RU2060580C1

RU2060580C1 - Instrumentation operational amplifier

Info

Publication number: RU2060580C1
Application number: RU93005725A
Authority: RU
Inventors: Ю.П. Головко; В.В. Макашин
Original assignee: Малое предприятие "Символ"
Priority date: 1993-02-01
Filing date: 1993-02-01
Publication date: 1996-05-20

Abstract

FIELD: precision- measurement operational amplifiers for radio engineering and medical instruments (electrocardiographs, electroencephalographs, electromyographs). SUBSTANCE: amplifier has first, second, and third operational amplifiers. Noninverting inputs of first and second operational amplifiers functions as inputs of instrumentation operational amplifier. Inverting input and output of first operational amplifier are connected through first resistor to inverting input and output of second operational amplifier. Power leads of first and second current mirrors are connected, respectively, to positive and negative voltage buses. Input of second current mirror is connected to negative power lead of second operational amplifier; positive power lead of second operational amplifier is connected to positive voltage bus. Output of third operational amplifier functions as output of instrumentation operational amplifier. Variable resistor is inserted between negative voltage bus and output of first current mirror; output of second current mirror is connected to input of first current mirror, inverting input of third operational amplifier and, through second resistor, to output of third operational amplifier whose noninverting input is connected to ground. Negative power lead of first operational amplifier is connected to input of second current mirror; positive power lead of first operational amplifier is connected to positive voltage bus. EFFECT: reduced nonlinear distortions of amplified signals. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной радиотехнике, а точнее к прецизионным измерительным операционным усилителям, и может быть использовано, например, в медицинской диагностической аппаратуре в области электрокардиологии, электроэнцефаллографии, электромиографии и др. The invention relates to measuring radio engineering, and more specifically to precision measuring operational amplifiers, and can be used, for example, in medical diagnostic equipment in the field of electrocardiology, electroencephallography, electromyography, etc.

Известен измерительный операционный усилитель (ОУ) на трех ОУ, построенный по структуре резистивной обратной связи, так называемый источник напряжения, управляемый напряжением. В нем инвертирующие входы первого и второго ОУ соединены между собой через первый резистор, а через второй и третий тиристоры их выводы подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам третьего ОУ. Кроме того, выходы первого, второго и третьего ОУ соединены соответственно через четвертый, пятый и шестой резисторы с их инвертирующими входами, а неинвертирующий вход третьего ОУ через седьмой резистор заземлен [1]
Такой измерительный ОУ относится к среднему классу, он не является прецизионным и имеет удовлетворительные 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 известного измерительного ОУ. Получение более высокого КОСС в подобных ОУ в принципе невозможно из-за существенного разброса параметров входных первого и второго ОУ, т.е. из-за их неидентичности. В результате входной синфазный сигнал на выходе этих ОУ преобразуется в дифференциальный и далее усиливается как обычный полезный сигнал.Known measuring operational amplifier (op-amp) on three op-amps, built on the structure of resistive feedback, the so-called voltage source, voltage-controlled. In it, the inverting inputs of the first and second op-amps are interconnected through the first resistor, and through the second and third thyristors their outputs are connected respectively to the inverting and non-inverting inputs of the third op-amp. In addition, the outputs of the first, second and third op-amps are connected respectively through the fourth, fifth and sixth resistors with their inverting inputs, and the non-inverting input of the third op-amp through the seventh resistor is grounded [1]
Such a measuring op-amp belongs to the middle class, it is not precision and has satisfactory parameters: nonlinear distortion of 6-8% common-mode signal attenuation coefficient (COS) of about 80 dB. However, to obtain even such parameters, precision resistors are required, which significantly increases the cost of manufacturing a known measuring op-amp. Obtaining a higher KOSS in such op-amps is, in principle, impossible due to a significant spread in the input parameters of the first and second op-amps due to their non-identity. As a result, the input common-mode signal at the output of these op-amps is converted into a differential one and then amplified as a normal useful signal.

Известен измерительный ОУ, принятый за прототип, построенный по структуре преобразователя напряжение-ток-напряжение, т.н. источник тока, управляемый напряжением [2] Он содержит первый, второй и третий ОУ, при этом неинвертирующие входы первого и второго ОУ являются входами измерительного ОУ, первое и второе токовые зеркала (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 с шинами соответственно положительного и отрицательного напряжения. Выход третьего ОУ является выходом измерительного ОУ. Known measuring op-amp, adopted for the prototype, built on the structure of the voltage-current-voltage converter, the so-called voltage-controlled current source [2] It contains the first, second and third op-amp, the non-inverting inputs of the first and second op-amp are the inputs of the measuring op-amp, the first and second current mirrors (TK), the inputs of which are connected, respectively, to the positive and negative outputs power supply of the first op-amp [3] The inverting inputs of the first and second op-amps are interconnected via the first resistor, and the outputs of all three op-amps are connected respectively to their inverting inputs. The outputs of two TK are connected to a common bus through a second resistor and with a non-inverting input of the third op-amp, and the TK power leads with buses of positive and negative voltage, respectively. The output of the third op-amp is the output of the measuring op-amp.

