Инструментальный усилитель с периодической коррекцией дрейфа

Изобретение относится к электронике и может быть использовано для периодической компенсации дрейфа нуля в усилителях при усилении малых напряжений и измерительных сигналов от источников с большим выходным сопротивлением. Устройство содержит два резистора, три ключевых устройства, инструментальный усилитель, генератор прямоугольных импульсов, инвертирующий усилитель и интегратор. Технический результат заключается в расширении области применения и повышении точности коррекции напряжения дрейфа усилителя с периодической коррекцией дрейфа. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электронике и может быть использовано для периодической компенсации дрейфа нуля в усилителях при усилении малых напряжений и измерительных сигналов от источников с большим выходным сопротивлением.

Известен усилитель напряжения с компенсацией напряжения смещения [1], содержащий дифференциальный усилитель, первый вход которого является входом устройства, а второй вход соединен с выходом блока выделения сигнала ошибки, входы которого подсоединены соответственно к первому входу дифференциального усилителя и к выходу аттенюатора. Вход аттенюатора подключен к выходу дифференциального усилителя. При этом блок выделения сигнала ошибки включает в себя последовательно соединенные компаратор напряжений с двухполярным выходным сигналом и фильтр нижних частот (ФНЧ).

Такое включение блоков позволяет получить по мнению авторов изобретения напряжение на выходе аттенюатора U_A в виде суммы:

где K - коэффициент усиления дифференциального усилителя, K_А - коэффициент передачи аттенюатора, U_ВХ - входное напряжение дифференциального усилителя, U_СМ - напряжение смещения дифференциального усилителя.

(*) В действительности, соотношение (1) имеет вид: U_A=(KK_A)U_BX+K_AU_CM, где K_A<1. При этом должно выполняется равенство K=1/K_A.

Существенным недостатком известного устройства является низкая точность компенсации напряжения смещения U_СМ, которая обусловлена следующими факторами.

В рассматриваемом устройстве должно непременно выполняться условие K=K_А*. Любое отклонение от этого равенства за счет разброса параметров элементов, температурной нестабильности их или каких-либо других факторов приводит к прохождению части входного сигнала на выход ФНЧ в качестве напряжения компенсации. А так как входное напряжение в любой момент времени - величина случайная, то это приводит к неконтролируемому изменению необходимой величины напряжения компенсации, то есть - к погрешности компенсации напряжения смещения.

К ошибке в определении напряжения компенсации приводит также и порог чувствительности компаратора, стабильность и точность установки коэффициента передачи сумматора, осуществляющего суммирование напряжения компенсации и входного сигнала устройства, а также задержка ФНЧ при обработке им выходного сигнала компаратора.

Кроме того, рассматриваемый усилитель имеет сравнительно низкое входное сопротивление, что не позволяет использовать его при работе с высокоомными источниками сигналов.

Большинства этих недостатков лишен усилитель с периодической коррекцией дрейфа [2], который выбран в качестве прототипа. Схема такого усилителя включает в себя последовательно соединенные инвертирующий каскад на операционном усилителе, ключевое устройство и интегратор на операционном усилителе. Выход интегратора подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя инвертирующего каскада, инвертирующий вход которого соединен с землей через второе ключевое устройство. Неинвертирующий вход операционного усилителя интегратора соединен с землей. Кроме того, в него введен генератор прямоугольных импульсов, выход которого подключен к управляющим входам ключевых устройств. Генератор формирует периодическую последовательность прямоугольных импульсов и управляет работой ключевых устройств. Длительность его импульсов многократно меньше периода следования их.

Коррекция дрейфа усилителя осуществляется за счет запоминания его напряжения дрейфа на конденсаторе интегратора и последующего вычитания запомненного напряжения из входного напряжения усилителя. Запоминание напряжения дрейфа производится при замкнутых ключах. При этом на выходе интегратора формируется напряжение U_C [2]:

где U_СМ1, U_СМ2 и K₁, K₂ - напряжения смещения, определяющие дрейф усилителя, и коэффициенты усиления операционных усилителей инвертирующего усилителя и интегратора соответственно. Так как K₁>>1 и K₁K₂>>1, то U_СМ2 вносится в состав U_C в K₁ раз слабее чем U_СМ1 и практически выполняется равенство U_С=U_СМ1.

При размыкании ключей сформированное на емкости интегратора напряжение U_С оказывается подключенным относительно земли к неинвертирующему входу операционного усилителя инвертирующего усилителя и начинает вычитаться из входного сигнала, осуществляя коррекцию выходного сигнала.

