CS220368B1 - Zapojení obvodu pro kompenzaci vstupního proudu zesilovače - Google Patents

Abstract

Zapojení pro kompenzaci vstupního proudu zesilovače umožňuje měření velmi malých stejnosměrných proudů v oboru měřicí techniky. V podstatě je toto zapojení určeno pro přípravu konstrukce měřicího systému, kde řeší problém vynulování vstupního prudu kompenzovaného zesilovače, teplotní kompenzaci tohoto proudu a ochranu kompenzovaného· zesilovače před nežádoucím předpětím, při použití nenáročné součástkové základny. Podstata vynálezu spočívá v zapojení přechodu emitor — báze napěťově polarizovaného v závěrném směru mezi vstup kompenzovaného zesilovače a běžec nastavitelného odporu, přičemž mezi zdroj stejnosměrného napětí a nastavitelný odpor je zapojena paralelní kombinace termistoru s odporem, jak uvedeno· na vyobrazení. Zapojení lze využít v měřicích soustavách pro měření velmi malých proudů, vysokých hodnot izolačních odporů, dále v citlivých proudově-napěťových převodnících apod.

Description

Vynález se týká zapojení obvodu pro kompenzaci vstupního proudu zesilovače pro měření velmi malých stejnosměrných proudů.

Měření stejnosměrných elektrických proudů o· velikosti řádu 1.1C?¹² A a méně je obecně obtížný technický úkol. V současné době se tato problematika řeší používáním speciálních součástí a zapojení, jako například použitím násobičů elektronů, modulátorů, synchronních detektorů apod. Společnou. nevýhodou uvedených prvků, u nichž se pro dané použití předpokládá špičková kvalita je, že jsou velmi nákladné i nesnadno dostupné, neboť je vyrábí pouze omezený počet zahraničních výrobců. Použití běžně dostupných stejnosměrných zesilovačů, například integrovaných, není pro vysoce citlivá měření dosud možné vzhledem k relativně velkým hodnotám zbytkového proudu, tak zvaného proudového ofsetu, a jeho teplotní závislosti, tak zvaného teplotního proudového driftu.

Jsou známa různá zapojení obvodů pro kompenzaci vstupních proudů zesilovačů. Je to jednak zapojení obsahující zdroj stejnosměrného· napětí s odporovou sítí, u něhož proud tekoucí tímto obvodem kompenzuje vstupní proud kompenzovaného zesilovače.

Hlavní nevýhodou tohoto zapojení je pronikavé snížení vstupního odporu kompenzovaného zesilovače. Dále je známo zapojení využívající pro· kompenzaci tranzistor,· jehož báze je připojena na vstupní svorkukompenzovaného zesilovače, přičemž emitor a kolektor tohoto tranzistoru jsou připojeny přes odpory ke zdrojům záporného a kladného napětí. Hodnota proudu báze, to je velikost kompenzačního· proudu, je pak dána především hodnotami odporů v emitoru a kolektoru kompenzačního tranzistoru, který pracuje v normálním propustném režimu.

Nevýhodou tohoto zapojení s kompenzačním tranzistorem je, že není způsobilé pro nastavení kompenzačních proudů velmi malých hodnot řádu 1.10^-11 A a méně.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zapojení obvodu pro kompenzaci vstupního proudu zesilovače, kde mezi vstupní měřicí svorku a vstupní svorku kompenzovaného zesilovače je zařazen omezovači odpor, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že mezi vstupní svorku kompenzovaného zesilovače a běžec nastavitelného odporu je zapojena dioda báze — emitor kompenzačního tranzistoru, přičemž jeden konec nastavitelného odporu je připojen na zemnicí vodič a druhý ke spojení kompenzačního termistoru a paralelního odporu, jehož druhý konec je připojen k jednomu pólu zdroje stejnosměrného napětí, jehož druhý pól je spojen se zemnicím vodičem.

