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 электрокардиологии, электроэнцефаллографии, электромиографии и др.

Известен измерительный операционный усилитель (ОУ) на трех ОУ, построенный по структуре резистивной обратной связи, так называемый источник напряжения, управляемый напряжением. В нем инвертирующие входы первого и второго ОУ соединены между собой через первый резистор, а через второй и третий тиристоры их выводы подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам третьего ОУ. Кроме того, выходы первого, второго и третьего ОУ соединены соответственно через четвертый, пятый и шестой резисторы с их инвертирующими входами, а неинвертирующий вход третьего ОУ через седьмой резистор заземлен [1]
Такой измерительный ОУ относится к среднему классу, он не является прецизионным и имеет удовлетворительные 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 известного измерительного ОУ. Получение более высокого КОСС в подобных ОУ в принципе невозможно из-за существенного разброса параметров входных первого и второго ОУ, т.е. из-за их неидентичности. В результате входной синфазный сигнал на выходе этих ОУ преобразуется в дифференциальный и далее усиливается как обычный полезный сигнал.

Известен измерительный ОУ, принятый за прототип, построенный по структуре преобразователя напряжение-ток-напряжение, т.н. источник тока, управляемый напряжением [2] Он содержит первый, второй и третий ОУ, при этом неинвертирующие входы первого и второго ОУ являются входами измерительного ОУ, первое и второе токовые зеркала (ТЗ), входы которых подключены, соответственно, к положительному и отрицательному выводам питания первого ОУ [3] 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 с шинами соответственно положительного и отрицательного напряжения. Выход третьего ОУ является выходом измерительного ОУ.

По сравнению с устройством [1] прототип имеет меньшие нелинейные искажения (3-4% ), более высокий КОСС в широком диапазоне частот и не требуется прецизионных резисторов. Однако эти параметры он обеспечивает только в малом диапазоне величины тока входного сигнала (порядка нескольких сотен микроампер). При увеличении тока входного сигнала (входного напряжения) увеличиваются нелинейные искажения, что ограничивает применение прототипа в прецизионных измерительных схемах. Это обусловлено тем, что весь размах входного напряжения на нагрузочном резисторе прикладывается к коллекторам ТЗ. В результате этого происходит модуляция коллекторного напряжения ТЗ (p-n-p-токового зеркала) выходным напряжением. Изменение коллекторного напряжения ТЗ вызывают изменения напряжения база-эмиттер (U_бэ). Этот эффект (эффект Эрли) описывается следующей приблизительной зависимостью: Δ U_бэ ≈ -0,001 Δ U_кэ, где U_кэ напряжение коллектор-эмиттер [4] Проявление эффекта Эрли приводит к модуляции выходного коллекторного тока ТЗ, в результате чего возникают нелинейные искажения выходного сигнала, пропорциональные коэффициенту модуляции. Кроме того, увеличение нелинейных искажений в прототипе происходит за счет разных трактов прохождения входного сигнала в зависимости от его полярности. При U₁ > U₂ входной сигнал проходит через первое ТЗ, а при U₁ < U₂ через второе ТЗ. Неидентичность токовых зеркал приводит к возникновению добавочных нелинейных искажений. Следовательно, чтобы устранить этот недостаток необходимо исключить первое ТЗ из тракта прохождения полезного сигнала.

Цель изобретения уменьшение нелинейных искажений на выходе измерительного ОУ.

Для этого предлагается измерительный ОУ, содержащий первый, второй и третий ОУ, при этом неинвертирующие входы первого и второго ОУ являются входами измерительного ОУ, причем инвертирующие вход и выход первого ОУ через первый резистор соединены с инвертирующим входом и выходом второго ОУ, а также первый и второй ТЗ и второй резистор. Выводы питания ТЗ подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного напряжения, причем вход второго ТЗ соединен с отрицательным выводом питания второго ОУ. Положительный вывод питания второго ОУ соединен с шиной положительного напряжения. Выход третьего ОУ является выходом измерительного ОУ.

В отличие от прототипа в предлагаемом усилителе между шиной отрицательного напряжения и выходом первого ТЗ введен переменный резистор, выход второго ТЗ подключен к входу первого ТЗ, инвертирующему входу третьего ОУ и через второй резистор к выходу третьего ОУ, неинвертирующий вход которого соединен с землей, отрицательный вывод питания первого ОУ соединен с входом второго ТЗ. Положительный вывод первого ОУ подключен к шине положительного напряжения.

В предлагаемом усилителе полезный входной сигнал проходит только через второе ТЗ, в результате чего недостаток прототипа устранен.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого усилителя.

