RU2490783C1 - Selective amplifier for precision analogue-to-digital interface - Google Patents
Selective amplifier for precision analogue-to-digital interface Download PDFInfo
- Publication number
- RU2490783C1 RU2490783C1 RU2012132337/08A RU2012132337A RU2490783C1 RU 2490783 C1 RU2490783 C1 RU 2490783C1 RU 2012132337/08 A RU2012132337/08 A RU 2012132337/08A RU 2012132337 A RU2012132337 A RU 2012132337A RU 2490783 C1 RU2490783 C1 RU 2490783C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- voltage
- converter
- input
- output
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в качестве устройства усиления аналоговых сигналов датчиков различного функционального назначения (например, в устройствах телеметрии, измерительных системах медицинской техники, автоматического управления и техники специальных измерений).The present invention relates to the field of radio engineering and communication and can be used as a device for amplifying analog signals of sensors of various functional purposes (for example, in telemetry devices, measuring systems of medical equipment, automatic control and special measurement techniques).
Создание аналоговых и аналого-цифровых интерфейсов смешанных систем на кристалле (СнК), ориентированных на взаимодействие с чувствительными элементами (сенсорами) мостового типа всегда предполагает применение инструментальных усилителей (ИУ) как с фиксируемыми, так и с управляемыми параметрами, выполняющих функции подавления синфазного напряжения и усиления дифференциального напряжения. Эти устройства являются основой, как для аналоговых портов, так и для целого класса сложно-функциональных блоков (СФ блоков) СнК. Достаточно большой динамический диапазон измеряемых, величин и относительно высокая точность преобразования предопредели использование в таких интерфейсах прецизионных операционных усилителей (ОУ). Большинство известных на данный момент решений связано с использованием классической структуры построения ИУ, состоящей из трех ОУ и набора прецизионных резисторов [1-16].The creation of analog and analog-to-digital interfaces of mixed systems on a chip (SoC), focused on interaction with sensitive elements (sensors) of the bridge type, always involves the use of instrumental amplifiers (DUTs) with both fixed and controlled parameters that perform the functions of suppressing common-mode voltage and gain differential voltage. These devices are the basis for both analog ports and a whole class of complex functional blocks (SF blocks) of SoC. A sufficiently large dynamic range of the measured values and relatively high conversion accuracy predetermined the use of precision operational amplifiers (op amps) in such interfaces. Most of the currently known solutions are associated with the use of the classical structure of constructing a DUT consisting of three op amps and a set of precision resistors [1-16].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является инструментальный усилитель, представленный в патенте US 2010/0259323 A1 фиг.1 автора Paul L. Bugyik. Он содержит входной прецизионный преобразователь 1 первого 2 и второго 3 источников входных напряжений с первым 4 и вторым 5 противофазными выходами, активный сумматор 6, инвертирующий вход которого 7 соединен с первым 4 выходом входного прецизионного преобразователя 1, а неинвертирующий вход 8 подключен ко второму 5 выходу входного прецизионного преобразователя 1, выход устройства 9, связанный с выходом активного сумматора 6, причем первый 2 и второй 3 источники входных напряжений подаются на входы входного прецизионного преобразователя 1 относительно общей шины источников питания 10.The closest prototype of the claimed device is a tool amplifier, presented in patent US 2010/0259323 A1 of figure 1 by Paul L. Bugyik. It contains an
Существенные недостатки известного устройства, архитектура которого присутствует также во многих других инструментальных усилителях [1-16], состоят в следующем:Significant disadvantages of the known device, the architecture of which is also present in many other instrumentation amplifiers [1-16], are as follows:
1. Первый недостаток. Даже при использовании строго идентичных операционных усилителей в структуре входного прецизионного преобразователя 1 предельное значение коэффициента ослабления входного синфазного сигнала (Ксн) будет определяться следующим соотношением:1. The first flaw. Even when using strictly identical operational amplifiers in the structure of the
где R23÷R26 - резисторы, входящие в структуру активного сумматора (6) фиг.1.where R 23 ÷ R 26 - resistors included in the structure of the active adder (6) of figure 1.
Поэтому глубокое ослабление входного синфазного сигнала в ИУ фиг.1 возможно только при строго согласованных резисторах R23÷R26.Therefore, a deep attenuation of the input common-mode signal in the DUT of Fig. 1 is possible only with strictly agreed resistors R 23 ÷ R 26 .
Можно показать, что даже при реализации условия строгой идентичности сопротивлений резисторов (R23=R24=R25=R26=R) коэффициент Ксн не лучше, чемIt can be shown that even when the conditions of strict identity of the resistances of the resistors (R 23 = R 24 = R 25 = R 26 = R) are met, the coefficient K sn is not better than
где ΘR - погрешность сопротивлений резисторов активного сумматора (6) (фиг.1).where Θ R is the error of the resistances of the resistors of the active adder (6) (Fig. 1).
