RU2060578C1

RU2060578C1 - Differential amplifier

Info

Publication number: RU2060578C1
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Евланов; С.В. Чуренков
Original assignee: Московский энергетический институт
Priority date: 1991-12-28
Filing date: 1991-12-28
Publication date: 1996-05-20

Abstract

FIELD: electric measurement technology; digital multimeters for scaling input signal. SUBSTANCE: automatic correction of bias voltage across two-position switch 14, switch 15, capacitor 10, and current-limiting resistor 11 of differential amplifier, that has differential input stage built around field-effect transistors 1, 2 with source resistors 3, 4, correcting resistors 5, third and fourth field-effect transistors 6, 7, takes place without influencing its temperature stability. Closing inputs of differential amplifier and switch 15 builds up voltage across capacitor 10 that corresponds to differential stage bias voltage that changes drain currents of field-effect transistors 6, 7 and resistor 5 carries correcting current causing voltage drop of polarity other than that of differential stage bias voltage; drain currents of field-effect transistors 1 and 2 do not change in the process. EFFECT: improved conversion accuracy and temperature stability of differential amplifier bias voltage. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в высокоточных усилителях напряжения постоянного тока, применяемых в электронных средствах измерений, например в цифровых вольтметрах. The invention relates to electrical engineering and can be used in high-precision DC voltage amplifiers used in electronic measuring instruments, for example, digital voltmeters.

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.Known differential amplifier with field-effect transistors in the input stage, which in order to compensate for the bias voltage contains a variable resistor in the source circuit of the transistors of the input differential stage [1]
The disadvantage of this amplifier is that during operation under the influence of the aging process or other factors, the initial compensation of the bias voltage is violated, thereby deteriorating the parameters of the amplifier. Manual additional adjustment in many practical cases is unacceptable, and in some cases impossible, if it requires full or partial disassembly of the device in which the amplifier operates.

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. The closest in technical essence to the proposed amplifier is an amplifier selected with a prototype with automatic compensation of bias voltage [2] To compensate for bias voltage in the input differential stage of the prototype amplifier, a circuit consisting of two field-effect transistors whose sources are combined and connected through a current source is introduced to negative supply voltage. The gate of one transistor is connected to a common point in the circuit, and the gate of another is connected to a storage capacitor and to the key input. The second output of the storage capacitor is connected to a common point in the circuit, and the output of the key is connected to the output of the amplifier. The drains of the field-effect transistors of the compensation circuit are connected to the drains of the field-effect transistors of the input differential stage of the amplifier so that when the key is closed, the amplifier would be covered by negative feedback. To close the inputs of the amplifier with each other, a switch is provided. The key and switch are controlled by a control pulse generator.

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. When the compensation circuit key is closed and the switch at the input of the input differential stage of the amplifier is switched to the position when both inputs of the amplifier are closed to each other, the gate-source voltage of the transistors of the input stage are automatically aligned. The resulting imbalance of the currents of the drains of the transistors of the input stage is compensated for in the loads by using the opposite in sign of the current imbalance of the differential stage of the compensation circuit. By opening the compensation circuit key and the input selector switch of the input differential stage of the voltage amplifier on the storage capacitor, it supports the differential circuit of the compensation circuit, which provides correction of the bias voltage of the amplifier. A disadvantage of the known device is that the compensation circuit of the input bias voltage affects the temperature stability of the bias voltage of the amplifier.

Цель изобретения компенсация напряжения смещения без ухудшения его температурной стабильности. The purpose of the invention is the compensation of the bias voltage without compromising its temperature stability.

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. To do this, in a differential amplifier containing an input differential stage made on the first and second field effect transistors, the drains of which are connected to the inputs of the output amplifier stage and through the corresponding load elements to the positive power bus, the gate of the first field effect transistor is connected to the output of the on / off switch, to the first input which is connected to the gate of the second field-effect transistor, which is the first input of the differential amplifier, the second input of which is the second the second input of the on-off switch, the third and fourth field-effect transistors, the sources of which are connected and connected to the negative power line through the current source, the gate of the fourth field-effect transistor is connected to the first capacitor plate and through the key to the output of the output amplifier stage, while the control inputs of the key and on-off switch connected to the output of the control pulse generator, introduced the first and second source resistors included in the source circuit, respectively, of the first and second field transistors, other terminals of the first and second source resistors are connected to the drains of the third and fourth field-effect transistors, respectively, between the drains of which a correction resistor is introduced, the second capacitor lining is connected through the introduced current-limiting resistor to the negative power bus to which the gate of the third transistor is connected.