Измерительный ОУ содержит первый и второй неинвертирующие ОУ 1 и 2, третий инвертирующий ОУ 3, первое и второе токовые зеркала 4 и 5, первый и второй резисторы 6 и 7 соответственно. Неинвертирующие входы первого и второго ОУ являются входами измерительного ОУ, инвертирующие вход и выход первого ОУ 1 через первый резистор 6 (R1) соединены с инвертирующим входом и выходом второго ОУ 2. Выводы питания первого 4 и второго 5 ТЗ подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного напряжения. Вход второго ТЗ 5 соединен с отрицательным выводом питания второго ОУ 2. Положительный вывод питания второго ОУ 2 соединен с шиной положительного напряжения. Выход третьего ОУ 3 является выходом измерительного ОУ. Между шиной отрицательного напряжения и выходом первого ТЗ 4 введен переменный резистор 8, выход второго ТЗ 5 подключен к входу первого ТЗ 4, инвертирующему входу третьего ОУ и через второй резистор 7 (R2) к выходу третьего ОУ, неинвертирующий вход которого соединен с землей. Отрицательный вывод питания первого ОУ соединен с входом второго ТЗ. Положительный вывод питания первого ОУ подключен к шине положительного напряжения.

ОУ 1 и 2 включены как преобразователи напряжение-ток, а ОУ 3 как преобразователь ток-напряжение, т.е. как инвертирующий усилитель с выходным напряжением, пропорциональным входному току.

Усилитель работает следующим образом.

Разность потенциалов U₁ и U₂ на резисторе 6 определяет I_o в цепи отрицательной обратной связи ОУ 1 и ОУ 2. При U_вх U₁ U₂ 0 отрицательный ток I₁ источника питания при единичном коэффициенте отражения токового зеркала 5 отражается в точке "а" под действием зеркала 5. Положительный ток I₂ источника питания, обеспечиваемый токовым зеркалом 4 и переменным резистором 8, устанавливается равным току U₁ и, следовательно, выходное напряжение U_вых также равно нулю, т.е. схема находится в равновесии.

При U₁ ≠ U₂ проходящий через резистор 6 ток I_o будет равен I_o (I₁ I₂)/R1. При U_вх > 0 ток I_o будет проходить через положительную шину питания, зеркало 5 и отрицательную шину питания. При U_вх < 0 ток I_o будет проходить через отрицательную шину питания, зеркало 5 и положительную шину питания. Ток I_o отражается зеркалом 5 в ток I₁ в точке "а" и, следовательно, ток полезного сигнала всегда проходит только через второе зеркало 5: как при U_вх > 0, так и при U_вх < 0. Поэтому неидентичность токовых зеркал 4 и 5 не вносит никаких нелинейных искажений в выходном сигнал. Так как ОУ 1 и ОУ 2 всегда находятся в замкнутой петле независимо от полярности входного сигнала, токи от положительного и отрицательного источников питания складываются синфазно. Если зеркало 5 имеет единичный коэффициент отражения, то ток I₁ I_o и поступает в точку "а".

Коэффициент усиления предлагаемого усилителя определяется как отношение резисторов 7 (R2) и 6 (R1); K_o -R2/R1.

По сравнению с прототипом предлагаемый усилитель обеспечивает нелинейные искажения менее 0,5-0,7% при токах выше 20 мА, а коэффициент ослабления синфазного сигнала не хуже 100 дБ в полосе частот до 1 кГц при разбалансе внутренних импедансов источников сигнала: R ≥ 47 кОм, С 0,047 мкФ.

На МП "Символ" изготовлен и прошел технические приемочные испытания опытный образец предложенного усилителя. Испытания подтвердили достижение поставленной цели изобретения. Усилитель предполагается выпускать в виде интегральной микросборки.

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. Неинвертирующие входы первого и второго ОУ являются входами измерительного ОУ. Инвертирующий вход и выход первого ОУ через первый резистор соединен с инвертирующим входом и выходом второго ОУ. Выводы питания первого и второго токовых зеркал (ТЗ) подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного напряжения. Вход второго ТЗ соединен с отрицательным выводом питания второго ОУ, положительный вывод питания второго ОУ соединен с шиной положительного напряжения. Выход третьего ОУ является выходом измерительного ОУ. Между шиной отрицательного напряжения и выходом первого ТЗ введен переменный резистор, выход второго ТЗ подключен к входу первого ТЗ, инвертирующему входу третьего ОУ и через второй резистор - к выходу третьего ОУ, неинвертирующий вход которого соединен с землей. Отрицательный вывод первого ОУ соединен с входом второго ТЗ, положительный вывод первого ОУ подключен к шине положительного напряжения. Изобретение уменьшает нелинейные искажения усиливаемых сигналов. 1 ил.

Измерительный операционный усилитель, содержащий первый, второй и третий операционные усилители, при этом неинвертирующие входы первого и второго операционых усилителей являются входами измерительного операционного усилителя, инвертирующий вход и выход первого операционного усилителя через первый резистор соединены с инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя, первый и второй токовые зеркала, выводы питания которых подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного напряжения, причем вход второго токового зеркала соединен с отрицательным выводом питания второго операционного усилителя, положительный вывод питания первого операционного усилителя соединен с шиной положительного напряжения, выход третьего операционного усилителя является выходом измерительного операционного усилителя, а также второй резистор, отличающийся тем, что выход первого токового зеркала соединен с шиной положительного напряжения, выход второго токового зеркала подключен к входу первого токового зеркала, инвертирующему входу третьего операционного усилителя и через второй резистор к выходу третьего операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с землей, отрицательный вывод питания первого операционного усилителя соединен с входом второго токового зеркала, а положительный вывод питания к шине положительного напряжения.