Дифференциальный усилитель

 

Использование: в электроизмерительной технике, а именно в цифровых мультиметрах для масштабирования входного сигнала. Сущность изобретения: для повышения точности преобразования в дифференциальном усилителе (ДУ) с входным дифференциальным каскадом (ДК) на полевых транзисторах (ПТ) 1,2 с истоковыми резисторами (Р) 3,4, корректирующими Р5, третьим и четвертым ПТ6,7 автоматическая компенсация напряжения смещения на двухпозиционном переключателе 14, ключе 15, конденсаторе 10 и токоограничивающем Р11 происходит без влияния на его температурную стабильность. При замыкании входов ДУ и ключа 15 на конденсаторе 10 возникает напряжение, соответствующее напряжению смещения ДК, которое изменяет токи стоков ПТ 6,7 и через Р5 протекает корректирующий ток, создавая падение напряжения, знак которого противоположен напряжению смещения ДК, при этом токи стоков ПТ 1 и 2 не изменяются, что повышает температурную стабильность напряжения смещения ДУ. 1 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в высокоточных усилителях напряжения постоянного тока, применяемых в электронных средствах измерений, например в цифровых вольтметрах.

Известен дифференциальный усилитель с полевыми транзисторами во входном каскаде, который с целью компенсации напряжения смещения содержит переменный резистор в цепи истоков транзисторов входного дифференциального каскада [1] Недостатком указанного усилителя является то, что при эксплуатации под действием процесса старения или других факторов нарушается первоначальная компенсация напряжения смещения, тем самым ухудшаются параметры усилителя. Ручная дополнительная корректировка во многих практических случаях оказывается неприемлемой, а в отдельных случаях и невозможной, если требует полной либо частичной разборки устройства, в котором работает усилитель.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному усилителю является выбранный в качестве прототипа усилитель с автоматической компенсацией напряжения смещения [2] Для компенсации напряжения смещения во входном дифференциальном каскаде усилителя-прототипа введена цепь, состоящая из двух полевых транзисторов, истоки которых объединены и подключены через источник тока к отрицательному напряжению питания. Затвор одного транзистора подключен к общей точке схемы, а затвор другого подключен к запоминающему конденсатору и к входу ключа. Второй вывод запоминающего конденсатора подключен к общей точке схемы, а выход ключа подключен к выходу усилителя. Стоки полевых транзисторов цепи компенсации подключены к стокам полевых транзисторов входного дифференциального каскада усилителя таким образом, чтобы при замыкании ключа усилитель был бы охваченным отрицательной обратной связью. Для замыкания входов усилителя между собой предусмотрен переключатель. Управление ключом и переключателем осуществляет генератор управляющих импульсов.

При замыкании ключа цепи компенсации и переводе переключателя на входе входного дифференциального каскада усилителя в положение, когда замкнуты между собой оба входа усилителя, автоматически выравниваются напряжения затвор-исток транзисторов входного каскада. Возникающий при этом разбаланс токов стоков транзисторов входного каскада компенсируется в нагрузках с помощью противоположного по знаку разбаланса токов дифференциального каскада цепи компенсации. При размыкании ключа цепи компенсации и переключателя входов входного дифференциального каскада усилителя напряжения на запоминающем конденсаторе поддерживает режим дифференциального каскада цепи компенсации, обеспечивающий коррекцию напряжения смещения усилителя. Недостатком известного устройства является то, что цепь компенсации входного напряжения смещения ухудшает температурную стабильность напряжения смещения усилителя.

Цель изобретения компенсация напряжения смещения без ухудшения его температурной стабильности.

Для этого в дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад, выполненный на первом и втором полевых транзисторах, стоки которых подключены к входам выходного усилительного каскада и через соответствующие нагрузочные элементы к положительной шине питания, затвор первого полевого транзистора подключен к выходу двухпозиционного переключателя, к первому входу которого подключен затвор второго полевого транзистора, который является первым входом дифференциального усилителя, вторым входом которого является второй вход двухпозиционного переключателя, третий и четвертый полевые транзисторы, истоки которых соединены и через источник тока подключены к отрицательной шине питания, затвор четвертого полевого транзистора соединен с первой обкладкой конденсатора и через ключ с выходом выходного усилительного каскада, при этом управляющие входы ключа и двухпозиционного переключателя соединены с выходом генератора управляющих импульсов, введены первый и второй истоковые резисторы, включенные в истоковые цепи соответственно первого и второго полевых транзисторов, другие выводы первого и второго истоковых резисторов подключены к стокам соответственно третьего и четвертого полевых транзисторов, между стоками которых введен корректирующий резистор, вторая обкладка конденсатора через введенный токоограничивающий резистор соединена с отрицательной шиной питания, к которой подключен затвор третьего транзистора.

