УПРАВЛЯЕМОЕ ПРЕЦИЗИОННОЕ РЕГЕНЕРАТИВНОЕ ПОРОГОВОЕ УСТРОЙСТВО
CONTROLLED PRECISION REGENERATING THRESHOLD DEVICE

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.
вых
1
вых
2
1
2
Первый аналоговый коммутатор 4 (предпочтительно МОП-типа) имеет два ключа, работающие в противофазе. Если выходное напряжение ОУ U положительно, то цепь положительной обратной связи будет подключена к управляющему напряжению U. Если же выходное напряжение ОУ (и УПУ в целом) U отрицательно, то цепь положительной обратной связи оказывается подключенной к управляющему напряжению U. Полярности напряжений U и U значения не имеют.
вых
вых
вых
вых
вых
Д
вых
Д
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/dt=0 и ключ коммутатора 5 включен. В течение времени, когда происходит процесс переключения УПУ из одного из двух возможных устойчивых состояний (U>0 или U<0) в другое устойчивое состояние (соответственно U<0 или U>0), на выходе дифференцирующей цепочки 6 появляется импульс положительного или отрицательного напряжения U=dU/dt. Импульсное напряжение U 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:
1
2
При неизменной температуре эксплуатации УПУ сопротивления включенных ключей коммутаторов r можно учесть посредством регулировки одного из сопротивлений R или R. 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:
2
1
2
где в реальных схемах R/r+1>>Δr/r и (R+R)/r+1>>Δr/r, поэтому с вполне достаточной точностью:
2
1
2
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 R/r или (R+R)/r соответственно для неинвертирующего и инвертирующего известных УПУ.
Пороговые напряжения заявленных УПУ с учетом сопротивлений включенных ключей r можно рассчитать по формулам:
1
2
где R - сопротивление резисторов 1; R - 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:
пор.неинв
пор.инв.
Тогда относительные изменения пороговых напряжений U и U УПУ, вызванные изменением температуры, будут равны:
Разделив числители и знаменатели последних двух выражений на r, получим:
В реальных схемах УПУ всегда выполняются соотношения:
2
1
2
R/r+1>>Δr/r и тем более (R+R)/r+2>>2Δr/r, поэтому с достаточной для практической электроники точностью можно считать, что
1
1
2
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 (R+r)/(R-R) раз.
1
2
1
2
Более того, из (2) следует, что при R=R в заявленных УПУ зависимость сопротивления r включенных ключей коммутатора от температуры никак не будет влиять на термостабильность пороговых напряжений. Равенство R=R 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.