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.Using the invention allows you to automatically adjust the bias voltage of amplifiers having a differential input stage on field-effect transistors without violating its temperature stability, which improves the technical and operational characteristics of the amplifier. Improving the temperature drift of the bias voltage of the proposed amplifier compared with the prototype when using the same elemental base, can reach 100 μV / deg [1]
The drawing shows a functional diagram of a differential amplifier.

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.The differential amplifier contains an input differential stage made on transistors 1, 2, between the second ends of which a correction resistor 5 is connected, to the ends of which the drains of transistors 6, 7 of the compensating differential stage on transistors 6, 7 are connected. The drains of transistors 1, 2 through load elements 8 , 9 are connected to a positive voltage source. The gate of the transistor 7 through a series-connected storage capacitor 10 and an auxiliary resistor 11 is connected to a negative power source. The sources of transistors 6, 7 are combined and connected to a negative power source through a current source 12. The output amplifier stage 13 is connected to the drains of transistors 1, 2. The output of switch 14 is connected to the gate of transistor 1. The first input of the switch is connected to terminal U _{2 of the} amplifier, the second to terminal U _{1 of the} amplifier and to the gate of transistor 2. Key 15 is connected by input to the output of the output amplifier stage 13, and the output to the gate of the transistor 7. The control pulse generator 16 controls the operation of the key and switch.

Усилитель работает следующим образом. The amplifier operates as follows.

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. In the interval of formation of the compensating voltage, the control pulse generator 16 closes the key 15 and the gates of the transistors of the input differential stage 1, 2 using the switch 14. At the same time, a voltage corresponding to the bias voltage of the input differential stage of the amplifier arises at the storage capacitor 10. This voltage changes the drain currents of transistors 6, 7 in such a way that a current flows through the correction resistor 5, creating a voltage drop across it, equal in value to the bias voltage of the input differential stage of the amplifier, but directed opposite to the latter. In this case, the drain currents of field effect transistors 1 and 2 do not change, which improves the temperature stability of the bias voltage of the amplifier compared to the prototype. A feature of this automatic compensation scheme is that in the memory mode of the compensating voltage at the output of the amplifier, a large voltage occurs, approximately equal to the voltage of the negative power source of the input differential stage. But this circumstance is insignificant in many electronic measuring instruments, in particular in digital multimeters with periodic correction of ADC drift. If necessary, at the interval of memorizing the compensating voltage, the output of the amplifier can be disconnected from the input of the subsequent node using a key.

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.When the amplifier is put into operation, the control pulse generator opens the key 15 and switches the switch 14, connecting the gate of the first transistor of the amplifier with the terminal U ₂ . The storage capacitor 10 maintains its voltage at the operating interval. This saves the strength and direction of the current in the correction resistor 5. Thus, the voltage on the correction resistor 5 compensates for the bias voltage of the input differential stage during its operation. In a practical test of the device, KPS104 type transistor pair was used as transistors 1, 2, 6, 7, a C2-29V type resistor was used as resistor 5, and a K1408UD1 type chip was used as an amplifier stage 13. As the key 15 and the switch 14 were also used transistors of the transistor pair type KPS104.

Claims

A differential amplifier containing an input differential stage made on the first and second field-effect transistors, the drains of which are connected to the inputs of the output amplifier stage and through the corresponding load elements to the positive power bus, the gate of the first field-effect transistor is connected to the output of the on-off switch, the gate of which is connected to the first input the second field effect transistor, which is the first input of the differential amplifier, the second input of which is the second input of two of the positioning switch, the third and fourth field-effect transistors, the sources of which are connected and connected to the negative power line through the current source, the gate of the fourth field-effect transistor is connected to the first capacitor plate and through the key to the output of the output amplifier stage, while the control inputs of the key and on / off switch are connected to the output of the control pulse generator, characterized in that the first and second source resistors are included in the source circuit of the first and second, respectively field-effect transistors, other terminals of the first and second source resistors are connected to the drains of the third and fourth field-effect transistors, respectively, between the drains of which a correction resistor is introduced, the second capacitor lining is connected through the introduced current-limiting resistor to the negative power bus to which the gate of the third transistor is connected.