ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ ТЕЧЕИСКАТЕЛЯ Российский патент 1994 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в частности в масс-спектрометрических течеискателях, применяемых для обнаружения и контроля газовой течи при проверке на герметичность объектов машиностроения и различных приборов.

Известен электрометрический усилитель (ЭМУ) течеискателя, выполненный на электрометрической лампе (входной каскад), балансном каскаде на полевых транзисторах и выходном транзисторном усилителе. Электрометрические лампы в сравнении с полупроводниковыми приборами имеют малый ресурс (до 1000 ч) и являются элементами с низкой надежностью. Для стабильной работы такого ЭМУ, т.е. для минимизации дрейфа нуля на входе, необходима стабилизация тока накала катода, а также анодного и экранного напряжений. Помимо того, необходима регулировка напряжения смещения первой сетки лампы. Это означает, что при смене электрометрической лампы необходимо по-новому устанавливать ток накала и напряжение смещения первой сетки лампы, что вызывает неудобства в процессе эксплуатации течеискателей.

Наиболее близким к изобретению является ЭМУ, содержащий первый и второй полевые транзисторы, обладающие согласованными параметрами, последовательно соединенные источник положительного напряжения и первый и второй резисторы, точка соединения которых подключена к точке соединения стоков полевых транзисторов, первый и второй истоковые резисторы, имеющие равные сопротивления, каждый из которых подключен одним выводом к истоку соответствующего полевого транзистора, последовательно соединенные первый операционный усилитель (ОУ), инвертирующий и неинвертирующие входы которого подключены к стокам первого и второго полевых транзисторов соответственно, и выходной усилитель, второй ОУ, инвертирующий вход которого подключен к истоку второго полевого транзистора и к неинертирующему входу первого ОУ, а выход подключен к точке соединения других выводов первого и второго истоковых резисторов, а также резистор обратной связи, включенный между выходом выходного усилителя и затвором первого полевого транзистора, являющимся входом устройства, при этом затвор второго полевого транзистора подключен к общей шине.

В устройстве достигается расширение диапазона входных токов путем более точной компенсации паразитного тока.

Для этого в электрометрическом усилителе для течеискателя, содержащем первый и второй полевые транзисторы, обладающие согласованными параметрами, последовательно соединенные источник положительного напряжения и первый и второй резисторы, точка соединения которых подключена к точке соединения стоков полевых транзисторов, первые и вторые истоковые резисторы, имеющие равные сопротивления, каждый из которых под- ключен одним выводом к истоку соответствующего полевого транзистора, последовательно соединенные первый операционный усилитель, инвертирующий и неинвертирующий входы которого подключены к истокам первого и второго полевых транзисторов соответственно, и выходной усилитель, второй операционный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к истоку второго полевого транзистора и к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, а выход подключен к точке соединения других выводов первого и второго истоковых резисторов, а также резистор обратной связи, включенный между выходом выходного усилителя и затвором первого полевого транзистора, являющимся входом устройства, при этом затвор второго полевого транзистора подключен к общей шине входных токов, введены последовательно соединенные источник отрицательного напряжения, третий резистор, четвертый резистор и переменный резистор, другой вывод которого подключен к другому выводу второго резистора, его движок подключен к общей шине, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к точке соединения третьего и четвертого резисторов.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема электрометрического усилителя для течеискателя.

Электрометрический усилитель для течеискателя содержит первый и второй полевые транзисторы 1 и 2, источник положительного напряжения 3, первый и второй резисторы 4 и 5, переменный резистор 6, третий и четвертый резисторы 7 и 8, источник отрицательного напряжения 9, первый и второй ОУ 10 и 11, выходной усилитель 12, резистор обратной связи 13, а также первый и второй истоковые резисторы 14 и 15.

Электрометрический усилитель для течеискателя работает следующим образом.

На вход электрометрического усилителя поступает выходной ток масс-спектрометрического анализатора течеискателя, при этом первый полевой транзистор 1 должен иметь минимальный паразитный ток затвора, который определяет нижнюю границу регистрируемых токов масс-спектрометрического анализатора. Если втекающий через входной ток положительной полярности, образованный потоком ионов, превышает указанную нижнюю границу, то он направляется через резистор 13 обратной связи, создавая на нем падение напряжения. За счет большого коэффициента передачи усилительного тракта, состоящего из повторителей напряжения на полевых транзисторах 1 и 2, первого ОУ 10 и выходного усилителя 12, на выходе устройства создается выходное напряжение отрицательной полярности. Это напряжение почти полностью компенсирует падение напряжения на резисторе 13 обратной связи, не изменяя потенциала входа. Таким образом, создается режим низкого входного сопротивления, благоприятный для измерения поступающего извне тока.