Ke vstupní svorce kompenzovaného zesilovače¹ může být připojen emitor kompenzačního· NPN tranzistoru, jehož báze je připojena k běžci nastavitelného odporu spojeného jedním koncem se zemnicím vodičem, přičemž spojení kompenzačního termistoru a paralelního odporu připojené k druhému konci nastavitelného odporu, je spojeno se záporným pólem zdroje stejnosměrného napětí, jehož kladný pól je spojen se zemnicím vodičem.

Dále může být ke vstupní svorce kompenzovaného zesilovače připojena báze kompenzačního· NPN tranzistoru, jehož emitor je připojen k běžci nastavitelného odporu spojeného jedním koncem se zemnicím vodičem, přičemž spojení kompenzačního termistoru a paralelního odporu připojené k druhému konci nastavitelného odporu je spojeno s kladným pólem zdroje stejnosměrného napětí, jehož záporný pól je spojen se zemnicím vodičem.

Kromě toho může být ke vstupní svorce kompenzovaného zesilovače připojen emitor kompenzačního PNP tranzistoru, jehož báze je připojena k běžci nastavitelného odporu spojeného jedním koncem se zemnicím vodičem, přičemž spojení kompenzačního termistoru a paralelního odporu připojené k druhému konci nastavitelného odporu je spojeno s kladným pólem zdroje stejnosměrného napětí, jehož záporný pól je spojen se zemnicím vodičem.

Mimoto může být ke vstupní svorce kompenzovaného zesilovače připojena báze kompenzačního PNP tranzistoru, jehož emitor je připojen k běžci nastavitelného odporu spojeného jedním koncem se zemnicím vodičem, přičemž spojení kompenzačního termistoru a paralelního odporu připojené k druhému konci nastavitelného odporu je spojeno se záporným pólem zdroje stejnosměrného napětí, jehož kladný pól je spojen se zemnicím vodičem.

Výhody zapojení obvodu pro kompenzaci vstupního proudu zesilovače podle vynálezu spočívají jednak v možnosti použití běžně dostupných součástek a prvků při návrhu a realizaci velmi citlivých měřičů stejnosměrných proudů. Použitím tohoto zapojení nedochází prakticky ke snížení hodnoty vstupního odporu kompenzovaného zesilovače. Zapojení dále umožňuje vynulování vstupního proudu zesilovače a kompenzaci teplotní závislostí jeho· vstupního proudu. Mimoto působí předmětné zapojení jako účinná napěťová ochrana zesilovače v obou polaritách vstupního napětí. V konkrétním provedení zesilovače s předmětným zapojením lze dosáhnout oproti použití samotného zesilovače běžného· typu zvýšení citlivosti asi o dva řády, což představuje podstatné zvýšení účinku. Zapojení obvodu pro kompenzaci vstupního proudu zesilovače bude následovně blíže popsáno v příkladovém provedení s pomocí připojeného vyobrazení.

Podle vyobrazení předmětného zapojení je měřicí vstupní svorka A oddělena od vstupní svorky B kompenzovaného zesilovače 2 omezovacím odporem 1, jehož hodnota je zvolena s ohledem na maximální přípustný proud kompenzačního tranzistoru 3 v sou220368 vislosti s možným výskytem nežádoucího maximálního napětí na měřicí vstupní svorce A. Pro kompenzaci vstupního· proudu kompenzovaného zesilovače 2 je mezi vstupní svorku B kompenzovaného zesilovače 2 a jezdec nastavitelného odporu 4 zapojen kompenzační tranzistor 3, přičemž emitor tohoto tranzistoru 3 je spojen se vstupní svorkou B kompenzovaného· zesilovače 2 a báze tohoto tranzistoru je spojena s jezdcem nastavitelného odporu 4. Volba typu kompenzačního tranzistoru 3 se řídí velikosti jeho závěrného· proudu emitor — báze, který by měl být zhruba v souladu se jmenovitou hodnotou vstupního- proudu kompenzovaného zesilovače 2. Vzhledem k velmi vysokému elektrickému odporu přechodu emitor — báze v závěrném směru kompenzačního tranzistoru 3 nedochází prakticky ke snížení hodnoty vstupního odporu kompenzovaného zesilovače 2. Za účelem dosažení optimální teplotní kompenzace je nastavitelný odpor 4 jedním koncem spojen se zemnicím vodičem a druhým je připojen k paralelnímu spojení kompenzačního termistoru 5 s paralelně připojeným odporem 6 připojenému k záporné svorce stejnosměrného zdroje 7. Kladná svorka tohoto stejnosměrného zdroje 7 je připojena k zemnícímu vodiči.

