Измерительный операционный усилитель

 

Использование: в измерительной радиотехнике в качестве прецизионного измерительного операционного усилителя для медицинской диагностической аппаратуры в области электрокардиографии, электроэнцефалографии, электромиографии и др. Сущность изобретения: в измерительный операционный усилитель, содержащий три неинвертирующих операционных усилителя (ОУ) и n-p-n токовое зеркало (ТЗ), при этом выходы первого и второго ОУ соединены между собой через первый резистор, а выходы всех ОУ подключены к их инвертирующим входам, отрицательный вывод питания первого ОУ соединен с входом n-p-n ТЗ, выход которого подключен к неинвертирующему входу третьего ОУ и через второй резистор - к земляной шине, а вывод питания n-p-n ТЗ соединен с отрицательной шиной питания, введены четвертый ОУ, четыре n-p-n транзистора (Т) и третий резистор, при этом инвертирующий вход четвертого ОУ соединен с положительным выводом питания первого ОУ и с эмиттером первого Т, коллектор которого соединен с его базой, коллектором и базой второго Т и положительной шиной питания, эмиттер второго Т соединен с неинвертирующим входом четвертого ОУ и с коллекторами третьего и четвертого Т, при этом база третьего Т подключена к выходу четвертого ОУ, эмиттер - к базе четвертого Т, причем эмиттер третьего Т соединен с базой четвертого Т и через третий резистор - с эмиттером четвертого Т и с неинвертирующим входом третьего ОУ, что позволяет уменьшить нелинейные искажения в широком диапазоне выходных токов путем выполнения всех ТЗ на n-p-n транзисторах. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной радиотехнике, в частности к прецизионным измерительным операционным усилителям, и может быть использовано, например, в медицинской диагностической аппаратуре в области электрокардиографии, электроэнцефалографии, электромиографии и др.

Известен измерительный операционный усилитель (ОУ), содержащий три ОУ, построенный по структуре резистивной обратной связи, так называемый, источник напряжения, управляемый напряжением [1] В нем инвертирующие входы первого и второго ОУ через первый резистор соединены между собой, а через второй и третий резисторы их выходы подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам третьего ОУ. Кроме того, выходы первого, второго и третьего ОУ через четвертый, пятый и шестой резисторы соединены соответственно с их инвертирующими входами, а неинвертирующий вход третьего ОУ через седьмой (нагрузочный) резистор заземлен.

Данный 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 измерительного ОУ. Получение более высокого КОСС в подобных ОУ невозможно из-за существующего разброса параметров входных ОУ (первого и второго). В результате неидентичности параметров первого и второго ОУ входной синфазный сигнал на выходе этих ОУ преобразуется в дифференциальный и далее усиливается, как обычный сигнал.

Известен измерительный ОУ на трех ОУ, построенный по структуре преобразователя напряжение -ток-напряжение, так называемый источник тока, управляемый напряжением, принятый за прототип [2] Он содержит первый, второй и третий ОУ, при этом неинвертирующие входы первого и второго ОУ являются входами измерительного ОУ, первое и второе токовое зеркало (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 к шинам соответственно положительного и отрицательного напряжения. Выход третьего ОУ является выходом измерительного ОУ. Прототип свободен от недостатков ОУ [1] так как имеет меньшие нелинейные искажения, порядка 3-4% более высокий КОСС в широком диапазоне частот и не требует прецизионных резисторов.

Однако указанные параметры прототипа обеспечиваются только в малом диапазоне величин токов выходного (входного) сигнала, порядка нескольких сотен мкА. При увеличении выходных токов увеличиваются нелинейные искажения выходного сигнала, обусловленные наличием первого ТЗ (отрицательного р-n-р ТЗ), что ограничивает применение прототипа в прецизионных измерительных схемах.

Увеличение нелинейных искажений выходного сигнала прототипа обусловлено тем, что весь размах выходного напряжения на втором резисторе прикладывается к коллекторам первого токового зеркала. В результате этого происходит модуляция коллекторного напряжения первого ТЗ выходным напряжением. Изменение коллекторного напряжения первого ТЗ влечет за собой изменение напряжения база-эмиттер U_бэ. Этот эффект (эффект Эрли) описывается следующей приблизительной зависимостью: Δ U_бэ≈ -0,001 ΔU_кэ [4] где Δ U_кэ изменение напряжения коллектор-эмиттер. Проявление этого эффекта приводит к модуляции выходного коллекторного тока первого ТЗ, в результате чего возникают нелинейные искажения выходного сигнала, пропорциональные коэффициенту модуляции.

Кроме того, увеличение нелинейных искажений в прототипе происходит также за счет разного тракта 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 параметров токовых зеркал приводит к возникновению добавочных нелинейных искажений.

Целью изобретения является уменьшение нелинейных искажений выходного сигнала измерительного ОУ.

Для достижения указанной цели предлагается измерительный ОУ, содержащий первый, второй и третий ОУ, при этом неинвертирующие входы первого и второго ОУ являются входами измерительного ОУ, причем инвертирующий вход и выход первого ОУ через первый резистор соединены с инвертирующим входом и выходом второго ОУ, первый и второй ТЗ и второй резистор. Входы первого и второго ТЗ соединены соответственно с положительным и отрицательным выводами первого ОУ, выводы питания первого и второго ТЗ подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного напряжения, а выходы соединены с неинвертирующим входом третьего ОУ и через второй резистор с общей шиной. Выход третьего ОУ является выходом измерительного ОУ и соединен с инвертирующим входом третьего ОУ.

В отличие от прототипа в предлагаемом измерительном ОУ первое токовое зеркало выполнено на первом, втором, третьем и четвертом n-p-n транзисторах, третьем резисторе и четвертом ОУ, инвертирующий вход которого является входом первого ТЗ и соединен с эмиттером первого n-p-n транзистора, коллектор и база которого соединены с коллектором и базой второго n-p-n транзистора и являются выводом питания первого ТЗ. Эмиттер второго n-p-n транзистора соединен с неинвертирующим входом четвертого ОУ и с коллектором третьего и четвертого n-p-n транзисторов. Выход четвертого ОУ соединен с базой третьего n-p-n транзистора, эмиттер которого соединен с базой и через третий резистор с эмиттером четвертого транзистора, являющимся выходом первого ТЗ.

В предлагаемой схеме измерительного ОУ отсутствует p-n-p токовое зеркало, но его функции выполняются посредством введенных элементов. Таким образом недостатки прототипа устранены.

На чертеже приведена функциональная схеме предлагаемого усилителя.

Измерительный ОУ содержит первый, второй и третий ОУ 1-3, первое и второе токовые зеркала 4 и 5, первый и второй резисторы 6 и 7 (R₁ и R₂) соответственно. Первое токовое зеркало 4 выполнено на первом, втором, третьем, четвертом n-p-n транзисторах 8-11 соответственно, четвертом ОУ 12 и третьем резисторе 13 и является эквивалентом отрицательного p-n-p ТЗ. Неинвертирующие входы первого и второго ОУ 1 и 2 являются входами измерительного ОУ. Инвертирующий вход и выход первого ОУ 1 через первый резистор 6 соединены с инвертирующим входом и выходом второго ОУ 2. Входы первого и второго ТЗ 4 и 5 соединены соответственно с положительным и отрицательным выводами первого ОУ 1. Выводы питания первого и второго ТЗ подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного напряжения, а выходы соединены с неинвертирующим входом третьего ОУ 3 и через второй резистор 7 с общей шиной. Выход третьего ОУ является выходом измерительного ОУ и соединен с его инвертирующим входом. Инвертирующий вход четвертого ОУ 12 является входом первого ТЗ и соединен с эмиттером первого n-p-n транзистора 8, коллектор и база которого соединены с коллектором и базой второго n-p-n транзистора 9 и являются выводом питания первого ТЗ. Эмиттер второго n-p-n транзистора 9 соединен с неинвертирующим входом четвертого ОУ и с коллекторами третьего и четвертого n-p-n транзисторов. Выход четвертого ОУ соединен с базой третьего n-p-n транзистора, эмиттер которого соединен с базой и через третий резистор 13 с эмиттером четвертого транзистора, являющимся выходом первого ТЗ.

ОУ 1 и 2 включены как повторители напряжения, причем ОУ 1 служит для преобразования напряжения в ток, а ОУ 3 для преобразования тока в напряжение.

Зеркало 5 может представлять собой, например, модернизированное положительное токовое зеркало Вильсона [3] Отрицательное токовое зеркало 4 собрано на двух n-p-n транзисторах 8 и 9 в диодном включении и на ОУ 12 с выходным составным n-p-n транзистором Дарлингтона на транзисторах 10 и 11, который имеет коэффициент усиления, равный произведению коэффициентов усиления транзисторов 10 и 11 [4] Резистор 13 служит для предотвращения смещения транзистора 11 в область проводимости за счет токов утечки транзисторов 10 и 11.

Измерительный операционный усилитель работает следующим образом.

Разность потенциалов U₁ и U₂ на резисторе 6 определяет ток I₀ в цепи отрицательной обратной связи ОУ 1. Этот ток передается токовым зеркалам 4 и 5. При единичном коэффициенте отражения токовых зеркал 4 и 5 этот ток отражается в точке а. При входном напряжении U_вх U₁ U₂ 0 токи равны: I₁ I₂ I₃ I_н и, следовательно, выходное напряжение измерительного усилителя U_вых 0.

Наличие последовательной обратной связи обеспечивает на входе ОУ 12 одинаковую разность потенциалов, обусловленную прохождением токов I₂ и I₃ через транзисторы 8 и 9 соответственно. Таким образом, если пренебречь токами сдвига ОУ 12, то I₂ I₃. Поскольку I₃ I_н, то транзисторы 10 и 11 не входят в насыщение, что дает возможность получить большие выходные токи в отрицательном токовом зеркале 4.

При U_вх ≠ 0, т.е. при U₁ ≠ U₂, выходной ток нагрузки Iн образуется как разность токов, потребляемая 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 источника питания равна (U₁ U₂)/R₁.

Именно эта разность токов и поступает на резистор 7 (R₂). Поскольку ОУ 3 включен как преобразователь ток-напряжение, то его выходное напряжение, а значит, и выходное напряжение предлагаемого измерительного усилителя U_вых R₂/R₁˙(U₁ U₂).

Из уравнения следует, что усиление дифференциального сигнала определяется отношением резисторов R₂/R₁; коэффициент усиления синфазного сигнала при U₁ U₂ будет равен нулю; КОСС зависит только от идентичности параметров входных ОУ 1 и 2.

Уменьшение нелинейных искажений в предлагаемом усилителе в широком диапазоне выходных токов достигнуто путем замены отрицательного p-n-p токового зеркала на отрицательное n-p-n токовое зеркало.

На малом предприятии "Символ" изготовлен и прошел технические испытания опытный образец предлагаемого усилителя. По сравнению с прототипом он обеспечивает нелинейные искажения менее 1% при выходных токах 30-40 мА и КОСС не хуже 100 дБ в полосе частот до 1 кГц при разбалансе внутренних импедансов источников сигнала.

Формула изобретения

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий первый, второй и третий операционные усилители, при этом неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей являются входами измерительного операционного усилителя, причем инвертирующий вход и выход первого операционного усилителя через первый резистор соединены с инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя, первый и второй токовые зеркала, входы которых соединены соответственно с положительным и отрицательным выводами питания первого операционного усилителя, выводы питания первого и второго токовых зеркал подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного напряжения, а выходы соединены с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя и через второй резистор - с общей шиной, при этом выход третьего операционного усилителя является выходом измерительного операционного усилителя и соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, отличающийся тем, что первое токовое зеркало выполнено на первом, втором, третьем, четвертом n - p - n-транзисторах, третьем резисторе и четвертом операционном усилителе, инвертирующий вход которого является входом первого токового зеркала и соединен с эмиттером первого n - p - n-транзистора, коллектор и база которого соединены с коллектором и базой второго n - p - n-транзистора и являются выводом питания первого токового зеркала, эмиттер второго n - p - n-транзистора соединен с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя и с коллектором третьего и четвертого n - p -n-транзисторов, причем выход четвертого операционного усилителя соединен с базой третьего n - p -n-транзистора, эмиттер которого соединен с базой и через третий резистор с эмиттером четвертого транзистора, являющимся выходом первого токового зеркала.

РИСУНКИ

Рисунок 1