ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к измерительной радиотехнике, а точнее к прецизионным измерительным операционным усилителям, и может быть использовано, например, в медицинской диагностической аппаратуре в области кардиологии, энцефаллографии, миографии и др.

Известен измерительный операционный усилитель (ОУ) на трех ОУ, построенный по структуре резистивной обратной связи, так называемый источник напряжения, управляемый напряжением. В этом измерительном ОУ выходы первого и второго ОУ соединены между собой через первый резистор, а через второй и третий резисторы их выходы соответственно подключены к инвертирующему и неинвертирующему входам третьего ОУ. Кроме того, выходы первого, второго и третьего ОУ соответственно через четвертый, пятый и шестой резисторы соединены с их инвертирующими входами, а неинвертирующий вход третьего ОУ через седьмой резистор к общей шине [1]
Известный измерительный ОУ относится к среднему классу ОУ, не является прецизионным и имеет удовлетворительные для некоторых применений в технике параметры: нелинейные искажения 6-8% коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) порядка 80 дБ. Однако для получения даже таких параметров требуются прецизионные резисторы, что значительно увеличивает затраты на изготовление описанного измерительного ОУ. Уменьшение нелинейных искажений и получение более высокого КОСС в подобных ОУ в принципе невозможно из-за существующего разброса параметров входных первого и второго ОУ. В результате неидентичности их параметров входной синфазный сигнал на выходе этих ОУ преобразуется в дифференциальный и далее усиливается как обычный полезный сигнал.

Известен измерительный ОУ на трех ОУ, построенный по структуре преобразователя напряжение-ток-напряжение, так называемый источник тока, управляемый напряжением, принятый за прототип [3] Он содержит первый, второй и третий ОУ, при этом неинвертирующие входы первого и второго ОУ являются входами измерительного ОУ, два токовых зеркала (ТЗ), входы которых подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам питания первого ОУ [2] Инвертирующие входы первого и второго ОУ соединены между собой через первый резистор, а выходы всех трех ОУ подключены соответственно к их инвертирующим входам. Выходы двух ТЗ соединены с общей шиной через второй резистор и с неинвертирующим входом третьего ОУ, а выводы питания ТЗ к шинам соответственно положительного и отрицательного напряжения. Выход третьего ОУ является выходом измерительного ОУ.

Прототип свободен от недостатков аналога [1] имеет меньшие нелинейные искажения (3-4%), более высокий КОСС в широком диапазоне частот и не требует прецизионных резисторов. Однако эти параметры обеспечиваются только в малом диапазоне токов входного сигнала, порядка нескольких сотен микроампер. При увеличении токов входного сигнала увеличиваются нелинейные искажения, что ограничивает применение прототипа в прецизионных измерительных схемах. Это обусловлено тем, что весь размах выходного тока (и соответственно напряжения) первого ОУ прикладывается к коллектору ТЗ. В результате возникает модуляция коллекторного напряжения ТЗ, которая ухудшает процесс передачи (отражения) тока ТЗ, увеличивая нелинейные искажения в основном за счет второй гармоники выходного сигнала.

Цель изобретения уменьшение нелинейных искажений измерительного ОУ.

Для достижения указанной цели предлагается измерительный ОУ, содержащий первый, второй и третий ОУ, а также первое и второе ТЗ. Неинвертирующие входы первого и второго ОУ являются входами измерительного ОУ. Входы первого и второго ТЗ подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам питания первого ОУ, а их выходы соединены. Выводы питания ТЗ подключены к шинам соответственно положительного и отрицательного напряжения. Инвертирующий вход первого ОУ через первый резистор соединен с инвертирующим входом и выходом второго ОУ. Выход третьего ОУ является выходом измерительного ОУ и соединен с инвертирующим входом третьего ОУ, неинвертирующий вход которого через второй резистор подключен к общей шине.

В отличие от прототипа в предлагаемом измерительном ОУ выходы первого и второго ТЗ подключены к инвертирующему входу первого ОУ, выход которого соединен с неинвертирующим входом третьего ОУ.

Так как токовые зеркала в предлагаемом ОУ включены в цепь отрицательной обратной связи первого ОУ, то модуляция коллекторного напряжения ТЗ, существующая в прототипе при его работе, может быть значительно уменьшена или полностью устранена.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого усилителя.

