11.3. Кодокеровані магазини опору

Традиційні структури перетворювачів код-опір являють собою або ланцюг послідовно з'єднаних масштабних резисторів, кожен з яких зашунтований ключем, або паралельно сполучені масштабні резистори, кожен з яких під’єднується до вхідних клем ключем рис. 11.2 [71].

Р ис. 11.2. Схема однієї декади класичного кодокерованого магазину опору

Метрологічні параметри цих мір передусім визначаються якістю комутаційних елементів. Так, одиниця молодшого розряду та диференціальна нелінійність КМО визначається опорами замкнених ключів, а максимальне значення відтворюваного опору залежить від опору ізоляції розімкнених ключів. Крім того, в широкому діапазоні відтворення потрібні водночас сильнострумові та високовольтні ключі. Одиниця молодшого розряду в ідеальному випадку визначатиметься опором r_з, тільки одного замкненого ключа і навіть для найякісніших (і найдорожчих) ртутних контактних реле з r_з=(0,025±0,002) Ом [64, 65] в багатодекадному магазині не буде меншою, ніж 0,1 Ом [92, 93]. Як показано в [63], вимоги до якості ключів (відношення їх опорів в розімкненому та замкненому станах) дуже сильно зростають із збільшенням кількості розрядів КМО, причому. як опору, так і провідності. Так, на ртутних реле може бути реалізований лише 6-декадний кодокерований магазин опору класу точності 0,1. Максимальне значення відтворюваних опорів при тому самому класі точності та опорах ізоляції ключів порядку 10¹¹ Ом не перевищуватиме 10⁷ Ом.

Істотним недоліком класичних m–розрядних магазинів опору є велика варіація початкового опору (адитивної складової похибки), максимальне значення якої дорівнює mе_n. Верхня межа відтворювальних опорів визначатиметься опором ізоляції ключів і для магазинів опору класу точності 0,1% не перевищуватиме 10⁷ Ом. Використання релейних комутаторів, окрім всього, призводить до появи початкової напруги, значення якої може змінюватися від 0 до mе_n, де е_n - ЕРС замкненого ключа.

Класичні магазини з ключами на біполярних транзисторах (БТ) мають більшу ОМР (100 Ом) і початкову напругу, менший діапазон відтворення із значно складнішу схему керування порівняно з КМО з релейними ключами. ОМР в КМО з ключами на і польових транзисторах (ПТ) найбільша (1 кОм), але відсутня початкова напруга.

Можливості покращання метрологічних параметрів класичних КМО обмежені, так, при тетрадному виконанні декади варіація початкового опору може бути зменшена лише до трьох значень опорів замкнених ключів 3r_k [94]. Тільки в декадах однономінальних резисторів варіація початкового опору складатиме мінімальне значення r_k. Для компенсації опору r_k єдиного замкненого ключа декади перспективним є використання операційних підсилювачів (ОП), причому для реалізації однієї декади потрібен лише один ОП та три ключі на ПТ [95]. Для компенсації залишкових параметрів єдиного ключа декади перспективним є використання активних схем з операційними підсилювачами (ОП). При цьому використовується одна із основних властивостей ідеальних ОП із зворотні зв'язками - практична рівність потенціалів обох його входів. Історично одним із перших був запропонований магазин опору, який складається з основних декад однономінальних резисторів, міри відношень, повторювачів струму та напруги [96]. Принцип компенсації опорів замкнених ключів полягає у використанні міри відношень, як потенціальної опорної напруги для управління керованим джерелом напруги, яке й вирівнює спади напруг на основній декаді та мірі відношень. Очевидним недоліком такого рішення є його надзвичайна складність, оскільки в одній декаді магазину використовується двадцять точних і резисторів та два прецизійних ОП. Пропонувалися також структури декад опорів з комутаторами на МДН-транзисторах з компенсацією розкиду параметрів транзисторів, інструментальних та температурних похибок масштабних резисторів. Однак, такий КМО не може бути високовольтним (високоомним) через малі допустимі значення міжелектродних напруг ПТ, крім того, він доволі складний в реалізації. Перспективним рішенням є КМО на базі компенсаційного ОП з потенціально-струмовою комутацією масштабних резисторів, в якому за умови використання ключів на ПТ як потенціальних можна компенсувати залишкові параметри струмових релейних комутаторів [97].

За кордоном серійно випускаються КМО базі кодокерованого магазину, керування який здійснюється через інтерфейс приладів. Наприклад, фірмою Time Electronics (Великобританія) виготовляється КМО з діапазоном відтворення опору 0,1 ... 10⁴ Ом, дискретністю 0,1 Ом і точністю двох старших декад 0,1 % [92]. Фірма General Radio (США) розробила КМО з діапазоном відтворення 0,1 ...10⁶ Ом, дискретністю 0,1 Ом, класу точності [93].

Мінімального впливу залишкових параметрів ключів за рахунок апаратної надлишковості можна досягнути лише в класичній декаді однономінальних масштабних резисторів. Однак проведений аналіз показав, що компенсацію можна здійснити тільки при певній температурі довкілля та при певному значенні струму декади. Крім того, через фізичні обмеження МДН-транзисторів щодо комутації високих напруг розглянута структура не може бути використана для побудови широкодіапазонного КМО.

Аналіз показав, що тільки, в декадах із потенціально-струмовою комутацією масштабних резисторів можна компенсувати залишкові параметри ключів у широкому діапазоні відтворення [97]. Заступна схема двох декад такого магазину подана на рис. 11.3.

Р ис. 11.3. Заступна схема декад КМО з потенціально-струмовою комутацією резисторів

Вихідну напруга U_вих.компенсаційного ОП визначимо так:

, (11.5)

а вихідну напругу U_м магазину опору -

, (11.6)

і відтворюваний магазином опір R_i

, (11.7)

де R_i, r_pi, r_si – відповідно, опори масштабних резисторів, замкнених потенціального та струмового ключів i ї декади; R_j, r_pj, r_sj - відповідно опори масштабних резисторів, замкнених потенціального та струмового ключів j-ї декади; I_м, I^-, I⁺ - струми магазину, інвертую чого та неінвертуючого входів ОП; е_оп, е_і, е_j – напруга зміщення ОП, залишкові напруги ключів і-ї та j-ї декад.

Як показує аналіз співвідношень (11.5)-(11.7), залишкові параметри комутаторів обох декад скомпенсовані, але виникає складова похибки, зумовлена вхідними струмами та напругами зміщення компенсаційних ОП. За умови використання прецизійних ОП на базі цього рішення серійно реалізуються шестидекадні прецизійні КМО (ВО "Краснодарский ЗИП", Росія) [21].