CS255671B1

CS255671B1 - Active wattless two-pole connection

Info

Publication number: CS255671B1
Application number: CS862730A
Authority: CS
Inventors: Radek Lukasek; Josef Podbrdsky
Original assignee: Radek Lukasek; Josef Podbrdsky
Priority date: 1986-04-14
Filing date: 1986-04-14
Publication date: 1988-03-15
Also published as: CS273086A1

Abstract

Zapojení se týká aktivního reaktan- 1 čního dvojpólu charakteru kapacity, ze kterého předřazením odporu lze vytvořit dolnofrekvenční propust, u které volbou počtu obvodů zpětnovazebních zesilovačů lze dosáhnout velmi vysokého potlačení vyšších frekvencí a vysoké strmosti frekvenční charakteristiky. Základem zapojení aktivního reaktančního odporu je obvod operačního zesilovače se dvěma větvemi záporné zpětné vazby, kde společný uzel dvou v sérii zapojených kondenzátorů, _ , tvořících kapacitní větev zpětné vazby, 4 je jedním pólem reaktančního dvojpólu, zatímco neinvertující vstup operačního zesilovače je pólem druhým. S druhým pólem může být spojena odbočka odporové zpětné vazby, a to bud přes kondenzátor, nebo přes další aktivní reaktanční obvod stejného typu.The connection concerns an active reactance 1 bipolar capacitor, from which a low-frequency pass can be created by placing a resistor in front of it, in which a very high suppression of higher frequencies and a high steepness of the frequency characteristic can be achieved by choosing the number of feedback amplifier circuits. The basis of the connection of the active reactance resistor is an operational amplifier circuit with two negative feedback branches, where the common node of two capacitors connected in series, _ , forming the capacitive feedback branch, 4 is one pole of the reactive bipolar, while the non-inverting input of the operational amplifier is the second pole. A resistive feedback branch can be connected to the second pole, either through a capacitor or through another active reactance circuit of the same type.

Description

Vynález se týká zapojení aktivního reaktančního dvojpólu charakteru frekvenčně závislé kapacity použitého u číslicově řízených přesných zdrojů napětí a proudů k účinnému potlačení střídavé složky řídicích napětí.The invention relates to an active reactance dipole of frequency-dependent capacity used in numerically controlled precision voltage sources and currents to effectively suppress the AC component of the control voltages.

Řízení přesných zdrojů napětí a budicích proudů pro elektronově optické prvky elektronových mikroskopů představuje specifický problém. Je požadována stabilita zdrojů řádu ÍO^-^ až 10 ®, přísně monotonioký průběh regulace v celém rozsahu, atd. Způsob číslicového řízení zaručující požadovaný monotonní průběh však přináší další problém, a to účinné potlačení při regulaci vznikajícího zvlnění řídicího napětí. Velikost zvlněni je odvislá od nastavené hodnoty napětí nebo proudu, přesněji od poměru této hodnoty k hodnotě maximální. Zvlnění je nutno potlačit na úroveň danou požadavky na regulaci a stabilitu, tj. zpravidla pod 1/2 LSJB. Z velikosti zvlnění a uvedeného požadavku vyplývá potřeba potlačení střídavé složky o 100 až 120 dB, přičemž v řadě případů je nutno, s ohledem na rychlost regulace, dosáhnout tohoto potlačení se strmostí 100 dB/dek i větší. Těmto požadavkům nelze vyhovět použitím pasivních filtrů a také aktivní filtry klasické koncepce zpravidla nevyhoví, neboť je nutno zařadit několik operačních zesilovačů za sebou a jejich drifty, případně šumy součásti překročí přípustnou hodnotu.The control of precise voltage sources and excitation currents for electron optical elements of electron microscopes poses a specific problem. Stability of 10 ^- 10 to 10 ® sources is required, strict monotonic control over the entire range, etc. However, the method of numerical control guaranteeing the desired monotonic behavior presents another problem, namely the effective suppression of the control ripple. The amount of ripple depends on the set value of voltage or current, more specifically the ratio of this value to the maximum value. The ripple must be suppressed to the level given by the regulation and stability requirements, ie generally below 1/2 LSJB. Due to the magnitude of the ripple and the requirement, there is a need to suppress the alternating component by 100 to 120 dB, and in many cases it is necessary to achieve this suppression with a steepness of 100 dB / dec or more in view of the control speed. These requirements cannot be met by the use of passive filters and also active filters of classical conception usually do not meet, because it is necessary to include several operational amplifiers in succession and their drifts or noise of the part exceeds the permissible value.