Использование изобретения позволяет автоматически корректировать напряжение смещения усилителей, имеющих дифференциальный входной каскад на полевых транзисторах, не нарушая его температурную стабильность, что улучшает технические и эксплуатационные характеристики усилителя. Улучшение температурного дрейфа напряжения смещения предложенного усилителя по сравнению с прототипом при применении одинаковой элементной базы, может достигать 100 мкВ/град [1] На чертеже представлена функциональная схема дифференциального усилителя.

Дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад, выполненный на транзисторах 1, 2, между вторыми концами которых подключен корректирующий резистор 5, к концам которого подключены стоки транзисторов 6, 7 компенсирующего дифференциального каскада на транзисторах 6, 7. Стоки транзисторов 1, 2 через нагрузочные элементы 8, 9 подключены к источнику положительного напряжения. Затвор транзистора 7 через последовательно соединенные запоминающий конденсатор 10 и вспомогательный резистор 11 подключен к отрицательному источнику питания. Истоки транзисторов 6, 7 объединены и через источник тока 12 подключены к отрицательному источнику питания. Выходной усилительный каскад 13 подключен к стокам транзисторов 1, 2. Выход переключателя 14 подключен к затвору транзистора 1. первый вход переключателя подключен к клемме U₂ усилителя, второй к клемме U₁ усилителя и к затвору транзистора 2. Ключ 15 подключен входом к выходу выходного усилительного каскада 13, а выходом к затвору транзистора 7. Генератор управляющих импульсов 16 управляет работой ключа и переключателя.

Усилитель работает следующим образом.

На интервале формирования компенсирующего напряжения генератор управляющих импульсов 16 замыкает ключ 15 и затворы транзисторов входного дифференциального каскада 1, 2 с помощью переключателя 14. При этом на запоминающем конденсаторе 10 возникает напряжение, соответствующее напряжению смещения входного дифференциального каскада усилителя. Это напряжение изменяет токи стоков транзисторов 6, 7 таким образом, что через корректирующий резистор 5 протекает ток, создающий на нем падение напряжения, по своему значению равное напряжению смещения входного дифференциального каскада усилителя, но направленное противоположно последнему. При этом токи стоков полевых транзисторов 1 и 2 не изменяются, что улучшает по сравнению с прототипом температурную стабильность напряжения смещения усилителя. Особенностью данной схемы автоматической компенсации является то, что в режиме запоминания компенсирующего напряжения на выходе усилителя возникает большое напряжение, приблизительно равное напряжению отрицательного источника питания входного дифференциального каскада. Но это обстоятельство оказывается несущественным во многих электронных средствах измерений, в частности в цифровых мультиметрах с периодической коррекцией дрейфа АЦП. При необходимости на интервале запоминания компенсирующего напряжения выход усилителя может быть отсоединен от входа последующего узла с помощью ключа.

При переводе усилителя в рабочий режим генератором управляющих импульсов размыкается ключ 15 и переключается переключатель 14, соединяя затвор первого транзистора усилителя с клеммой U₂. Запоминающий конденсатор 10 на рабочем интервале сохраняет свое напряжение. Это сохраняет силу и направление тока в корректирующем резисторе 5. Таким образом напряжение на корректирующем резисторе 5 компенсирует напряжение смещения входного дифференциального каскада при его работе. При практической проверке устройства в качестве транзисторов 1, 2, 6, 7 использовалась транзисторная пара типа КПС104, в качестве резистора 5 использовался резистор типа С2-29В, а как усилительный каскад 13 микросхема типа К1408УД1. В качестве ключа 15 и переключателя 14 также использовались транзисторы транзисторной пары типа КПС104.

Формула изобретения

Дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад, выполненный на первом и втором полевых транзисторах, стоки которых подключены к входам выходного усилительного каскада и через соответствующие нагрузочные элементы к положительной шине питания, затвор первого полевого транзистора подключен к выходу двухпозиционного переключателя, к первому входу которого подключен затвор второго полевого транзистора, который является первым входом дифференциального усилителя, вторым входом которого является второй вход двухпозиционного переключателя, третий и четвертый полевые транзисторы, истоки которых соединены и через источник тока подключены к отрицательной шине питания, затвор четвертого полевого транзистора соединен с первой обкладкой конденсатора и через ключ с выходом выходного усилительного каскада, при этом управляющие входы ключа и двухпозиционного переключателя соединены с выходом генератора управляющих импульсов, отличающийся тем, что введены первый и второй истоковые резисторы, включенные в истоковые цепи соответственно первого и второго полевых транзисторов, другие выводы первого и второго истоковых резисторов подключены к стокам соответственно третьего и четвертого полевых транзисторов, между стоками которых введен корректирующий резистор, вторая обкладка конденсатора через введенный токоограничивающий резистор соединена с отрицательной шиной питания, к которой подключен затвор третьего транзистора.

РИСУНКИ

Рисунок 1