Измерительный ОУ содержит три неинвертирующих ОУ 1,2,3, первое и второе токовые зеркала 4 и 5. Инвертирующие входы ОУ 1 и 2 соединены между собой через первый резистор 6 (R₁), а неинвертирующие входы их являются входами измерительного ОУ. Выходы ОУ 2 и 3 соединены соответственно с их инвертирующими входами. Входы токовых зеркал 4 и 5 подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам питания первого ОУ 1, а их выходы соединены с инвертирующим входом первого ОУ 1. Выводы питания ТЗ 4 и 5 подключены к шинам соответственно положительного и отрицательного напряжения. Выход ОУ 1 подключен к общей шине через второй резистор 7 (R2) и к неинвертирующему входу третьего ОУ 3.

Выход ОУ 3 является выходом измерительного операционного усилителя. ОУ 1 включен как преобразователь напряжение-ток, ОУ 2 как повторитель напряжения, а ОУ 3 совместно с резистором 7 как преобразователь ток-напряжение. Токовые зеркала 4 и 5 включены в цепь последовательной отрицательной обратной связи ОУ 1.

Усилитель работает следующим образом.

Разность потенциалов U₁ U₂ на первом резисторе 6 определяет ток I₀ в цепи отрицательной обратной связи ОУ 1. Этот ток передается токовым зеркалам 4 и 5. Входной ток ОУ 1 I образуется как разность токов, потребляемых ОУ 1 от источника питания + U и U. Поскольку сумма токов, входящих в ОУ 1 и выходящих из него, равна нулю, то разность токов, потребляемая от источников питания, должна быть равна . Именно эта разность токов и поступает в резистор 7. Но ОУ 3 совместно с резистором 7 включен как преобразователь ток-напряжение, поэтому его выходное напряжение, а значит и выходное напряжение измерительного усилителя, будет равно
U_вых (U₁ U₂) (1)
Усиление дифференциального сигнала определяется отношением сопротивления резисторов R₂/R₁, но так как ни один из них не находится в петле обратной связи усилителей 1 и 2, то коэффициент усиления дифференциального сигнала зависит только от величины отношения сопротивлений резисторов R₂/R₁.

Из уравнения (1) видно, что коэффициент усиления синфазного сигнала, т. е. при U₁ U₂, будет равен нулю.

Уменьшение нелинейных искажений достигнуто за счет того, что токовые зеркала 4 и 5 включены в цепь последовательной отрицательной обратной связи ОУ 1. В этом случае модуляция коллекторного напряжения токовых зеркал 4 и 5 уменьшается на величину петлевого усиления (К · β ) ОУ 1.

На МП "Символ" изготовлен и прошел исследования опытный образец предлагаемого усилителя. По сравнению с прототипом он обеспечивает нелинейные искажения менее 2% при токах до 20 мА и менее 1% при токах до 2 мА.

Использование: прецизионные измерительные операционные усилители (ОУ) для использования в радиотехнике и медицинской диагностической аппаратуре в электрокардиологии, электроэнцефаллографии, электромиографии. Сущность изобретения: усилитель содержит первый, второй, третий ОУ, а также первое и второе токовые зеркала (ТЗ). Неинвертирующие входы первого и второго оу являются входами измерительного ОУ. Входы первого и второго ТЗ подключены соответственно к положительному и отричательному выводам питания первого ОУ, а их выводы соединены. Выводы питания ТЗ подключены к шинам соответственно положительного и отрицательного напряжения. Инвертирующий вход первого ОУ через первый резистор соединен с инвертирующим входом и выходом второго ОУ. Выход третьего ОУ является выходом измерительного ОУ и соединен с инвертирующим входом третьего ОУ, неинвертирующий вход которого через второй резистор подключен к общей шине. Соединенные выходы первого и второго ТЗ подключены к инвертирующему входу первого ОУ, выход которого соединен с неинвертирующим входом третьего ОУ. Изобретение уменьшает нелинейные искажения усиливаемых сигналов. 1 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий первый - третий операционные усилители, при этом неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей являются входами измерительного операционного усилителя, первый и второй токовые зеркала, входы которых подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам питания первого операционного усилителя, выходы первого и второго токовых зеркал соединены, а выводы питания подключены к шинам соответственно положительного и отрицательного напряжения, инвертирующий вход первого операционного усилителя через первый резистор соединен с инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя, при этом выход третьего операционного усилителя является выходом измерительного операционного усилителя и соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через второй резистор подключен к общей шине, отличающийся тем, что соединенные выходы первого и второго токовых зеркал подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, выход которого соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя.