RU2490783C1 - Selective amplifier for precision analogue-to-digital interface - Google Patents

Selective amplifier for precision analogue-to-digital interface Download PDF

Info

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
Application number
RU2012132337/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Георгиевич Крутчинский
Алексей Евгеньевич Титов
Николай Николаевич Прокопенко
Илья Борисович Пугачев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС")
Priority to RU2012132337/08A priority Critical patent/RU2490783C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2490783C1 publication Critical patent/RU2490783C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: instrumentation amplifier for a precision analogue-to-digital interface has an input precision converter of first and second sources of input voltage with first and second anti-phase outputs, an active adder, the inverting input of which is connected to the first output of the input precision converter, and the non-inverting input is connected to the second output of the input precision converter, the output of the device is connected to the output of the active adder, wherein the first and second sources of input voltage are connected to inputs of the input precision converter relative the common bus of the power supply, the active adder has first and second voltage-to-current converters and a first output current-to-voltage converter.
EFFECT: improved amplitude characteristics of output signals and obtaining maximum coefficient of attenuation of the input in-phase voltage.
3 cl, 13 dwg

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 input precision converter 1 of the first 2 and second 3 sources of input voltage with the first 4 and second 5 antiphase outputs, an active adder 6, the inverting input of which 7 is connected to the first 4 output of the input precision converter 1, and the non-inverting input 8 is connected to the second 5 output input precision Converter 1, the output of the device 9, associated with the output of the active adder 6, and the first 2 and second 3 sources of input voltages are fed to the inputs of the input precision Converter 1 rel respect to the total power supply bus 10.

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 input precision converter 1, the limiting value of the attenuation coefficient of the input common-mode signal (K sn ) will be determined by the following relation:

K c н = R 2 6 R 2 5 + R 2 6 ( 1 + R 2 4 R 2 3 ) R 2 4 R 2 3 = R 2 6 R 2 5 R 2 4 R 2 3 R 2 5 R 2 6 = u в ы х . с u в х . с , ( 1 )

Figure 00000001
K c n = R 2 6 R 2 5 + R 2 6 ( one + R 2 four R 2 3 ) - R 2 four R 2 3 = R 2 6 - R 2 5 R 2 four R 2 3 R 2 5 - R 2 6 = u at s x . from u at x . from , ( one )
Figure 00000001

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

Figure 00000002
Figure 00000002

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:

U 1 8 = U с н R 2 0 R 2 2 U д

Figure 00000003
, U 1 9 = U с н + R 2 1 R 2 2 U д , ( 3 )
Figure 00000004
U one 8 = U from n - R 2 0 R 2 2 U d
Figure 00000003
, U one 9 = U from n + R 2 one R 2 2 U d , ( 3 )
Figure 00000004

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 input precision Converter 1 of figure 1.

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 active adder 6 and, therefore, the need for expensive precision laser tuning of these resistors. This will allow not only to increase the yield of suitable products during production, but also to obtain the highest possible attenuation coefficient of the input common-mode voltage in the structure of the proposed DUT.

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 input precision converter 1 of the first 2 and second 3 input voltage sources with the first 4 and second 5 antiphase outputs, an active adder 6, the inverting input of which 7 is connected to the first 4 output of the input precision the converter 1, and the non-inverting input 8 is connected to the second 5 output of the input precision converter 1, the output of the device 9, connected to the output of the active adder 6, the first 2 and second 3 input sources yarn is fed to the inputs of the input precision converter 1 relative to the common bus of power supplies 10, new elements and connections are provided - the active adder 6 contains the first 11 voltage-current converter, the inverting input of which is connected to the output of the device 9, and the non-inverting input is connected to the common bus power supplies 10, the second 12 voltage-current converter, the inverting input of which is connected to the inverting input 7 of the active adder 6, and the non-inverting input is connected to the non-inverting input 8 ac active adder 6, the first 13 current output of the first 11 voltage-current converter is connected to the first 14 current output of the second 12 voltage-current converter and is connected to the non-inverting current input of the first 15 current-voltage converter, the second 16 current output the first 11 voltage-current converters are connected to the second 17 current output of the second 12 voltage-current converters and connected to the inverting current input of the first 15 current-voltage converters, and the signal at the first 13 the output of the first 11 voltage-current converters is out of phase with the signal at the second 16 current output of the first 11 voltage-current converters, and the signal is at the first 14 current output of the second 12 voltage-current converters is out of phase with the signal at the second 17 current output of the second 12 the voltage-current converter and is in phase with the signals at the first 13 current output of the first 11 voltage-current converters.