По сравнению с устройством [1] прототип имеет меньшие нелинейные искажения (3-4% ), более высокий КОСС в широком диапазоне частот и не требуется прецизионных резисторов. Однако эти параметры он обеспечивает только в малом диапазоне величины тока входного сигнала (порядка нескольких сотен микроампер). При увеличении тока входного сигнала (входного напряжения) увеличиваются нелинейные искажения, что ограничивает применение прототипа в прецизионных измерительных схемах. Это обусловлено тем, что весь размах входного напряжения на нагрузочном резисторе прикладывается к коллекторам ТЗ. В результате этого происходит модуляция коллекторного напряжения ТЗ (p-n-p-токового зеркала) выходным напряжением. Изменение коллекторного напряжения ТЗ вызывают изменения напряжения база-эмиттер (U_бэ). Этот эффект (эффект Эрли) описывается следующей приблизительной зависимостью: Δ U_бэ ≈ -0,001 Δ U_кэ, где U_кэ напряжение коллектор-эмиттер [4] Проявление эффекта Эрли приводит к модуляции выходного коллекторного тока ТЗ, в результате чего возникают нелинейные искажения выходного сигнала, пропорциональные коэффициенту модуляции. Кроме того, увеличение нелинейных искажений в прототипе происходит за счет разных трактов 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 токовых зеркал приводит к возникновению добавочных нелинейных искажений. Следовательно, чтобы устранить этот недостаток необходимо исключить первое ТЗ из тракта прохождения полезного сигнала.Compared with the device [1], the prototype has less nonlinear distortion (3-4%), a higher KOSS in a wide frequency range and does not require precision resistors. However, it provides these parameters only in a small range of the input signal current (of the order of several hundred microamps). With increasing current of the input signal (input voltage), nonlinear distortions increase, which limits the use of the prototype in precision measuring circuits. This is due to the fact that the entire range of input voltage across the load resistor is applied to the collectors of the TK. As a result of this, the collector voltage TK (pnp-current mirror) is modulated by the output voltage. Changes in the collector voltage TK cause changes in the voltage base-emitter (U _BE ). This effect (Earley effect) is described by the following approximate dependence: Δ U _be ≈ -0.001 Δ U _ke , where U _ke is the collector-emitter voltage [4] Manifestation of the Earley effect modulates the output collector current T3, resulting in nonlinear distortion of the output signal proportional to the modulation coefficient. In addition, an increase in nonlinear distortion in the prototype occurs due to different paths of the input signal, depending on its polarity. For U ₁ > U _{2, the} input signal passes through the first TK, and for U ₁ <U ₂ through the second TK. The non-identity of current mirrors leads to the appearance of additional nonlinear distortions. Therefore, in order to eliminate this drawback, it is necessary to exclude the first TK from the path of the useful signal.

Цель изобретения уменьшение нелинейных искажений на выходе измерительного ОУ. The purpose of the invention is the reduction of non-linear distortion at the output of the measuring op-amp.

Для этого предлагается измерительный ОУ, содержащий первый, второй и третий ОУ, при этом неинвертирующие входы первого и второго ОУ являются входами измерительного ОУ, причем инвертирующие вход и выход первого ОУ через первый резистор соединены с инвертирующим входом и выходом второго ОУ, а также первый и второй ТЗ и второй резистор. Выводы питания ТЗ подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного напряжения, причем вход второго ТЗ соединен с отрицательным выводом питания второго ОУ. Положительный вывод питания второго ОУ соединен с шиной положительного напряжения. Выход третьего ОУ является выходом измерительного ОУ. To do this, a measurement op-amp is proposed that contains the first, second and third op-amps, while the non-inverting inputs of the first and second op-amps are inputs of the measuring op-amps, the inverting input and output of the first op-amp through the first resistor connected to the inverting input and output of the second op-amp, as well as the first and second TK and second resistor. The power supply terminals of the TK are connected respectively to the buses of the positive and negative voltage, and the input of the second TK is connected to the negative power terminal of the second op-amp. The positive power terminal of the second op-amp is connected to the positive voltage bus. The output of the third op-amp is the output of the measuring op-amp.

В отличие от прототипа в предлагаемом усилителе между шиной отрицательного напряжения и выходом первого ТЗ введен переменный резистор, выход второго ТЗ подключен к входу первого ТЗ, инвертирующему входу третьего ОУ и через второй резистор к выходу третьего ОУ, неинвертирующий вход которого соединен с землей, отрицательный вывод питания первого ОУ соединен с входом второго ТЗ. Положительный вывод первого ОУ подключен к шине положительного напряжения. Unlike the prototype, a variable resistor is introduced between the negative voltage bus and the output of the first TK in the proposed amplifier, the output of the second TK is connected to the input of the first TK, the inverting input of the third op-amp, and through the second resistor to the output of the third op-amp, the non-inverting input of which is connected to the ground, the negative output power supply of the first op-amp is connected to the input of the second TK. The positive terminal of the first op-amp is connected to the positive voltage bus.

В предлагаемом усилителе полезный входной сигнал проходит только через второе ТЗ, в результате чего недостаток прототипа устранен. In the proposed amplifier, the useful input signal passes only through the second TK, as a result of which the disadvantage of the prototype is eliminated.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого усилителя. The drawing shows a functional diagram of the proposed amplifier.

Измерительный ОУ содержит первый и второй неинвертирующие ОУ 1 и 2, третий инвертирующий ОУ 3, первое и второе токовые зеркала 4 и 5, первый и второй резисторы 6 и 7 соответственно. Неинвертирующие входы первого и второго ОУ являются входами измерительного ОУ, инвертирующие вход и выход первого ОУ 1 через первый резистор 6 (R1) соединены с инвертирующим входом и выходом второго ОУ 2. Выводы питания первого 4 и второго 5 ТЗ подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного напряжения. Вход второго ТЗ 5 соединен с отрицательным выводом питания второго ОУ 2. Положительный вывод питания второго ОУ 2 соединен с шиной положительного напряжения. Выход третьего ОУ 3 является выходом измерительного ОУ. Между шиной отрицательного напряжения и выходом первого ТЗ 4 введен переменный резистор 8, выход второго ТЗ 5 подключен к входу первого ТЗ 4, инвертирующему входу третьего ОУ и через второй резистор 7 (R2) к выходу третьего ОУ, неинвертирующий вход которого соединен с землей. Отрицательный вывод питания первого ОУ соединен с входом второго ТЗ. Положительный вывод питания первого ОУ подключен к шине положительного напряжения. The measuring op-amp contains the first and second non-inverting op-amps 1 and 2, the third inverting op-amp 3, the first and second current mirrors 4 and 5, the first and second resistors 6 and 7, respectively. Non-inverting inputs of the first and second op-amps are inputs of the measuring op-amp, inverting the input and output of the first op-amp 1 through the first resistor 6 (R1) are connected to the inverting input and output of the second op-amp 2. The power outputs of the first 4 and second 5 TK are connected to the positive and negative buses, respectively voltage. The input of the second TK 5 is connected to the negative power terminal of the second op-amp 2. The positive power terminal of the second op-amp 2 is connected to the positive voltage bus. The output of the third op-amp 3 is the output of the measuring op-amp. A variable resistor 8 is introduced between the negative voltage bus and the output of the first TK 4, the output of the second TK 5 is connected to the input of the first TK 4, inverting the input of the third op-amp, and through the second resistor 7 (R2) to the output of the third op-amp, whose non-inverting input is connected to ground. The negative power output of the first op-amp is connected to the input of the second TK. The positive power terminal of the first op-amp is connected to the positive voltage bus.

ОУ 1 и 2 включены как преобразователи напряжение-ток, а ОУ 3 как преобразователь ток-напряжение, т.е. как инвертирующий усилитель с выходным напряжением, пропорциональным входному току. Op-amp 1 and 2 are included as voltage-current converters, and Op-amp 3 as a current-voltage converter, i.e. as an inverting amplifier with an output voltage proportional to the input current.

Усилитель работает следующим образом. The amplifier operates as follows.

Разность потенциалов U₁ и U₂ на резисторе 6 определяет I_o в цепи отрицательной обратной связи ОУ 1 и ОУ 2. При U_вх U₁ U₂ 0 отрицательный ток I₁ источника питания при единичном коэффициенте отражения токового зеркала 5 отражается в точке "а" под действием зеркала 5. Положительный ток I₂ источника питания, обеспечиваемый токовым зеркалом 4 и переменным резистором 8, устанавливается равным току U₁ и, следовательно, выходное напряжение U_вых также равно нулю, т.е. схема находится в равновесии.The potential difference U ₁ and U ₂ on the resistor 6 determines I _o in the negative feedback circuit of OS 1 and OS 2. At U _I U ₁ U ₂ 0 the negative current I _{1 of the} power source at a unit reflection coefficient of the current mirror 5 is reflected at the point "a "under the action of the mirror 5. The positive current I _{2 of the} power supply provided by the current mirror 4 and the variable resistor 8 is set equal to the current U ₁ and, therefore, the output voltage U _{o is} also zero, i.e. the circuit is in equilibrium.

При U₁ ≠ U₂ проходящий через резистор 6 ток I_o будет равен I_o (I₁ I₂)/R1. При U_вх > 0 ток I_o будет проходить через положительную шину питания, зеркало 5 и отрицательную шину питания. При U_вх < 0 ток I_o будет проходить через отрицательную шину питания, зеркало 5 и положительную шину питания. Ток I_o отражается зеркалом 5 в ток I₁ в точке "а" и, следовательно, ток полезного сигнала всегда проходит только через второе зеркало 5: как при U_вх > 0, так и при U_вх < 0. Поэтому неидентичность токовых зеркал 4 и 5 не вносит никаких нелинейных искажений в выходном сигнал. Так как ОУ 1 и ОУ 2 всегда находятся в замкнутой петле независимо от полярности входного сигнала, токи от положительного и отрицательного источников питания складываются синфазно. Если зеркало 5 имеет единичный коэффициент отражения, то ток I₁ I_o и поступает в точку "а".When U ₁ ≠ U _{2, the} current I _o passing through the resistor 6 will be equal to I _o (I ₁ I ₂ ) / R1. When U _I > 0, the current I _o will pass through the positive power bus, mirror 5 and the negative power bus. When U _I <0, the current I _o will pass through the negative power bus, mirror 5 and the positive power bus. The current I _{o is} reflected by the mirror 5 into the current I ₁ at the point "a" and, therefore, the current of the useful signal always passes only through the second mirror 5: both at U _in > 0 and at U _in <0. Therefore, the current mirrors are not identical 4 and 5 does not introduce any non-linear distortion in the output signal. Since the op-amp 1 and op-amp 2 are always in a closed loop, regardless of the polarity of the input signal, the currents from the positive and negative power sources add up in phase. If the mirror 5 has a unit reflection coefficient, then the current I ₁ I _o and enters the point "a".

Коэффициент усиления предлагаемого усилителя определяется как отношение резисторов 7 (R2) и 6 (R1); K_o -R2/R1.The gain of the proposed amplifier is defined as the ratio of resistors 7 (R2) and 6 (R1); K _o —R 2 / R 1.

По сравнению с прототипом предлагаемый усилитель обеспечивает нелинейные искажения менее 0,5-0,7% при токах выше 20 мА, а коэффициент ослабления синфазного сигнала не хуже 100 дБ в полосе частот до 1 кГц при разбалансе внутренних импедансов источников сигнала: R ≥ 47 кОм, С 0,047 мкФ. Compared with the prototype, the proposed amplifier provides non-linear distortions of less than 0.5-0.7% at currents higher than 20 mA, and the attenuation coefficient of the common-mode signal is no worse than 100 dB in the frequency band up to 1 kHz with an imbalance of the internal impedances of the signal sources: R ≥ 47 kOhm , C 0.047 uF.

На МП "Символ" изготовлен и прошел технические приемочные испытания опытный образец предложенного усилителя. Испытания подтвердили достижение поставленной цели изобретения. Усилитель предполагается выпускать в виде интегральной микросборки. A prototype of the proposed amplifier was manufactured and passed technical acceptance tests at MP Symbol. Tests confirmed the achievement of the objectives of the invention. The amplifier is supposed to be produced in the form of an integrated microassembly.

Claims

A measuring operational amplifier containing the first, second and third operational amplifiers, while the non-inverting inputs of the first and second operational amplifiers are the inputs of the measuring operational amplifier, the inverting input and output of the first operational amplifier through the first resistor are connected to the inverting input and output of the second operational amplifier, the first and second current mirrors, the power leads of which are connected respectively to the buses of positive and negative voltage, and the input is second the current mirror is connected to the negative power terminal of the second operational amplifier, the positive power terminal of the first operational amplifier is connected to the positive voltage bus, the output of the third operational amplifier is the output of the measuring operational amplifier, and a second resistor, characterized in that the output of the first current mirror is connected to the bus positive voltage, the output of the second current mirror is connected to the input of the first current mirror, the inverting input of the third operational amplifier and through a second resistor to the output of the third operational amplifier, a noninverting input connected to ground, the negative terminal of the power of the first operational amplifier is connected to the input of the second current mirror, and the positive terminal of the power to the positive voltage bus.