Tyto dosavadní nevýhody odstraňuje zapojení aktivního reaktančního dvojpólu charakteru frekvenčně závislé kapacity, sestávající z operačního zesilovače se zpětnou vazbou mezi výstupem a invertujíoím vstupem, tvořenou nejméně dvěma paralelními větvemi podle vynálezu. Podstatou zapojení je, že první vazební větev je tvořena odporem a druhá vazební větev alespoň dvěma vazebními kondenzátory, které jsou spojeny v sérii a jejichž společný uzel tvoří první svorku reaktančního dvojpólu, zatímco druhá svorka reaktančního dvojpólu je spojena s neinvertujícím vstupem operačního zesilovače bu3 přímo,nebo přes třetí odpor. Ještě výhodnější frekvenční závislosti kapacity se dosáhne, když je první vazební větev tvořena dvěma vazebními odpory zapojenými v sérii, mezi jejichž společný uzel a druhou svorku reaktančního dvojpólu je zapojen bu9 třetí kondensátor, nebo další aktivní reaktanční dvojpól charakteru frekvenčně závislé kapacity, vytvořený stejným způsobem.These prior art drawbacks are eliminated by the use of an active reactance dipole of frequency-dependent capacity, consisting of an operational amplifier with feedback between the output and the inverting input, formed by at least two parallel branches according to the invention. The essence of the circuit is that the first coupling branch is formed by a resistor and the second coupling branch by at least two coupling capacitors which are connected in series and whose common node forms the first terminal of the reactance dipole, while the second terminal of the reactant dipole is connected directly to the non-inverting input of op3. or through a third resistance. An even more advantageous frequency dependence of capacitance is achieved when the first coupling branch is formed by two coupling resistors connected in series, between whose common node and the second reactive dipole terminal is connected either a third capacitor, or another active reactive dipole of frequency dependent capacitance.

Hlavní předností zapojeni podle vynálezu je to, že umožňuje spojit výstup zdroje řídicího napětí se vstupem řízeného zdroje napětí nebo proudu přes jediný odpor, který s uvedeným aktivním reaktančním dvojpólem vytvoří RC člen, účinně potlačující zvlnění řídicího napětí, a to i v rozsahu dříve uvedených požadavků.The main advantage of the circuitry according to the invention is that it makes it possible to connect the output of the control voltage source to the input of the controlled voltage or current source via a single resistor that forms an RC member effectively suppressing the control voltage ripple with said active reactive dipole. .

Zapojení tohoto reaktančního dvojpólu je objasněno třemi příklady na obr. 1, 2, 3.The connection of this reactant dipole is illustrated by three examples in Figures 1, 2, 3.

V nej jednodušší verzi na obr. 1 jsou mezi výstupem 3c a invertujícím vstupem 3a operačního zesilovače 2 zapojeny dvě paralelní zpětnovazební větve, z nichž první je tvořena vazebním odporem 5_ a druhá kapacitní větev je tvořena dvěma vazebními kondenzátory 4a, 4b, zapojenými v sérií, jejichž společný uzel tvoří první svorku 2 reaktančního dvojpólu. Druhá svorka 2 reaktančního dvojpólu je spojena s neinvertujícím vstupem 3b operačního zesilovače 2 přímo, nebo přes třetí odpor 6. Na obr. 2 je naznačena alternativa, kdy druhá svorka 2 reaktančního dvojpólu je spojena přes třetí kondensátor 8_ se společným uzlem 2 vazebních odporů 5a, 5b odporové větve zpětné vazby. Místo třetího kondenzátoru 2 může být do obvodu mezi druhou svorkou 2 a společný uzel T_ zapojen další aktivní reaktanční dvojpól vytvořený stejným způsobem, jak naznačuje obr. 3.In the simplest version of Fig. 1, two parallel feedback branches are connected between the output 3c and the inverting input 3a of the operational amplifier 2, the first of which is formed by the coupling resistor 5 and the second capacitive branch is formed by two coupling capacitors 4a, 4b connected in series. whose common node forms the first terminal 2 of the reactance dipole. The second terminal 2 of the reactive dipole is connected to the non-inverting input 3b of the operational amplifier 2 directly or through a third resistor 6. FIG. 2 shows an alternative where the second terminal 2 of the reactive dipole is connected via a third capacitor 8 to a common coupling resistor node 2a. 5b of the feedback branch of the feedback. Instead of the third capacitor 2, another active reactive dipole formed in the same manner as shown in FIG. 3 can be connected to the circuit between the second terminal 2 and the common node T.

Vlastní zapojení pracuje takto: Střídavá složka obsažená v řídicím napětí je přiváděna z výstupu číslicově ovládaného zdroje řídicího napětí přes předřadný odpor na první svorku 2 a dále přes derivační člen tvořený prvním vazebním konoenzátorem 4a a vazebním odporem 2 na invertujíoí vstup 3a operačního zesilovače 2· Z principu funkce operačního zesilovače vyplývá, že na vstupu 3a musí být napětí blízké virtuální nule, proto se vytvoří na výstupu 3c operačního zesilovače 2 výstupní napětí takové velikosti a fáze, aby této podmínce bylo vyhověno. V důsledku toho se střídavé napětí mezi první svorkou 2 ^a výstupem 3c operačního zesilovače 2 mnohonásobně zvýší a střídavý proud tekoucí druhým vazebním kondenzátorem 4bThe actual wiring works as follows: The AC component contained in the control voltage is fed from the output of a numerically controlled control voltage source via a series resistor to the first terminal 2 and then through a derivative formed by the first coupling capacitor 4a and coupling resistor 2 to the inverting input 3a of the operational amplifier The principle of operation of the operational amplifier implies that at the input 3a there must be a voltage close to the virtual zero, therefore, at the output 3c of the operational amplifier 2, an output voltage of sufficient magnitude and phase is created to satisfy this condition. As a result, the AC voltage between the first terminal 2 ^{and the} output 3c of the operational amplifier 2 is increased many times and the alternating current flowing through the second coupling capacitor 4b