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 claim 1 and claim 2, and in the drawing of figure 3 - in accordance with claim 3 of the claims.

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 active adder 6.

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 input precision transducer 1 of Fig.3, which determines the realized value this ratio.

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 active adder 6, also has a low dependence on the error of the resistive elements.

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 input precision converter 1 of the first 2 and second 3 input voltage sources with the first 4 and second 5 antiphase outputs, an active adder 6, the inverting input of which 7 is connected to the first 4 output of the input precision converter 1, and the non-inverting input 8 is connected to the second 5 output of the input precision Converter 1, the output of the device 9, associated with the output of the active adder 6, and the first 2 and second 3 sources of input voltage are fed to the inputs of the input precision ion converter 1 relative to the common bus of power supplies 10. The active adder 6 contains the first 11 voltage-current converter, the inverting input of which is connected to the output of the device 9, and the non-inverting input is connected to the common bus of the power sources 10, the second 12 voltage-current converter ", The inverting input of which is connected to the inverting input 7 of the active adder 6, and the non-inverting input is connected to the non-inverting input 8 of the active adder 6, the first 13 current output of the first 11 voltage converter -current ”is connected to the first 14 current output of the second 12 voltage-current converters and connected to the non-inverting current input of the first 15 current-voltage converters, the second 16 current output of the first 11 voltage-to-current converters is connected to the second 17 current the output of the second 12 voltage-current converter and is connected to the inverting current input of the first 15 output of the current-voltage converter, and the signal at the first 13 current output of the first 11 voltage-current converter is out of phase with the signal at the second 16 current output of the first 11 voltage-current converter, and the signal at the first 14 current output of the second 12 voltage-current converter is out of phase with the signal at the second 17 current output of the second 12 voltage-current converter and in phase with the signals at the first 13 current the output of the first 11 voltage-current converter.

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 claim 2, the input precision converter 1 in a particular case contains the first 18 and second 19 operational amplifiers, the non-inverting input of the first 18 operational amplifiers is connected to the first 2 source of input voltage, the non-inverting input of the second 19 operating the amplifier is connected to the second 3 input voltage source, between the output of the first 18 operational amplifier, connected to the first 4 output of the input precision transducer 1 and the inverting input of the first 18 operational of the amplifier, the first 20 feedback resistor is turned on, between the output of the second 19 operational amplifier connected to the second 5 output of the input precision converter 1 and the inverting input of the second 19 operational amplifier, the second 21 feedback resistor is connected, and between the inverting inputs of the first 18 and second 19 operating amplifiers included a third 22 feedback resistor.

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 claim 3, the input precision transducer 1 comprises a third 28 voltage-current converter, the non-inverting input of which is connected to the first 2 input voltage source, and the fourth 29 non-inverting voltage-current converter the input of which is connected to the common bus of power supplies 10, the first 30 current output of the third 28 voltage-current converter is connected to the first 31 current output of the fourth 29 voltage-current converter and is connected to the inverting current in an ode of the second 32 current-voltage converter, the second 33 current output of the third 28 voltage-current converter is connected to the second 34 current output of the fourth 29 voltage-current converter and is connected to the non-inverting current input of the second 32 current-to-current converter voltage ”, and the signal at the first 30 current output of the third 28 voltage-current converter is out of phase with the signal at the second 33 current output of the third 28 voltage-current converter, and the signal at the first 31 current output of the fourth 29 the voltage-current converter is out of phase with the signal at the second 34 current output of the fourth 29 voltage-current converter and is in phase with the signals at the first 30 current output of the third 28 voltage-current converter, the output 35 of the second 32 of the current-voltage converter being connected with the first 4 output of the input precision converter 1, the fifth 36 voltage-current converter, the non-inverting input of which is connected to the second 3 input voltage source and connected to the inverting input of the third 28 voltage converter IE-current ", the sixth 37 voltage-current converter, the non-inverting input of which is connected to a common bus of power supplies 10, the first 38 current output of the sixth 37 voltage-current converter is connected to the first 39 current output of the fifth 36 voltage-current converter ”And is connected to the non-inverting current input of the third 40 current-voltage converter, the second 41 current output of the sixth 37 voltage-current converter is connected to the second 42 current output of the fifth 36 voltage-current converter and is connected to invert the current input of the third 35 current-voltage converter 1, and the signal at the first 38 current output of the sixth 37 voltage-current converter is out of phase with the signal at the second 41 current output of the sixth 37 voltage-current converter, and the signal at the first 39 the current output of the fifth 36 voltage-current converter is out of phase with the signal at the second 42 current output of the fifth 36 voltage-current converter and is in phase with the signals at the first 38 current output of the sixth 37 voltage-current converter, and the output is 43 third 4 0 of the output current-voltage converter is connected to the second 5 output of the input precision converter 1, the inverting input of the fifth 36 voltage-current converter is connected to the inverting input of the third 28 voltage-current converter, output 35 of the second 32 current-to-output converter voltage ”is connected to the non-inverting input of the fourth 29 voltage-current converter through the first 44 additional feedback resistor, output 43 of the third 40 of the current-voltage converter is connected to the inverting input a sixth inverter 37 house "voltage-current" through the second 45 additional feedback resistor, and between the inverting input 37 of the sixth and fourth transducers 29, "voltage-current" is included a third resistor 46 additional feedback.

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 active adder 6 and the instrumental amplifier as a whole, an amplified differential signal appears with an error introduced by the zero bias voltage of the active adder 6.

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 DUT 3.

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 active adder 6 and the instrumental amplifier as a whole, an amplified differential signal appears with an error determined by the zero bias voltage of the active adder 6.

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:

K Д = 2 ( 1 + R 4 4 R 4 6 + R 4 5 R 4 6 ) K д . 6 , K д . 6 = S 1 2 K 1 + S 1 1 K = S 1 2 S 1 1 , ( 4 )

Figure 00000005
K D = 2 ( one + R four four R four 6 + R four 5 R four 6 ) K d . 6 , K d . 6 = S one 2 K one + S one one K = S one 2 S one one , ( four )
Figure 00000005

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:

K с н = R R 4 6 ( K о c c н . 2 8 K о с с н . 3 6 ) K о с с н . 6 , ( 5 )

Figure 00000006
K from n = R R four 6 ( K about c c n . 2 8 - K about from from n . 3 6 ) K about from from n . 6 , ( 5 )
Figure 00000006

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:

U д p . И У = ( U д p . 4 3 U д p . 3 5 ) + U д p . 6 , ( 6 )

Figure 00000007
U d p . AND At = ( U d p . four 3 - U d p . 3 5 ) + U d p . 6 , ( 6 )
Figure 00000007

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:

U д p . И У = U д p . 6 = K д . 6 E с м . 1 2 , ( 7 )

Figure 00000008
U d p . AND At = U d p . 6 = K d . 6 E from m . one 2 , ( 7 )
Figure 00000008

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:

U д p . И У = Е с м . 1 2 . ( 8 )

Figure 00000009
U d p . AND At = E from m . one 2 . ( 8 )
Figure 00000009

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:

U 3 5 = K о с с н 2 8 U с н R 4 4 R 4 6 U д ,

Figure 00000010
U 3 5 = K about from from n 2 8 U from n - R four four R four 6 U d ,
Figure 00000010
U 4 3 = K о с с н 3 6 U с н R 4 5 R 4 6 U д . ( 9 )
Figure 00000011
U four 3 = K about from from n 3 6 U from n - R four 5 R four 6 U d . ( 9 )
Figure 00000011

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

U 1 8 = U с н R 2 0 R 2 2 U д ,

Figure 00000012
U one 8 = U from n - R 2 0 R 2 2 U d ,
Figure 00000012
U 1 9 = U с н + R 2 1 R 2 2 U д . ( 1 0 )
Figure 00000013
U one 9 = U from n + R 2 one R 2 2 U d . ( one 0 )
Figure 00000013

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

U д р . И У = E с м . 2 7 ( 1 + R 2 4 R 2 3 ) = 2 E с м . 2 7 , ( 1 1 )

Figure 00000014
U d R . AND At = E from m . 2 7 ( one + R 2 four R 2 3 ) = 2 E from m . 2 7 , ( one one )
Figure 00000014

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)

δ K д = 1 K д ( 2 R l 4 4 R 4 6 Θ R 2 + 2 R l 4 5 R 4 6 Θ R 3 2 R 4 4 + R 4 5 R 4 6 Θ R 1 ) , ( 1 2 )

Figure 00000015
δ K d = one K d ( 2 R l four four R four 6 Θ R 2 + 2 R l four 5 R four 6 Θ R 3 - 2 R four four + R four 5 R four 6 Θ R one ) , ( one 2 )
Figure 00000015

Δ K с н = R R 4 6 ( K о с с н . 2 8 K о с с н . 3 6 ) K о с с н . 6 ( Θ R 4 4 + Θ R 4 5 ) R R 4 6 ( K о с с н . 2 8 K о с с н . 3 6 ) K о с с н . 6 Θ R 4 6 , ( 1 3 )

Figure 00000016
Δ K from n = R R four 6 ( K about from from n . 2 8 - K about from from n . 3 6 ) K about from from n . 6 ( Θ R four four + Θ R four 5 ) - - R R four 6 ( K about from from n . 2 8 - K about from from n . 3 6 ) K about from from n . 6 Θ R four 6 , ( one 3 )
Figure 00000016

Δ U д р . И У = Δ E с м . О У З , ( 1 4 )

Figure 00000017
Δ U d R . AND At = Δ E from m . ABOUT At 3 , ( one four )
Figure 00000017

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

К с н = К о с с н . 1 2 ( 1 5 )

Figure 00000018
TO from n = TO about from from n . one 2 ( one 5 )
Figure 00000018

U д р . И У = U д р . 6 = E с м . 1 2 + U с н K о с с н . 1 2 ( 1 6 )

Figure 00000019
U d R . AND At = U d R . 6 = E from m . one 2 + U from n K about from from n . one 2 ( one 6 )
Figure 00000019

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)

1. Инструментальный усилитель для прецизионного аналого-цифрового интерфейса, содержащий 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), отличающийся тем, что 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».1. An instrument amplifier for a precision analog-to-digital interface, comprising an input precision converter (1) of the first (2) and second (3) input voltage sources with the first (4) and second (5) antiphase outputs, an active adder (6), inverting whose input (7) is connected to the first (4) output of the input precision transducer (1), and the non-inverting input (8) is connected to the second (5) output of the input precision transducer (1), the output of the device (9) associated with the output of the active adder (6), with the first (2) and second (3) input voltage sources are supplied to the inputs of the input precision transducer (1) relative to the common bus of power supplies (10), characterized in that the active adder (6) contains the first (11) voltage-current converter, the inverting input of which is connected to the output of the device (9), and the non-inverting input is connected to a common bus of power sources (10), the second (12) voltage-current converter, the inverting input of which is connected to the inverting input (7) of the active adder (6), and the non-inverting input is connected to non-invert the input input (8) of the active adder (6), the first (13) current output of the first (11) voltage-current converter is connected to the first (14) current output of the second (12) voltage-current converter and is connected to a non-inverting current the input of the first (15) current-voltage converter, the second (16) current output of the first (11) voltage-current converter is connected to the second (17) current output of the second (12) voltage-current converter and is connected to inverting current input of the first (15) output current-voltage converter moreover, the signal at the first (13) current output of the first (11) voltage-current converter is out of phase with the signal at the second (16) current output of the first (11) voltage-current converter, and the signal is at the first (14) current output of the second (12) the voltage-current converter is out of phase with the signal at the second (17) current output of the second (12) voltage-current converter and is in phase with the signals at the first (13) current output of the first (11) voltage-current converter. 2. Инструментальный усилитель для прецизионного аналого-цифрового интерфейса по п.1, отличающийся тем, что входной прецизионный преобразователь (1) 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.2. The instrumentation amplifier for the precision analog-to-digital interface according to claim 1, characterized in that the input precision converter (1) contains the first (18) and second (19) operational amplifiers, the non-inverting input of the first (18) operational amplifier is connected to the first ( 2) an input voltage source, the non-inverting input of the second (19) operational amplifier is connected to the second (3) input voltage source, between the output of the first (18) operational amplifier, connected to the first (4) output of the precision input converter (1) and the inverting input of the first (18) operational amplifier includes the first (20) feedback resistor between the output of the second (19) operational amplifier connected to the second (5) output of the input precision transducer (1) and the inverting input of the second (19) the operational amplifier includes a second (21) feedback resistor, and a third (22) feedback resistor is included between the inverting inputs of the first (18) and second (19) operational amplifiers. 3. Инструментальный усилитель для прецизионного аналого-цифрового интерфейса по п.1, отличающийся тем, что 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. 3. The instrumentation amplifier for the precision analog-to-digital interface according to claim 1, characterized in that the input precision converter (1) contains a third (28) voltage-current converter, the non-inverting input of which is connected to the first (2) input voltage source, the fourth (29) voltage-current converter, the non-inverting input of which is connected to the common bus of power sources (10), the first (30) current output of the third (28) voltage-current converter is connected to the first (31) current output of the fourth ( 29) converter “Voltage-current” and is connected to the inverting current input of the second (32) current-voltage converter, the second (33) current output of the third (28) voltage-current converter is connected to the second (34) current output of the fourth (29 ) a voltage-current converter and is connected to a non-inverting current input of the second (32) current-voltage converter, and the signal at the first (30) current output of the third (28) voltage-current converter is out of phase with the signal at the second (33 ) current output of the third (28) converter Voltage-current, and the signal at the first (31) current output of the fourth (29) voltage-current converter is out of phase with the signal at the second (34) current output of the fourth (29) voltage-current converter and is in phase with the signals at the first ( 30) the current output of the third (28) voltage-current converter, and the output (35) of the second (32) current-voltage converter is connected to the first (4) output of the input precision converter (1), the fifth (36) converter voltage-current ”, the non-inverting input of which is connected to the second (3) input source voltages and is connected to the inverting input of the third (28) voltage-current converter, the sixth (37) voltage-current converter, the non-inverting input of which is connected to the common bus of power supplies (10), the first (38) current output of the sixth (37 ) the voltage-current converter is connected to the first (39) current output of the fifth (36) voltage-current converter and is connected to the non-inverting current input of the third (40) current-voltage converter, the second (41) sixth current output (37) voltage-current converter n with the second (42) current output of the fifth (36) voltage-current converter and is connected to the inverting current input of the third (35) current-voltage converter (1), and the signal is at the first (38) current output of the sixth ( 37) the voltage-current converter is out of phase with the signal at the second (41) current output of the sixth (37) voltage-current converter, and the signal at the first (39) current output of the fifth (36) voltage-current converter is out of phase with the signal at the second (42) current output of the fifth (36) voltage-current converter and common mode the signals at the first (38) current output of the sixth (37) voltage-current converter, wherein the output (43) of the third (40) current-voltage converter is connected to the second (5) output of the input precision converter (1), the inverting input of the fifth (36) voltage-current converter is connected to the inverting input of the third (28) voltage-current converter, the output (35) of the second (32) output current-voltage converter is connected to the non-inverting input of the fourth (29) voltage-current converter through the first (44) add feedback resistor, the output (43) of the third (40) output current-voltage converter is connected to the inverting input of the sixth (37) voltage-current converter through the second (45) additional feedback resistor, and between the inverting inputs of the sixth ( 37) and the fourth (29) voltage-to-current converter, a third (46) additional feedback resistor is included.
RU2012132337/08A 2012-07-27 2012-07-27 Selective amplifier for precision analogue-to-digital interface RU2490783C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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