формула изобретения

Усилитель постоянного напряжения, содержащий мультивибратор и низкочастотный фильтр, выделяющий низкочастотную составляющую выходного напряжения, отличающийся тем, что мультивибратор выполнен по схеме симметричного мультивибратора и содержит соединенные последовательно первый и второй RS-триггеры и времязадающий конденсатор, включенный между входами первого RS-триггера и обкладки которого через соответствующие резисторы соединены с дифференциальным источником усиливаемого сигнала, R-вход первого RS-триггера соединен с анодом диода, катод которого соединен с инверсным выходом второго RS-триггера, a S-вход первого RS-триггера соединен с анодом второго диода, катод которого соединен с прямым выходом второго RS-триггера, а к выходам второго RS-триггера подключен низкочастотный фильтр, содержащий два резистора, включенные соответственно между прямым и инверсным выходами второго RS-триггера и обкладками конденсатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиоэлектроники и автоматики, в частности к импульсной технике и усилителям постоянного напряжения. В качестве усилителей постоянного напряжения часто используется операционный усилитель (1). Недостатком такого усилителя является использование разнополярного напряжения питания, что неудобно при разработке цифровых устройств управления технологическими процессами, которые строят на основе цифровых интегральных схем. При однополярном питании операционного усилителя, во-первых, напряжение питания цифровых устройств (5В) является недостаточным, а во-вторых, пульсация питающего напряжения недопустима велика для операционного усилителя.

Известен широтно-импульсный модулятор (2), содержащий автогенераторный мультивибратор, одновибратор (ждущий мультивибратор) и два усилителя импульсов, подключенные к двум выходам одновибратора, а выход автогенераторного мультивибратора подключен ко входу синхронизации одновибратора. Работа этого устройства основана на изменении длительности выходных импульсов одновибратора под действием постоянного напряжения на управляющем входе одновибратора.

Основными недостатками такого устройства являются нестабильность средней составляющей выходного напряжения и коэффициента усиления при изменении температуры окружающей среды и напряжения питания, а также отсутствие дифференциального входа, что снижает помехозащищенность устройства при использовании его в качестве усилителя постоянного напряжения.

Поставлена задача - повысить стабильность выходного напряжения усилителя постоянного напряжения при использовании в качестве усилительных элементов цифровых интегральных схем и создание дифференциальной входной цепи усилителя.

Поставленная задача решается за счет того, что в усилитель постоянного напряжения, содержащий логический элемент, резисторы и конденсатор, согласно изобретению дополнительно введены три логических элемента, два диода и конденсатор, а логические элементы выполнены в виде элементов 2И-НЕ, причем логические элементы образуют два RS-триггера, соединенных последовательно, к S-входу первого RS-триггера подключен анод первого диода, катод которого соединен с инверсным выходом второго RS-триггера, а к R-входу первого RS-триггера подключен анод второго диода, катод которого соединен с выходом второго RS-триггера, входы первого RS-триггера через два резистора соединены с дифференциальным источником усиливаемого сигнала, а выходы второго RS-триггера через два резистора соединены с двумя выходами усилителя, между которыми включен конденсатор.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов: трех дополнительных логических элементов 2И-НЕ, двух диодов, времязадающего конденсатора, соединенных по схеме симметричного мультивибратора, резисторов связи между источником входного сигнала, а также низкочастотного RC- фильтра в выходной цепи мультивибратора и их связями. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения показывает, что симметричные мультивибраторы такого же типа, как и в предлагаемом устройстве, известны (3). Однако при введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство вышеуказанный мультивибратор проявляет новые свойства, что приводит к новой возможности усиления низкочастотных сигналов. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена схема предлагаемого усилителя.

Усилитель постоянного напряжения содержит логические элементы 1 и 2, соединенные по схеме RS-триггера 3, между S- и R- входами которых включен времязадающий конденсатор 4, обкладки которого соединены через резисторы 5 и 6 с дифференциальным источником усиливаемого сигнала (на чертеже не показан), а через диоды 7 и 8 с выходами логических элементов 9 и 10, соединенных по схеме RS-триггера 11, к которым подключен RC-фильтр низкой частоты 12, содержащий резисторы 13 и 14, включенные соответственно между прямым и инверсным выходами RS-триггера 11 и обкладками конденсатора 15.

Усилитель работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии на выходе логического элемента 1 действует низкий уровень (логический ноль). Тогда диод 8 открыт и по цепи - источник питания, входная цепь логического элемента 1, конденсатор 4, диод 8, выходная цепь логического элемента 10 - протекает ток заряда конденсатора 4. При отсутствии усиливаемого сигнала зарядка конденсатора 4 происходит до уровня срабатывания логического элемента, затем происходит переключение логического элемента 1, что вызывает переключение логических элементов 9 и 10. В результате диод 8 закрывается, а диод 7 открывается и происходит процесс перезарядки конденсатора. Таким образом, мультивибратор, собранный на логических элементах 1, 2, 9, 10 и диодах 7, 8, вырабатывает симметричные импульсы с частотой, заданной значением емкости времязадающего конденсатора 4. При наличии усиливаемого сигнала протекает дополнительный ток заряда конденсатора 4. В результате длительность интервалов времени, в течение которых логический элемент 1 формирует на своем выходе сигнал высокого уровня (логическая единица), изменяется под действием усиливаемого сигнала. Аналогично для логического элемента 2 происходит противоположное изменение длительности состояния, соответствующее высокому уровню (логическая единица) на выходе. Таким образом происходит изменение скважности выходных импульсов мультивибратора без изменения частоты. Низкочастотный RC-фильтр 12, подключенный к двум выходам логических элементов 9 и 10, выделяет низкочастотную составляющую выходного напряжения, которая имеет частоту, равную частоте усиливаемого сигнала, и пропорциональна ему по амплитуде. Таким образом, предлагаемое устройство является усилителем постоянного напряжения.

Экспериментальные исследования показывают, что коэффициент усиления предлагаемого усилителя равен 4 для различных типов интегральных микросхем (К 155ЛАЗ, 1533ЛАЗ и т. д.) и различных резисторов 5 и 6. Ширина полосы пропускания определяется постоянной времени цепи низкочастотного RC- фильтра 12 и значением емкости времязадающего конденсатора 4. Амплитудный диапазон выходного сигнала предлагаемого усилителя достигает 10 вольт при правильном выборе синфазной составляющей усиливаемого сигнала. Термостабильность коэффициента усиления высокая. В диапазоне изменения температур окружающей среды -50+50^oC изменение коэффициента усиления не превышает 2%. В этом же диапазоне изменения температур уровень постоянной составляющей выходного напряжения изменяется менее 1%.

Источники информации

1. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства, Москва, Связь, 1975. С.384.

2. Патент США N 3568094, H 03 К 7/08, опубл. 02.03.71.

3. SU 1561119, H 01 H 36/00, 30.04.1990.