•Podle výše uvedeného popisu předmětného zapojení je ve funkci tohoto zapojení předpokládán směr toku vstupního proudu kompenzovaného zesilovače 2 do vstupní svorky B tohoto zesilovače. Aby se tento proud rušivě neuplatňoval vůči měřenému proudu vstupujícímu na měřicí vstupní svorku A, je vstupní proud kompenzovaného zesilovače 2 kompenzován proudem tekoucím z kompenzačního tranzistoru 3. Nastavitelným odporem 4 lze pak zcela vykompenzovat vstupní proud kompenzovaného zesilovače

2. Možnost tohoto nezávislého vyrovnání proudového ofsetu je výhodná a potřebná. Běžné komerční zesilovače tuto možnost nemají. Vstupní proud kompenzovaného zesilovače 2 je však značně teplotně závislý, jeho hodnota se stoupající teplotou vzrůstá — — jedná se o tzv. teplotní proudový drift. Se stoupající teplotou se rovněž zvyšuje proud tekoucí kompenzačním tranzistorem 3, čímž nastává i určitá kompenzace teplotního proudového driftu kompenzovaného zesilovače 2. Pro optimální vyrovnání teplotního proudového· driftu nepostačuje však pouze aplikace samotného kompenzačního tranzistoru 3, a proto zapojení zahrnuje ještě spojení kompenzačního termistoru 5 s paralelním odporem 6, připojené ke stejnosměrnému zdroji 7, čímž je možno dosáhnout teplotní změny kompenzačního proudu prakticky shodného průběhu s teplotním driftem kompenzovaného zesilovače 2, a to v relativně širokém teplotním rozsahu. Tato kompenzace teplotního proudového driftu je významnou výhodou předmětného zapojení.

Zapojení podle vynálezu má dále též funkci ochranného obvodu proti napěťovému přetížení kompenzovaného zesilovače 2. Vyskytne-li se na měřicí vstupní svorce A zvýšené napětí záporné polarity, bude přechod emitor — báze kompenzačního tranzistoru 3 orienttíván v propustném směru a napětí na vstupní svorce B nedosáhne hodnoty, která by způsobila poškození kompenzovaného zesilovače 2. Při výskytu zvýšeného napětí kladné polarity na měřicí vstupní svorce A dojde k překročení závěrného napětí emitor — báze kompenzačního tranzistoru 3 a tento prvek přejde do obdobného režimu, jako je tomu u Zeneroivy diody. Napětí na vstupní svorce B opět nedosáhne hodnoty, jež by způsobila poškození kompenzovaného zesilovače 2, přičemž procházející proud bude omezen hodnotou omeizovacího odporu 1.

Funkce předmětného zapojení byla vysvětlena v popisu příkladového provedení s pomocí připojeného vyobrazení, kdy byl předpokládán směr toku vstupního proudu kompenzovaného zesilovače 2 do vstupní svorky B zesilovače. Obecně však může mít tento proud i směr opačný. V tomto případě lze předmětné zapojení obvodu použít, je však třeba zapojit diodu i emitor — báze kompenzačního tranzistoru 3 opačně, to znamená bázi připojit ke vstupní svorce B kompenzovaného zesilovače 2 a emitor spojit s běžcem nastavitelného odporu 4, dále je nutné opačně připojit do obvodu zdroj 7 stejnosměrného napětí, to je záporným pólem k zemnícímu vodiči a kladným pólem k paralelnímu spojení kompenzačního termistoru 5 a paralelního odporu 6.