Таким образом, из приведенных соотношений (1) и (2) видно, что максимально реализуемый коэффициент ослабления входного синфазного сигнала ИУ фиг.1 ограничивается погрешностью сопротивлений резисторов активного сумматора ΘR. Как следствие, даже для прецизионных технологий, у которых ΘR=0,1%, коэффициент ослабления входного синфазного напряжения ИУ фиг.1 не превышает 60 дБ, что явно недостаточно для построения даже непрецизионных измерительных и датчиковых систем. Поэтому при производстве таких схем ИУ используют дорогостоящую прецизионную лазерную настройку резисторов R23÷R26, направленную на достижение требуемых по разбросу качественных показателей резисторов (например, ΘR=0,01%), при которых коэффициент ослабления входного синфазного сигнала не превышает 75 дБ.Thus, from the above relations (1) and (2), it can be seen that the maximum realized attenuation coefficient of the input common-mode signal of the DUT of Fig. 1 is limited by the error of the resistors of the active adder Θ R. As a result, even for precision technologies for which Θ R = 0.1%, the attenuation coefficient of the input common-mode voltage of the DUT of Fig. 1 does not exceed 60 dB, which is clearly not enough to build even non-precision measuring and sensor systems. Therefore, in the production of such DUT circuits, an expensive, precision laser tuning of resistors R 23 ÷ R 26 is used , aimed at achieving the required scatter of qualitative indicators of resistors (for example, Θ R = 0.01%), at which the attenuation coefficient of the input common-mode signal does not exceed 75 dB .
2. Второй недостаток. Неэффективность использования проходной характеристики первого (18) и второго (19) операционных усилителей в структуре ИУ фиг.1. Это объясняется тем, что основная часть амплитудной характеристики первого (18) и второго (19) операционных усилителей содержит составляющую входного синфазного напряжения:2. The second drawback. The inefficiency of using the pass-through characteristics of the first (18) and second (19) operational amplifiers in the structure of the DUT of FIG. 1. This is because the main part of the amplitude characteristic of the first (18) and second (19) operational amplifiers contains a component of the input common-mode voltage:
где U18 и U19 - напряжения на выходе первого (18) и второго (19) операционных усилителей соответственно, Uсн - синфазные напряжения на входах инструментального усилителя, Uд - дифференциальное напряжение на входах инструментального усилителя, R20÷R22 - резисторы цепи обратной связи, входящие в структуру входного прецизионного преобразователя 1 фиг.1.where U 18 and U 19 are the voltage at the output of the first (18) and second (19) operational amplifiers, respectively, U sn are the common-mode voltages at the inputs of the instrument amplifier, U d are the differential voltage at the inputs of the instrument amplifier, R 20 ÷ R 22 are the resistors feedback circuits included in the structure of the
Основные задачи предлагаемого изобретения состоят в следующем.The main objectives of the invention are as follows.
1. Исключить прецизионные резисторы R23÷R26 из структуры активного сумматора 6 и, следовательно, необходимости дорогостоящей прецизионной лазерной настройки этих резисторов. Это позволит не только повысить выход годных изделий при производстве, но и получить максимально высокий коэффициент ослабления входного синфазного напряжения в структуре предлагаемого ИУ.1. To exclude the precision resistors R 23 ÷ R 26 from the structure of the
2. Исключить синфазную составляющую в выходных сигналах входного прецизионного преобразователя 1, что позволит дополнительно повысить эффективность использования их амплитудной характеристики.2. To exclude the in-phase component in the output signals of the input precision Converter 1, which will further improve the efficiency of using their amplitude characteristics.
Поставленная задача решается тем, что в инструментальном усилителе фиг.1, содержащем входной прецизионный преобразователь 1 первого 2 и второго 3 источников входных напряжений с первым 4 и вторым 5 противофазными выходами, активный сумматор 6, инвертирующий вход которого 7 соединен с первым 4 выходом входного прецизионного преобразователя 1, а неинвертирующий вход 8 подключен ко второму 5 выходу входного прецизионного преобразователя 1, выход устройства 9, связанный с выходом активного сумматора 6, причем первый 2 и второй 3 источники входных напряжений подаются на входы входного прецизионного преобразователя 1 относительно общей шины источников питания 10, предусмотрены новые элементы и связи - активный сумматор 6 содержит первый 11 преобразователь «напряжение-ток», инвертирующий вход которого соединен с выходом устройства 9, а неинвертирующий вход связан с общей шиной источников питания 10, второй 12 преобразователь «напряжение-ток», инвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом 7 активного сумматора 6, а неинвертирующий вход подключен к неинвертирующему входу 8 активного сумматора 6, первый 13 токовый выход первого 11 преобразователя «напряжение-ток» соединен с первым 14 токовым выходом второго 12 преобразователя «напряжение-ток» и подключен к неинвертирующему токовому входу первого 15 выходного преобразователя «ток-напряжение», второй 16 токовый выход первого 11 преобразователя «напряжение-ток» соединен со вторым 17 токовым выходом второго 12 преобразователя «напряжение-ток» и подключен к инвертирующему токовому входу первого 15 выходного преобразователя «ток-напряжение», причем сигнал на первом 13 токовом выходе первого 11 преобразователя «напряжение-ток» противофазен сигналу на втором 16 токовом выходе первого 11 преобразователя «напряжение-ток», а сигнал на первом 14 токовом выходе второго 12 преобразователя «напряжение-ток» противофазен сигналу на втором 17 токовом выходе второго 12 преобразователя «напряжение-ток» и синфазен сигналам на первом 13 токовом выходе первого 11 преобразователя «напряжение-ток».The problem is solved in that in the instrumental amplifier of figure 1, containing an
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1.The amplifier circuit of the prototype is shown in the drawing of figure 1.