Стабильность работы устройства зависит от точности и стабильности компенсации паразитных токов затвора первого полевого транзистора 1.

Известно, что ток затвора полевого транзистора с p-n-переходом определяется из соотношения
I₃=Ie -1, где I₃ - ток затвора;
I₀ - ток насыщения;
U - напряжение на затворе;
Т - температура;
К - постоянная Больцмана;
q - заряд электрона.

Из приведенного соотношения видно, что ток затвора увеличивается с увеличением напряжения на затворе, стремясь в пределе к току насыщения. Наименьший ток затвора будет при минимальных значениях тока стока и напряжения сток-исток.

Рассмотрим механизм компенсации паразитного тока затвора первого полевого транзистора 1, обуславливающего нижнюю границу токов, измеряемых при помощи устройства. При этом в электрометрическом усилителе напряжение цепи входа, вязанной с затвором полевого транзистора, равно нулю. При малом напряжении на стоке первого полевого транзистора через переход стока-затвор протекает паразитный ток затвора I_с-з. Для его компенсации необходимо создать в цепи затвора ток I_з-ипротивоположного напряжения, не изменяющий потенциал затвора. Такой ток создается при помощи смещения потенциала истока так, чтобы значения токов I_з-и и I_с-з в цепи затвора были равны и противоположны по знаку.

На основной ток в канале сток-исток I_с-и тока I_з-и не влияет ввиду его малости.

Регулируя потенциал в общей точке третьего и четвертого резисторов 7 и 8 переменным резистором 6, можно одновременно изменять напряжения стоков и истоков обоих полевых транзисторов. Это достигается за счет того, что второй истоковый резистор 15 включен в цепь отрицательной обратной связи второго ОУ 11 и при этом потенциал его неинвертирующего входа передается без изменения на инвертирующий вход, а также на соединенный с ним исток второго полевого транзистора. За счет высокой идентичности характеристик обоих полевых транзисторов, равенства сопротивлений истоковых резисторов 14 и 15, общему стоку и общей точке подключения этих резисторов к выходу второго ОУ 11 потенциал на истоке первого полевого транзистора будет совпадать с потенциалом истока второго полевого транзистора. Для снижения влияния разброса по начальному току различных экземпляров полевых транзисторов 1 и 2 целесообразно включение переменного резистора 6 и разнополярных источников напряжения 3 и 9. При этом изменение потенциала на стоках полевых транзисторов приводит к эффекту более глубокого регулирования при относительно малых изменениях сопротивления переменного резистора 6.

Использование: электронная техника, масс-спектрометрические течеискатели. Сущность изобретения: электрометрический усилитель для течеискателя содержит первый и второй полевые транзисторы 1 и 2, источник положительного напряжения 3, первый и второй резисторы 4 и 5, переменный резистор 6, третий и четвертый резисторы 7 и 8, источники отрицательного напряжения 9, первый и второй ОУ 10 и 11, выходной усилитель 12, резистор обратной связи 13, а также первый и второй истоковые резисторы 14 и 15. В устройстве благодаря более точной компенсации паразитного тока сток - затвор первого полевого транзистора достигается расширение диапазона входных токов. 1 ил.

ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ ТЕЧЕИСКАТЕЛЯ, содержащий первый и второй полевые транзисторы, обладающие согласованными параметрами, последовательно соединенные источник положительного напряжения и первый и второй резисторы, точка соединения которых подключена к точке соединения стоков полевых транзисторов, первый и второй истоковые резисторы, имеющие равные сопротивления, каждый из которых подключен одним выводом к истоку соответствующего полевого транзистора, последовательно соединенные первый операционный усилитель, инвертирующий и неинвертирующие входы которого подключены к истокам первого и второго полевых транзисторов соответственно, и выходной усилитель, второй операционный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к истоку второго полевого транзистора и к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, а выход подключен к точке соединения других выводов первого и второго истоковых резисторов, а также резистор обратной связи, включенный между выходом выходного усилителя и затвором первого полевого транзистора, являющимся входом устройства, при этом затвор второго полевого транзистора подключен к общей шине, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные источник отрицательного напряжения, третий резистор, четвертый резистор и переменный резистор, другой вывод которого подключен к другому выводу второго резистора, его движок подключен к общей шине, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к точке соединения третьего и четвертого резисторов.