3t vyvolá na odporu předřazeném reaktančnímu dvojpólu takový úbytek napětí, že střídavá složka řídicího napětí je velmi účinně potlačena, zatímco stejnosměrná složka, respektive nízké frekvence jsou přenášeny bez potlačení. Reaktanční dvojpól spolu s předřadným odporem se chová jako dolnofrekvenční propust dvoupólová, tj. se sklonem charakteristiky 40 dB/dekádu. Je-li vazební odpor 5 rozdělen na dva vazební odpory 5a a 5b a doplněn třetím kondenzátorem 8, jeví se obvod spolu s předřadným odporem jako filtr třípólový se sklonem charakteristiky 60 dB/dekádu.3t causes a voltage drop across the resistor upstream of the reactive dipole such that the AC component of the control voltage is very effectively suppressed, while the DC component and / or the low frequencies are transmitted without suppression. The reactance dipole together with the series resistor behaves as a low-pass two-pole filter, ie with a slope of 40 dB / decade. If the coupling resistor 5 is divided into two coupling resistors 5a and 5b and supplemented with a third capacitor 8, the circuit together with the series resistor appears to be a three-pole filter with a slope of 60 dB / decade.

Dále je možno třetí kondenzátor 2 nahradit reaktančním obvodem podle obr. 1, respektive podle obr. 2 a tak vytvořit filtr čtyřpólový, respektive pětipólový. Tímto postupem je možno počet pólu podle potřeby dále zvyšovat. Volbou hodnot součástek, tj. vazebních kondenzátorů 4a, 4b, 8 a vazebních odporů 5a./ 5b a odporu reaktačnímu dvojpólu předřazeného je možno vytvořit dolnofrekvenční propust libovolného typu - Butterworthova, Besselova nebo Cebyševova.Furthermore, the third capacitor 2 can be replaced by the reactant circuit of FIGS. 1 and 2, respectively, to form a four-pole and five-pole filter, respectively. In this way, the number of poles can be further increased as desired. By selecting the values of the components, ie coupling capacitors 4a, 4b, 8 and coupling resistors 5a./ 5b and the resistance of the upstream reaction pole, it is possible to create a low-pass filter of any type - Butterworth, Bessel or Cebyshev.

Zapojení se ukázalo jako výhodné, nebot vlivem kapacitních vazeb mezi jednotlivými obvody dochází k minimálnímu ovlivnění výstupu řídicího napětí drifty nebo šumy jednotlivých zesilovacích stupňů a relativně snadno lze dosáhnout potlačeni střídavých složek řídicího napětí o 120 až 130 dB, při strmosti až 140 dB/dekádu. Ve spojeni s číslicově ovládaným zdrojem řídicího napětí lze dosáhnout stabilit řádu 10 až 10~ při monotonickém průběhu regulace v celém rozsahu. I při vysokých nárocích na filtraci střídavé složky je možno dosáh nout ustálení řídicího napětí v časech řádu 0,1 až 1 s.The wiring has proved to be advantageous because the capacitive coupling between the circuits minimizes the control voltage output of the drifts or the noise of the individual amplification stages, and it is relatively easy to suppress the AC control components by 120 to 130 dB at a steepness of 140 dB / decade. In conjunction with a numerically controlled source of control voltage, stability of the order of 10 to 10 ~ can be achieved with monotonic control over the entire range. Even with high demands on AC component filtration, the control voltage can be stabilized at times of the order of 0.1 to 1 s.

Claims

object of the invention

An active reactive dipole of frequency-dependent capacity, consisting of an operational amplifier with feedback between an output and an inverting input consisting of at least two parallel coupling branches, characterized in that the first coupling branch is formed by a resistor (5) and the second coupling branch by at least two coupling capacitors (4a, 4b) which are connected in series and whose common node forms the first terminal (1) of the reactive dipole, while the second terminal (2) of the reactive dipole is connected directly to the non-inverting input (3b) of the operational amplifier (3). or via a third resistor (6).

An active reactive dipole connection according to claim 1, characterized in that the first coupling branch is formed by at least two coupling resistors (5a, 5b) connected in series whose common node (7) is connected via a third capacitor (8) to the second terminal (2) of the reactance dipole.

3. The active reactive dipole according to claim 2, characterized in that a second reactive dipole (8a) formed by the active reactive dipole according to claim 1 is connected between the common coupling resistor node (7a) and the second terminal (2). , where appropriate under point 2.