На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2, а на чертеже фиг.3 - в соответствии с п.3 формулы изобретения.The drawing of figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with
На чертеже фиг.4 представлено упрощенное графическое изображение предлагаемого активного сумматора 6.The drawing of figure 4 presents a simplified graphical representation of the proposed
На чертеже фиг.5 приведена макромодель заявляемого инструментального усилителя фиг.3 в среде PSpice на моделях компонентов биполярно-полевого аналогового базового матричного кристалла АБМК_1_3, которая использовалась для исследования его основных характеристикThe drawing of Fig. 5 shows a macro model of the inventive instrumental amplifier of Fig. 3 in a PSpice environment on models of components of the bipolar-field analog base matrix crystal ABMK_1_3, which was used to study its main characteristics
На чертеже фиг.6 и фиг.7 приведены соответственно логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики дифференциального коэффициента усиления по напряжению ИУ фиг.5 при различных значениях сопротивления третьего (46) резистора обратной связи в структуре входного прецизионного преобразователя 1 фиг.3, определяющего реализуемое значение этого коэффициента.The drawing of Fig.6 and Fig.7 respectively shows the logarithmic amplitude and phase frequency characteristics of the differential voltage gain of the DUT of Fig.5 for various resistance values of the third (46) feedback resistor in the structure of the
На фиг.8 показана частотная зависимость коэффициента ослабления входного синфазного сигнала ИУ фиг.5 (фиг.3).On Fig shows the frequency dependence of the attenuation coefficient of the input common mode signal of the DUT of Fig.5 (Fig.3).
На чертеже фиг.9 приведены графики граничных напряжений при подаче дифференциального сигнала на входы инструментального усилителя фиг.5 (фиг.3).The drawing of Fig.9 shows graphs of the boundary stresses when applying a differential signal to the inputs of the instrumentation amplifier of Fig.5 (Fig.3).
На чертеже фиг.10 показаны значения напряжения дрейфа нуля на выходе инструментального усилителя фиг.5 (фиг.3) при изменении температуры от 10 до 100 градусов Цельсия.The drawing of figure 10 shows the voltage values of zero drift at the output of the instrumentation amplifier of figure 5 (figure 3) when the temperature changes from 10 to 100 degrees Celsius.
На чертеже фиг.11 приведена гистограмма, отражающая возможные значения напряжения дрейфа нуля инструментального усилителя фиг.5 (фиг.3) в результате применения метода Monte Carlo (Гауссовское распределение, разброс сопротивлений резисторов 1,5%).The drawing of Fig.11 shows a histogram reflecting the possible values of the zero drift voltage of the instrumentation amplifier of Fig.5 (Fig.3) as a result of applying the Monte Carlo method (Gaussian distribution, the spread of resistor resistances of 1.5%).
На чертеже фиг.12 приведены графики разброса коэффициента ослабления входного синфазного напряжения ИУ фиг.5 (фиг.3) с применением метода Monte Carlo (Гауссовское распределение, разброс значений резисторов 1,5%) в диапазоне частот.The drawing of Fig. 12 shows graphs of the spread of the attenuation coefficient of the input common-mode voltage of the DUT of Fig. 5 (Fig. 3) using the Monte Carlo method (Gaussian distribution, spread of resistor values of 1.5%) in the frequency range.
На чертеже фиг.13 показана гистограмма, отражающая возможные значения коэффициента ослабления входного синфазного сигнала.The drawing of Fig.13 shows a histogram showing the possible values of the attenuation coefficient of the input common-mode signal.
Графики фиг.11 - фиг.13 показывают, что заявляемое устройство, в отличие от ИУ фиг.1, характеризуется более высоким коэффициентом ослабления входного синфазного сигнала, слабозависящим от погрешности резистивных элементов. Это позволит избежать дорогостоящей лазерной прецизионной настройки резисторов, и, следовательно, повысить выход годных изделий при производстве. Кроме того, напряжение дрейфа нуля ИУ фиг.2, фиг.3, определяемое напряжением смещения нуля активного сумматора 6, также имеет низкую зависимость от погрешности резистивных элементов.The graphs of Fig. 11 - Fig. 13 show that the inventive device, in contrast to the DUT of Fig. 1, is characterized by a higher attenuation coefficient of the input common-mode signal, weakly dependent on the error of the resistive elements. This will avoid expensive laser precision tuning of resistors, and, therefore, increase the yield of products during production. In addition, the zero drift voltage of the DUT of FIG. 2, FIG. 3, determined by the zero bias voltage of the
Схема заявляемого инструментального усилителя фиг.4 характеризуется высокой эффективностью использования амплитудной характеристики входного прецизионного преобразователя 1.The circuit of the inventive instrumental amplifier of figure 4 is characterized by high efficiency using the amplitude characteristics of the input precision Converter 1.
Инструментальный усилитель фиг.2 содержит входной прецизионный преобразователь 1 первого 2 и второго 3 источников входных напряжений с первым 4 и вторым 5 противофазными выходами, активный сумматор 6, инвертирующий вход которого 7 соединен с первым 4 выходом входного прецизионного преобразователя 1, а неинвертирующий вход 8 подключен ко второму 5 выходу входного прецизионного преобразователя 1, выход устройства 9, связанный с выходом активного сумматора 6, причем первый 2 и второй 3 источники входных напряжений подаются на входы входного прецизионного преобразователя 1 относительно общей шины источников питания 10. Активный сумматор 6 содержит первый 11 преобразователь «напряжение-ток», инвертирующий вход которого соединен с выходом устройства 9, а неинвертирующий вход связан с общей шиной источников питания 10, второй 12 преобразователь «напряжение-ток», инвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом 7 активного сумматора 6, а неинвертирующий вход подключен к неинвертирующему входу 8 активного сумматора 6, первый 13 токовый выход первого 11 преобразователя «напряжение-ток» соединен с первым 14 токовым выходом второго 12 преобразователя «напряжение-ток» и подключен к неинвертирующему токовому входу первого 15 выходного преобразователя «ток-напряжение», второй 16 токовый выход первого 11 преобразователя «напряжение-ток» соединен со вторым 17 токовым выходом второго 12 преобразователя «напряжение-ток» и подключен к инвертирующему токовому входу первого 15 выходного преобразователя «ток-напряжение», причем сигнал на первом 13 токовом выходе первого 11 преобразователя «напряжение-ток» противофазен сигналу на втором 16 токовом выходе первого 11 преобразователя «напряжение-ток», а сигнал на первом 14 токовом выходе второго 12 преобразователя «напряжение-ток» противофазен сигналу на втором 17 токовом выходе второго 12 преобразователя «напряжение-ток» и синфазен сигналам на первом 13 токовом выходе первого 11 преобразователя «напряжение-ток».The instrument amplifier of Fig. 2 contains an
На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, входной прецизионный преобразователь 1 в частном случае содержит первый 18 и второй 19 операционные усилители, неинвертирующий вход первого 18 операционного усилителя соединен с первым 2 источником входного напряжения, неинвертирующий вход второго 19 операционного усилителя соединен со вторым 3 источником входного напряжения, между выходом первого 18 операционного усилителя, связанным с первым 4 выходом входного прецизионного преобразователя 1 и инвертирующим входом первого 18 операционного усилителя, включен первый 20 резистор обратной связи, между выходом второго 19 операционного усилителя, связанным со вторым 5 выходом входного прецизионного преобразователя 1 и инвертирующим входом второго 19 операционного усилителя включен второй 21 резистор обратной связи, причем между инвертирующими входами первого 18 и второго 19 операционных усилителей включен третий 22 резистор обратной связи.In the drawing of FIG. 2, in accordance with
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, входной прецизионный преобразователь 1 содержит третий 28 преобразователь «напряжение-ток», неинвертирующий вход которого связан с первым 2 источником входного напряжения, четвертый 29 преобразователь «напряжение-ток», неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной источников питания 10, первый 30 токовый выход третьего 28 преобразователя «напряжение-ток» соединен с первым 31 токовым выходом четвертого 29 преобразователя «напряжение-ток» и подключен к инвертирующему токовому входу второго 32 выходного преобразователя «ток-напряжение», второй 33 токовый выход третьего 28 преобразователя «напряжение-ток» соединен со вторым 34 токовым выходом четвертого 29 преобразователя «напряжение-ток» и подключен к неинвертирующему токовому входу второго 32 выходного преобразователя «ток-напряжение», причем сигнал на первом 30 токовом выходе третьего 28 преобразователя «напряжение-ток» противофазен сигналу на втором 33 токовом выходе третьего 28 преобразователя «напряжение-ток», а сигнал на первом 31 токовом выходе четвертого 29 преобразователя «напряжение-ток» противофазен сигналу на втором 34 токовом выходе четвертого 29 преобразователя «напряжение-ток» и синфазен сигналам на первом 30 токовом выходе третьего 28 преобразователя «напряжение-ток», причем выход 35 второго 32 преобразователя «ток-напряжение» соединен с первым 4 выходом входного прецизионного преобразователя 1, пятый 36 преобразователь «напряжение-ток», неинвертирующий вход которого связан со вторым 3 источником входного напряжения и соединен с инвертирующим входом третьего 28 преобразователя «напряжение-ток», шестой 37 преобразователь «напряжение-ток», неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной источников питания 10, первый 38 токовый выход шестого 37 преобразователя «напряжение-ток» соединен с первым 39 токовым выходом пятого 36 преобразователя «напряжение-ток» и подключен к неинвертирующему токовому входу третьего 40 выходного преобразователя «ток-напряжение», второй 41 токовый выход шестого 37 преобразователя «напряжение-ток» соединен со вторым 42 токовым выходом пятого 36 преобразователя «напряжение-ток» и подключен к инвертирующему токовому входу третьего 35 выходного преобразователя «ток-напряжение» 1, причем сигнал на первом 38 токовом выходе шестого 37 преобразователя «напряжение-ток» противофазен сигналу на втором 41 токовом выходе шестого 37 преобразователя «напряжение-ток», а сигнал на первом 39 токовом выходе пятого 36 преобразователя «напряжение-ток» противофазен сигналу на втором 42 токовом выходе пятого 36 преобразователя «напряжение-ток» и синфазен сигналам на первом 38 токовом выходе шестого 37 преобразователя «напряжение-ток», причем выход 43 третьего 40 выходного преобразователя «ток-напряжение» соединен со вторым 5 выходом входного прецизионного преобразователя 1, инвертирующий вход пятого 36 преобразователя «напряжение-ток» соединен с инвертирующим входом третьего 28 преобразователя «напряжение-ток», выход 35 второго 32 выходного преобразователя «ток-напряжение» связан с неинвертирующим входом четвертого 29 преобразователя «напряжение-ток» через первый 44 дополнительный резистор обратной связи, выход 43 третьего 40 выходного преобразователя «ток-напряжение» связан с инвертирующим входом шестого 37 преобразователя «напряжение-ток» через второй 45 дополнительный резистор обратной связи, а между инвертирующими входами шестого 37 и четвертого 29 преобразователей «напряжение-ток» включен третий 46 дополнительный резистор обратной связи.In the drawing of FIG. 3, in accordance with
Рассмотрим работу ИУ фиг.2.Consider the operation of the DUT figure 2.
Сигналы, содержащие синфазную и дифференциальную составляющие, подаются на вход 1 (Bx.1) и вход 2 (Bx.2) входного прецизионного преобразователя (1) и поступают на неинвертирующие входы первого (18) и второго (19) операционных усилителей, в соответствии с выбранным отношением первого (20) и третьего (22) резисторов цепи обратной связи и второго (21) и третьего (20) резисторов цепи обратной связи выполняется усиление амплитуды входного дифференциального сигнала, который совместно с неизменным по отношению ко входу синфазным сигналом, а также погрешностью, вносимой напряжением смещения нуля первого (18) и второго (19) операционных усилителей поступает на выход (4) и выход (5) входного двухканального прецизионного преобразователя (1) и далее на инвертирующий (7) и неинвертирующий 8 входы активного сумматора (6) и, соответственно, на инвертирующий и неинвертирующий входы второго (12) преобразователя «напряжение-ток». Как видно из структуры ИУ, в схеме выполняется вычитание поступающих сигналов по принципу «токового суммирования», что позволяет значительно уменьшить погрешность, вносимую в итоговой результат напряжением смещения нуля первого (18) и второго (19) операционных усилителей, входящих в состав входного прецизионного преобразователя (1) при условии его реализации в рамках одного кристалла. При этом выполняется подавление поступающего синфазного напряжения за счет реализации высокого коэффициента ослабления входного синфазного сигнала во входных дифференциальных каскадах второго (12) преобразователя «напряжение-ток». В итоге на выходе активного сумматора 6 и инструментального усилителя в целом появляется усиленный дифференциальный сигнал с погрешностью, вносимой напряжением смещения нуля активного сумматора 6.Signals containing in-phase and differential components are fed to input 1 (Bx.1) and input 2 (Bx.2) of the input precision transducer (1) and fed to the non-inverting inputs of the first (18) and second (19) operational amplifiers, in accordance with the selected ratio of the first (20) and third (22) feedback resistors and the second (21) and third (20) feedback resistors, the amplitude of the input differential signal is amplified, which together with the common-mode signal that is unchanged with respect to the input, and also error the zero bias voltage of the first (18) and second (19) operational amplifiers is fed to the output (4) and output (5) of the input two-channel precision transducer (1) and then to the inverting (7) and non-inverting 8 inputs of the active adder (6) and , respectively, to the inverting and non-inverting inputs of the second (12) voltage-current converter. As can be seen from the structure of the DUT, in the circuit, the incoming signals are subtracted according to the “current summation” principle, which can significantly reduce the error introduced in the final result by the zero bias voltage of the first (18) and second (19) operational amplifiers that are part of the input precision converter (1) subject to its implementation within a single crystal. In this case, the incoming common-mode voltage is suppressed due to the implementation of a high attenuation coefficient of the input common-mode signal in the input differential stages of the second (12) voltage-current converter. As a result, at the output of the
Однако неэффективность использования амплитудной характеристики первого (18) и второго (19) операционных усилителей в структуре фиг.2, что связанно с наличием в их выходном сигнале синфазной составляющей, приводит к неэффективному использованию диапазона входных граничных напряжений второго (12) преобразователя «напряжение-ток». Это уменьшает реализуемый схемой динамический диапазон ИУ. Поэтому необходимо подавлять синфазную составляющую входного сигнала в структуре входного прецизионного преобразователя (1).However, the inefficiency of using the amplitude characteristics of the first (18) and second (19) operational amplifiers in the structure of Fig. 2, which is associated with the presence of an in-phase component in their output signal, leads to inefficient use of the input boundary voltage range of the second (12) voltage-current converter ". This reduces the dynamic range of the DUT implemented by the circuit. Therefore, it is necessary to suppress the in-phase component of the input signal in the structure of the input precision transducer (1).
Рассмотрим работу ИУ фиг.3.Consider the operation of the
Сигнал, содержащий синфазную и дифференциальную составляющие подается на вход 1 (Вх.1) и вход 2 (Вх.2) входного прецизионного преобразователя (1) и поступают на неинвертирующий вход третьего (28) преобразователя «напряжение-ток», инвертирующий вход пятого (36) преобразователя «напряжение-ток» и на инвертирующий вход третьего (28) преобразователя «напряжение-ток», неинвертирующий вход пятого (36) преобразователя «напряжение-ток» соответственно, за счет реализации высокого коэффициента ослабления входного синфазного сигнала во входных дифференциальных каскадах третьего (28) и пятого (36) преобразователей «напряжение-ток» происходит подавление синфазной составляющей сигнала. Одновременно выполняется усиление амплитуды дифференциальной составляющей сигнала согласно выбранному отношению первого (44) и третьего (46) резисторов цепи обратной связи и второго (45) и третьего (46) резисторов цепи обратной связи. Усиленная дифференциальная составляющая сигнала совместно с ослабленной по отношению ко входу синфазной составляющей сигнала, а также погрешностью, вносимой напряжением дрейфа нуля на выходе (35) второго (32) преобразователя «ток-напряжение» и на выходе (43) третьего (40) преобразователя «ток-напряжение» поступает на выход (4) и выход (5) входного прецизионного преобразователя (1) и далее на инвертирующий (7) и неинвертирующий 8 входы активного сумматора (6), где и осуществляется вычитание поступающих сигналов. Это позволяет значительно уменьшить погрешность, вносимую в итоговой результат напряжением дрейфа нуля ИУ и увеличить коэффициент ослабления входного синфазного напряжения, при условии реализации входного прецизионного преобразователя (1) в рамках одного кристалла и суммирования усиленного дифференциального напряжения. В итоге на выходе активного сумматора 6 и инструментального усилителя в целом появляется усиленный дифференциальный сигнал с погрешностью, определяемой напряжением смещения нуля активного сумматора 6.A signal containing in-phase and differential components is fed to input 1 (Vx.1) and input 2 (Vx.2) of the input precision transducer (1) and is fed to the non-inverting input of the third (28) voltage-current converter, which inverts the fifth ( 36) voltage-current converter and to the inverting input of the third (28) voltage-current converter, non-inverting input of the fifth (36) voltage-current converter, respectively, due to the implementation of a high attenuation coefficient of the input common-mode signal in the input differential cial third stages (28) and fifth (36) transducer "voltage-current" is suppressed inphase signal component. At the same time, amplification of the amplitude of the differential component of the signal is performed according to the selected ratio of the first (44) and third (46) feedback resistors and the second (45) and third (46) feedback resistors. The amplified differential signal component together with the common-mode signal component weakened with respect to the input, as well as the error introduced by the zero drift voltage at the output (35) of the second (32) current-voltage converter and at the output (43) of the third (40) converter current-voltage ”is fed to the output (4) and output (5) of the input precision transducer (1) and then to the inverting (7) and non-inverting 8 inputs of the active adder (6), where the input signals are subtracted. This makes it possible to significantly reduce the error introduced in the final result by the zero-drift voltage of the DUT and increase the attenuation coefficient of the input common-mode voltage, provided that the input precision converter (1) is implemented within a single crystal and the amplified differential voltage is summed. As a result, at the output of the
Покажем аналитически, что указанные выше свойства инструментального усилителя реализуются в заявляемой схеме фиг.3.We show analytically that the above properties of the instrumental amplifier are implemented in the inventive scheme of figure 3.
Действительно, используя методы анализа электронных схем, можно показать, что предлагаемый инструментальный усилитель (фиг.3) характеризуется следующими параметрами.Indeed, using the methods of analysis of electronic circuits, it can be shown that the proposed instrumental amplifier (figure 3) is characterized by the following parameters.
Коэффициент усиления дифференциального сигнала:Differential signal gain:
где Kд.6 - коэффициент усиления дифференциального сигнала активного сумматора (6), S12 - крутизна второго (12) преобразователя «напряжение-ток», S11 - крутизна первого (11) преобразователя «напряжение-ток» (фиг.3). Поэтому при схемотехническом проектировании входных преобразователей «напряжение-ток» активного сумматора (6) (фиг.3), необходимо предусмотреть за счет интегральной технологии высокую точность отношения S12 и S11. В этой связи при правильной реализации режимов работы активных элементов схемы практически точно реализуется равенство Kд.6=Rи1/Rи2, которое при необходимости может быть равно единице. Тогда выбор номинала третьего (46) резистора дополнительной обратной связи R46, с учетом сопротивления первого (44) резистора дополнительной обратной связи R44 и второго (45) резистора дополнительной обратной связи R45, задает значение параметра Кд инструментального усилителя фиг.3. В частности, можно использовать равенство R44=R45=R. При этом коэффициент передачи синфазного напряжения инструментального усилителя:where K d.6 is the gain of the differential signal of the active adder (6), S 12 is the slope of the second (12) voltage-current converter, S 11 is the slope of the first (11) voltage-current converter (figure 3) . Therefore, in the circuit design of the input voltage-current converters of the active adder (6) (Fig. 3), it is necessary to provide, due to the integrated technology, a high accuracy ratio S 12 and S 11 . In this regard, with the correct implementation of the operating modes of the active elements of the circuit, the equality K d.6 = R and1 / R and2 is almost exactly realized, which, if necessary, can be equal to unity. Then, the choice of the nominal value of the third (46) additional feedback resistor R 46 , taking into account the resistance of the first (44) additional feedback resistor R 44 and the second (45) additional feedback resistor R 45 , sets the value of the parameter K d of the instrument amplifier of Fig. 3. In particular, the equality R 44 = R 45 = R can be used. In this case, the common-mode voltage transfer coefficient of the instrumental amplifier:
где Kоссн.28, Kоссн.36 - коэффициенты ослабления входного синфазного сигнала, реализуемые во входных каскадах третьего (28) и пятого (36) преобразователей «напряжение-ток» соответственно, Kоссн.6 - коэффициент ослабления входного синфазного сигнала активного сумматора (6). В этом случае напряжение дрейфа нуля инструментального усилителя определяется соотношением:where K osn. 28 , K osn. 36 - attenuation coefficients of the input common-mode signal implemented in the input stages of the third (28) and fifth (36) voltage-current converters, respectively, K osn. 6 - attenuation coefficient of the input common-mode signal of the active adder (6). In this case, the voltage zero drift of the instrumental amplifier is determined by the ratio:
где Uдр.ИУ - дрейф нуля инструментального усилителя, Uдр.35, Uдр.43 - напряжения дрейфа нуля на выходе (35) второго (32) преобразователя «ток-напряжение» и на выходе (43) третьего (40) преобразователя «ток-напряжение» соответственно, Uдр.6 - напряжение дрейфа активного сумматора (6). С учетом выполнения входного прецизионного преобразователя (фиг.3) в едином технологическом процессе в рамках одного кристалла Uдр.35=Uдp.43, поэтому:where U dr.IU - zero drift of the instrument amplifier, U dr. 35 , U dr. 43 - zero drift voltage at the output (35) of the second (32) current-voltage converter and at the output (43) of the third (40) converter "Current-voltage", respectively, U dr.6 - drift voltage of the active adder (6). Given the implementation of the input precision Converter (figure 3) in a single technological process within the framework of a single crystal U dr . 35 = U dr. 43 , therefore:
где Kд.6 - коэффициент усиления дифференциального сигнала активного сумматора (6), Eсм.12 - ЭДС смещения во входных цепях второго (12) преобразователя «напряжение-ток» (фиг.4). Так как для активного сумматора сигналов (6) Kд.ОУЗ=1:where K d.6 - gain of the differential signal of the active adder (6), E see 12 - EMF bias in the input circuits of the second (12) Converter "voltage-current" (figure 4). Since for the active adder of signals (6) K d . OUZ = 1:
Таким образом, напряжения дрейфа нуля инструментального усилителя определяется ЭДС смещения активного сумматора сигналов (6).Thus, the voltage of the zero drift of the instrumental amplifier is determined by the emf bias of the active signal adder (6).
Напряжения на выходе (35) и выходе (43) второго (32) и третьего (40) преобразователей «ток-напряжение» определяются соответственно по формулам:The voltage at the output (35) and output (43) of the second (32) and third (40) current-voltage converters are determined respectively by the formulas:
Таким образом, при Kосснi<<1 повышается эффективность использования амплитудной характеристики на выходе (35) и выходе (43) второго (32) и третьего (40) преобразователей «ток-напряжение» соответственно (фиг.3). Действительно, в устройстве-прототипеThus, when K osni << 1, the efficiency of using the amplitude characteristics at the output (35) and output (43) of the second (32) and third (40) current-voltage converters increases, respectively (Fig. 3). Indeed, in the prototype device
Эти напряжения определяются синфазным напряжением на входе инструментального усилителя Uсн.These voltages are determined by the common-mode voltage at the input of the instrument amplifier U sn .
Кроме этого, в прототипеIn addition, in the prototype
где Eсм.27 - напряжение смещение нуля третьего (27) операционного усилителя (фиг.1), следовательно, дрейф нуля прототипа практически в 2 раза больше дрейфа нуля заявляемого устройства.where E see 27 - voltage zero offset of the third (27) operational amplifier (figure 1), therefore, the zero drift of the prototype is almost 2 times greater than the zero drift of the claimed device.
Уменьшение Kсн (5) за счет Kосснi<<1 объясняется дифференциальными свойствами входных основных и дополнительных дифференциальных каскадов.The decrease in K sn (5) due to K osni << 1 is explained by the differential properties of the input main and additional differential stages.
Таким образом, влияние технологических погрешностей изготовления резисторов ΘRi распространяется только на дифференциальный коэффициент усиления (4) и не влияет на коэффициент передачи синфазного сигнала (5) и его дрейф нуля (8), что также видно по чертежу на фиг.11.Thus, the influence of technological errors in the manufacture of resistors Θ Ri applies only to the differential gain (4) and does not affect the transfer coefficient of the common-mode signal (5) and its zero drift (8), which is also seen in the drawing in Fig. 11.
Действительно, как следует из соотношений (4), (5) и (8)Indeed, as follows from relations (4), (5) and (8)
влияние ΘRi ослабляется вводимыми каналами в схему заявляемого устройства. При этом ΔKсн (13) является предельным значением коэффициента передачи входного синфазного сигнала.the influence of Θ Ri is attenuated by the introduced channels into the circuit of the claimed device. Moreover, ΔK sn (13) is the limiting value of the transmission coefficient of the input common-mode signal.
В схеме инструментального усилителя фиг.2 (п.1 формулы изобретения) эти параметры определяются следующими соотношениямиIn the circuit of the instrumental amplifier of FIG. 2 (claim 1), these parameters are determined by the following relations
т.е. коэффициент передачи синфазного напряжения (соотношение 15) определяется коэффициентом ослабления входного синфазного напряжения второго (12) преобразователя «напряжение-ток», который определяет также и дрейф нуля (соотношение 16).those. the common-mode voltage transfer ratio (ratio 15) is determined by the attenuation coefficient of the input common-mode voltage of the second (12) voltage-current converter, which also determines zero drift (ratio 16).
Таким образом, предлагаемый инструментальный усилитель выгодно отличается от прототипа и аналогов тем, что характеризуется более высоким (максимально достижимым) коэффициентом ослабления синфазного сигнала, независящим от резистивных элементов в структуре сумматора и слабозависящим от погрешности резистивных элементов в схеме вообще, что позволяет избежать дорогостоящей прецизионной лазерной настройки этих резисторов. Кроме этого, предлагаемый инструментальный усилитель характеризуется более эффективным использованием амплитудной характеристики на выходах входного прецизионного преобразователя (1) фиг.3, за счет подавления синфазной составляющей в его структуре, а также малым напряжением дрейфа нуля инструментального усилителя, имеющим низкую зависимость от погрешности резистивных элементов.Thus, the proposed instrumental amplifier compares favorably with the prototype and analogs in that it has a higher (maximum achievable) common-mode signal attenuation coefficient, independent of resistive elements in the adder structure and weakly dependent on the error of resistive elements in the circuit in general, which avoids costly precision laser settings of these resistors. In addition, the proposed instrument amplifier is characterized by a more efficient use of the amplitude characteristic at the outputs of the input precision transducer (1) of Fig. 3, due to the suppression of the in-phase component in its structure, as well as by the low voltage of the zero drift of the instrument amplifier, which has a low dependence on the error of the resistive elements.
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.6, фиг.7, фиг.8, фиг.9, фиг.10, фиг.11, фиг.12, фиг.13.These theoretical conclusions are confirmed by the graphs of FIG. 6, FIG. 7, FIG. 8, FIG. 9, FIG. 10, FIG. 11, FIG. 12, FIG. 13.
Библиографический списокBibliographic list
1. Патент US 20100259323 A1 fig.11. Patent US20100259323 A1 fig. 1
2. Патент US 20110043281 A12. Patent US 20110043281 A1
3. Патент US 20110043280 A13. Patent US 20110043280 A1
4. Патент US 20070260150 A14. Patent US 20070260150 A1
5. Патент US 20060267987 A15. Patent US 20060267987 A1
6. Патент US 20050275460 A16. Patent US 20050275460 A1
7. Патент US 20020163383 A17. Patent US 20020163383 A1
8. Патент US 20020113651 A18. Patent US20020113651 A1
9. Патент US 00008138830 B29. Patent US 00008138830 B2
10. Патент US 00007952428 B210. Patent US 00007952428 B2
11. Патент US 00007880541 B111. Patent US 00007880541 B1
12. Патент US 00007728947 B212. Patent US 00007728947 B2
13. Патент US 00007719351 B213. Patent US 00007719351 B2
14. Патент US 0000449068214. Patent US 00004490682
15. Патент US 0000420641615. Patent US 00004206416
16. Патент US 0000345355416. Patent US 00003453554
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012132337/08A RU2490783C1 (en) | 2012-07-27 | 2012-07-27 | Selective amplifier for precision analogue-to-digital interface |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012132337/08A RU2490783C1 (en) | 2012-07-27 | 2012-07-27 | Selective amplifier for precision analogue-to-digital interface |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2490783C1 true RU2490783C1 (en) | 2013-08-20 |
Family
ID=49163010
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012132337/08A RU2490783C1 (en) | 2012-07-27 | 2012-07-27 | Selective amplifier for precision analogue-to-digital interface |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2490783C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2292636C1 (en) * | 2005-07-21 | 2007-01-27 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Differential amplifier characterized in enhanced common-mode signal attenuation |
US7391260B2 (en) * | 2005-12-06 | 2008-06-24 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Variable gain amplifier and variable gain amplifier module |
US7755426B2 (en) * | 2006-08-25 | 2010-07-13 | Broadcom Corporation | Variable gain amplifier and method for achieving variable gain amplification with high bandwidth and linearity |
-
2012
- 2012-07-27 RU RU2012132337/08A patent/RU2490783C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2292636C1 (en) * | 2005-07-21 | 2007-01-27 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Differential amplifier characterized in enhanced common-mode signal attenuation |
US7391260B2 (en) * | 2005-12-06 | 2008-06-24 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Variable gain amplifier and variable gain amplifier module |
US7755426B2 (en) * | 2006-08-25 | 2010-07-13 | Broadcom Corporation | Variable gain amplifier and method for achieving variable gain amplification with high bandwidth and linearity |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8845870B2 (en) | Digital potentiostat circuit and system | |
US8264238B1 (en) | Method for calibrating a broadband voltage/current probe | |
KR101056003B1 (en) | Extended Range RMS-DC Converters | |
US8988063B2 (en) | System and method for current measurement in the presence of high common mode voltages | |
US10591429B2 (en) | Control circuit for use with a four terminal sensor, and measurement system including such a control circuit | |
RU2490783C1 (en) | Selective amplifier for precision analogue-to-digital interface | |
RU2519032C1 (en) | Instrumentation amplifier | |
CN210626547U (en) | Measuring device | |
RU2319296C1 (en) | Fast action differential amplifier | |
RU2204839C2 (en) | Electrochemical object parameter meter | |
Ma et al. | Differential difference amplifier based parametric measurement unit with digital calibration | |
Gulko et al. | Analysis of the Instrumentation Amplifiers Errors by Simulation Modeling | |
Spinelli et al. | A high input impedance single-ended input to balanced differential output amplifier | |
RU2513489C2 (en) | Multi-differential operational amplifier | |
RU2389072C1 (en) | Analog multiplier of two signals | |
RU2579868C1 (en) | Method of measuring weber-ampere characteristics of electrotechnical article and device therefor | |
Samoilov et al. | Analog Interface Microcircuitry for Electrochemical Impedance Spectroscopy Systems | |
Davis et al. | Validating an Isolator to eliminate grounding issues for high-resolution digitizer measurements | |
RU2389073C1 (en) | Analog multiplier of two signals | |
RU2686519C1 (en) | Digital ferro-probe magnetometer | |
RU2746888C1 (en) | Differential stage on complete field transistors with increased temperature stability of the static mode | |
RU2472166C1 (en) | Method to measure dynamic range of radio receiver by intermodulation and device for its implementation | |
RU2297009C1 (en) | Measuring transformer | |
RU2654905C1 (en) | Device for converting the resistance changes into voltage | |
RU2527202C1 (en) | Broadband power amplifier |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140728 |