Существенным недостатком усилителя-прототипа является то, что в режиме запоминания, когда ключевые устройства открыты, входной сигнал усилителя создает падение напряжения на сопротивлении открытого ключа, подсоединенного к инвертирующему входу операционного усилителя инвертирующего каскада, и вносит погрешность при запоминании величины напряжения смещения. Это приводит к снижению точности коррекции напряжения дрейфа. Чем больше величина входного напряжения, тем сильнее его влияние, тем больше погрешность коррекции напряжения дрейфа.

Также как и в предыдущем случае, усилитель имеет сравнительно низкое входное сопротивление, что не позволяет использовать его при работе с высокоомными источниками-сигналов.

К недостаткам рассматриваемого устройства следует отнести и отсутствие у него дифференциального входа, что существенно ограничивает область применения его. По этой причине не представляется возможным, в частности, использовать корректирующие свойства рассматриваемого усилителя в устройствах сравнения, вычитания, неинвертирующего усиления, при обработке сигналов четырехплечих мостовых устройств.

Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения и повышение точности коррекции напряжения дрейфа усилителя с периодической коррекцией дрейфа.

Цель достигается тем, что в усилитель с периодической коррекцией дрейфа, содержащий последовательно соединенные инвертирующий усилитель, реализованный на операционном усилителе, первое ключевое устройство, интегратор на операционном усилителе, выход которого подключают к неинвертирующему входу операционного усилителя, реализующего инвертирующий усилитель, а неинвертирующий вход операционного усилителя интегратора соединяют с землей, а также второе ключевое устройство и генератор прямоугольных импульсов, выход которого подключают к управляющим входам ключевых устройств, дополнительно вводят третье ключевое устройство, два резистора R1, R2, сопротивления которых выбирают из условия R_ВХ>>(R1=R2)>>R_OК, где R_ВХ - входное сопротивление инструментального усилителя, R_ОК - сопротивление открытого ключа, и инструментальный усилитель, включающий в себя первый и второй неинвертирующие усилители и дифференциальный усилитель. При этом входные сигналы устройства подают на входы неинвертирующих усилителей через дополнительно введенные резисторы. Выход инструментального усилителя подключают к входу инвертирующего усилителя. Второе ключевое устройство включают между входом первого неинвертирующего усилителя и землей. Вновь введенное третье ключевое устройство включают между входом второго неинвертирующего усилителя и землей, а его управляющий вход подключают к выходу генератора прямоугольных импульсов.

Выявленные отличительные признаки в предложенной совокупности не встречались в ранее известных технических решениях, обеспечивают достижение поставленной цели и могут быть квалифицированы как существенные отличия.

На чертеже изображена схема заявляемого технического решения. В инструментальный усилитель с периодической коррекцией дрейфа входят два резистора R1, R2, первое ключевое устройство S1, второе ключевое устройство S2, третье ключевое устройство S3, инструментальный усилитель на операционных усилителях A1, А2, A3, генератор прямоугольных импульсов Г, инвертирующий усилитель на операционном усилителе А4, интегратор на операционном усилителе А5.

Резистор R1, через который подается входной сигнал U1, подключают к первому входу инструментального усилителя. Резистор R2, через который подается входной сигнал U2, подключают к второму входу инструментального усилителя. Выход инструментального усилителя соединяют с входом инвертирующего усилителя на операционном усилителе А4, к выходу которого подключают через ключевое устройство S1 вход интегратора на операционном усилителе А5. Неинвертирующий вход операционного усилителя А5 соединяют с землей. Выход интегратора подключают к неинвертирующему входу операционного усилителя А5. Неинвертирующий вход операционного усилителя А1, являющийся входом первого неинвертирующего усилителя, соединяют через второе ключевое устройство S2 с землей. Неинвертирующий вход операционного усилителя А2, являющийся входом второго неинвертирующего усилителя, соединяют через вновь введенное третье ключевое устройство S3 с землей. Управляющие входы ключевых устройств S1, S2, S3 соединяют с выходом генератора прямоугольных импульсов Г.

Устройство работает следующим образом. Когда ключевые устройства S1, S2, S3 закрыты, входные сигналы U1, U2 проходят через резисторы R1, R2 и поступают на соответствующие входы инструментального усилителя, на выходе которого (выход A3) формируется сигнал разности U=K(U2-U1), где K - коэффициент усиления инструментального усилителя.

С выхода инструментального усилителя (с выхода A3) сигнал поступает на вход инвертирующего усилителя, реализованного на А4, где происходит его усиление и вычитание из него напряжения, сформированного на емкости интегратора.

Когда сигналом с генератора прямоугольных импульсов Г ключевые устройства S1, S2, S3 открываются, выходные токи источников сигналов U1, U2 начинают стекать через резисторы R1, R2 и сопротивления открытых ключевых устройств S1, S2 на землю. Величину сопротивлений R1, R2 выбирают многократно больше сопротивления открытого ключа R_ОК (R1=R2>>R_ОК), поэтому на входы инструментального усилителя попадают только малые доли входных напряжений U1, U2, которые практически не оказывает влияния на процесс запоминания напряжения дрейфа усилителя. Можно считать, что напряжение на емкости интегратора формируется в соответствии с соотношением (2). При этом на выходе инструментального усилителя (выход A3) формируется его напряжение дрейфа. Оно подается на инвертирующий вход усилителя А4, к неинвертирующему входу которого подключена емкость интегратора. Так как вход интегратора оказывается подключенным через S1 к выходу А4, то на емкости интегратора начинает формироваться напряжение дрейфа нуля всей цепочки усилителей от А1 до А5 с учетом схемы их включения и с учетом величины коэффициентов передачи каждого из усилителей.

При этом сопротивления R1, R2 ограничивают выходной ток источника входных сигналов U1, U2 достаточно малой величиной и практически исключают переходной процесс в его выходных цепях при коммутациях ключевых устройств S2, S3. Это позволяет сохранить высокое быстродействие заявляемого устройства даже при подключении к его входам электрических цепей с преобладанием емкостного сопротивления.

При закрытом состоянии ключей S1, S2, S3 емкость интегратора оказывается подключенной к неинвертирующему входу операционного усилителя А4, что приводит к вычитанию запомненного напряжения на ней из выходного напряжения инвертирующего усилителя. Для того чтобы резисторы R1, R2 не оказывали существенного влияния на коэффициент усиления инструментального усилителя, величину сопротивлений R1, R2 выбирают многократно меньше входного сопротивления R_ВХ инструментального усилителя. Осуществить на практике неравенства R_ВХ>>(R1=R2)>>R_ОК не составляет труда, так как R_ВХ инструментального усилителя, как правило, более 10 МОм, a R_ОК нее превышает 100 Ом.

Таким образом, заявляемое устройство имеет дифференциальный вход инструментального усилителя, способный взаимодействовать с источниками сигналов, обладающими большим выходным сопротивлением, а также с мостовыми устройствами. Заявляемое устройство способно функционировать в режимах устройства сравнения, вычитания, неинвертирующего усиления сигналов и производит периодическую коррекцию напряжения дрейфа нуля с повышенной точностью. Следовательно, заявляемое техническое решение обеспечивает достижение поставленной цели.

Источники информации

1. Патент РФ №2007846 С1, Н03F 1/32, от 11.06.1990 г.

2. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е издание, переработанное и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1988, с.45, рис.1.18, б (прототип).

Инструментальный усилитель с периодической коррекцией дрейфа, содержащий последовательно соединенные инвертирующий усилитель на операционном усилителе, выход которого является выходом всего устройства, первое ключевое устройство, интегратор на операционном усилителе, выход которого подключают к неинвертирующему входу операционного усилителя, реализующего инвертирующий усилитель, а неинвертирующий вход операционного усилителя интегратора соединяют с землей, а также второе ключевое устройство и генератор прямоугольных импульсов, выход которого подключают к управляющим входам ключевых устройств, отличающийся тем, что в него дополнительно вводят третье ключевое устройство, два резистора R1, R2, сопротивления которых выбирают из условия R_BX>>(R1-R2)>>R_OK, где R_BX - входное сопротивление инструментального усилителя; R_OK - сопротивление открытого ключа, и инструментальный усилитель, включающий в себя первый и второй неинвертирующие усилители и дифференциальный усилитель, при этом входные сигналы устройства подают на входы неинвертирующих усилителей через дополнительно введенные резисторы R1, R2, выход инструментального усилителя подключают к входу инвертирующего усилителя, второе ключевое устройство включают между входом первого неинвертирующего усилителя и землей, вновь введенное третье ключевое устройство включают между входом второго неинвертирующего усилителя и землей, а его управляющий вход подключают к выходу генератора прямоугольных импульсов.