V popisu příkladového provedení předmětného zapojení je uveden kompenzační tranzistor 3 typu NPN, obecně je však možno použít i typ PNP. Vždy však musí být polarita zdroje 7 stejnosměrného napětí volena tak, aby dioda emitor — báze kompenzačního tranzistoru 3 byla napěťově polarizována v závěrném směru.

Využití zapojení obvodu pro kompenzaci vstupního proudu zesilovače je možné především v oblasti měřicí techniky pro potřebu měření velmi malých stejnosměrných proudů, případně velkých izolačních odporů, dále je možno tohoto zapojení využít v proudových převodnících apod. ·

Claims (5)

PREDMET

1. Zapojení obvodu pro kompenzaci vstupního proudu zesilovače, kde mezi vstupní měřicí svorku a vstupní svorku kompenzovaného zesilovače je zařazen omezovači odpor, vyznačené tím, že mezi vstupní svorku (Bj kompenzovaného zesilovače (2) a běžec nastavitelného odporu (4) je zapojena dioda báze — emitor kompenzačního tranzistoru (3), přičemž jeden konec nastavitelného odporu (4) je připojen na zemnicí vodič a druhý ke spojení kompenzačního termistoru (5) a paralelního odporu (6), jehož druhý konec je připojen k jednomu pólu zdroje (7) stejnosměrného· napětí, jehož druhý pól je spojen se zemnicím vodičem.

2. Zapojení obvodu pro kompenzaci vstupního proudu zesilovače podle bodu 1, vyznačené tím, že ke vstupní svorce (Bj kompenzovaného zesilovače ('2 j je připojen emitor kompenzačního NPN tranzistoru (3), jehož báze je připojena k běžci nastavitelného odporu (4) spojeného jedním koncem se zemnicím vodičem, přičemž spojení kompenzačního termistoru (5) a paralelního odporu (6) připojené k druhému konci nastavitelného odporu (4), je spojeno se záporným pólem zdroje (7) stejnosměrného napětí, jehož kladný pól je spojen se zemnicím vodičem.

3. Zapojení obvodu pro kompenzaci vstupního proudu zesilovače podle bodu 1, vyznačené tím, že ke vstupní svorce (B) kompenzovaného zesilovače (2j je připojena báze kompenzačního NPN tranzistoru (3), jehož emitor je připojen k běžel nastavitelného odporu (4) spojeného jedním koncem se vynalezu zemnicím vodičem, přičemž spojení kompenzačního termistoru (5) a paralelního odporu (6) připojené k druhému konci nastavitelného odporu (4) je spojeno· s kladným pólem zdroje (7) stejnosměrného napětí, jehož záporný pól je spojen se zemnicím vodičem.

4. Zapojení obvodu pro kompenzaci vstupního proudu zesilovače podle bodu 1, vyznačené tím, že ke vstupní svorce ,(B) kompenzovaného zesilovače (i2) je připojen emitor kompenzačního PNP tranzistoru (i3), jehož báze je připojena k běžci nastavitelného odporu (4) spojeného jedním koncem se zemnicím vodičem, přičemž spojení kompenzačního termistoru (5) a paralelního odporu (6) připojené k druhému konci nastavitelného odporu (4) je spojeno s kladným pólem zdroje (7) stejnosměrného napětí, jehož záporný pól je spojen se zemnicím vodičem.

‘5. Zapojení obvodu pro kompenzaci vstupního proudu zesilovače podle bodu 1, vyznačené tím, že ke vstupní svorce (Bj kompenzovaného zesilovače (2) je připojena báze kompenzačního PNP tranzistoru (3), jehož emitor je připojen k běžci nastavitelného odporu (4) spojeného jedním koncem se zemnicím vodičem, přičemž spojení kompenzačního termistoru (5) a paralelního odporu (6) připojené k druhému konci nastavitelného odporu (4 j je spojeno se záporným pólem zdroje (7) stejnosměrného napětí, jehož kladný pól je spojen se zemnicím vodičem.