RU2703671C1 - Усилитель бесконтактного электрометра и цепь обратной связи - Google Patents
Усилитель бесконтактного электрометра и цепь обратной связи Download PDFInfo
- Publication number
- RU2703671C1 RU2703671C1 RU2018147058A RU2018147058A RU2703671C1 RU 2703671 C1 RU2703671 C1 RU 2703671C1 RU 2018147058 A RU2018147058 A RU 2018147058A RU 2018147058 A RU2018147058 A RU 2018147058A RU 2703671 C1 RU2703671 C1 RU 2703671C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amplifier
- input
- junctions
- output
- series
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/45—Differential amplifiers
- H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
- H03F3/45475—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using IC blocks as the active amplifying circuit
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
- H03F1/26—Modifications of amplifiers to reduce influence of noise generated by amplifying elements
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/181—Low frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers
- H03F3/183—Low frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/185—Low frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only with field-effect devices
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/181—Low frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers
- H03F3/183—Low frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/187—Low frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only in integrated circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
- H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
- H03F2203/45174—Indexing scheme relating to differential amplifiers the application of the differential amplifier being in an integrator circuit
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
Abstract
Изобретение относится к усилителям бесконтактного электрометра. Технический результат заключается в снижении уровня шума усилителя. Усилитель бесконтактного электрометра выполнен с обратной связью, включает инвертирующий интегратор, подключенный к выходу усилителя, два последовательно соединенные р-n перехода, подключенные своей общей точкой к входу усилителя и цепь смещения двух последовательно соединенных р-n переходов в обратном направлении, при этом средняя точка цепи смещения подключена к выходу инвертирующего интегратора. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к области измерения электрических величин, а более точно, к бесконтактной регистрации и измерению изменений электрического потенциала на поверхности объекта, например, в электроэнцефалографии.
Предшествующий уровень техники
Известно, что при использовании усилителей постоянного тока с разделительной емкостью, образуемой при использовании бесконтактного электрометра, необходимо обеспечить подачу напряжения нулевого смещения на вход усилителя, используя обратную связь по постоянному току. Но цепь обратной связи, состоящая из резисторов, не подходит для усиления слабых сигналов из-за неприемлемо большого теплового шума резисторов.
Известны, раскрытые в патенте США US 9559647 от 31.01.2017, усилитель, выполненный с обратной связью, включающей инвертирующий интегратор, подключенный к выходу усилителя, и два последовательно соединенные р-n перехода, подключенные своей общей точкой к входу усилителя, и, соответственно, цепь обратной связи усилителя, включающая интегратор, подключаемый к выходу усилителя, и два последовательно соединенные р-n перехода (диода), подключаемые общей точкой к входу усилителя. Эти известные усилитель и цепь обратной связи являются прототипами заявленных технических решений.
Усилитель, раскрытый в патенте США US 9559647 от 31.01.2017, предназначен для усиления сигнала емкостного датчика во многом сходного при функционировании с датчиком разности потенциалов (электрометром). В этих известных технических решениях использованы два диода, включенные встречно-параллельно, а для стабилизации постоянной составляющей предусмотрена подача напряжения смещения нуля с использованием интегратора, выполненного из транскондуктансного усилителя (transconductance amplifier) и конденсатора. Снижение уровня шума достигается за счет высокого динамического сопротивления р-n перехода без смещения (с нулевым смещением).
Вместе с тем, известный усилитель предназначен для усиления сигнала микрофона, и не предназначен для усиления сравнительно более слабых сигналов (единицы микровольт) электрической активности мозга в диапазоне частот от долей Гц до единиц Гц. В этом случае, достигаемое в известном усилителе и при использовании известной цепи обратной связи снижение шума недостаточно.
Раскрытие изобретения
Технический результат, достигаемый в заявленном усилителя бесконтактного электрометра и при использовании заявленной цепи обратной связи усилителя бесконтактного электрометра, заключается в снижении уровня шума усилителя.
Указанный технический результат достигается в усилителе бесконтактного электрометра, выполненном с обратной связью, включающей инвертирующий интегратор, подключенный к выходу усилителя, два последовательно соединенные р-n перехода, подключенные своей общей точкой к входу усилителя, и цепь смещения двух последовательно соединенных р-n переходов в обратном направлении, при этом средняя точка цепи смещения подключена к выходу инвертирующего интегратора.
Инвертирующий интегратор в цепи обратной связи может быть соединен со средней точкой цепи смещения через аналоговый сумматор, второй вход которого подключен к выходу усилителя. Второй вход аналогового сумматора может быть подключен к выходу усилителя через фильтр высоких частот.
Указанный технический результат достигается при использовании цепи обратной связи усилителя бесконтактного электрометра, включающей инвертирующий интегратор с входом, подключаемым к выходу усилителя, и подключаемые к входу усилителя своей общей точкой два последовательно соединенные р-n перехода (например, диода или транзистора), смещенные оба в обратном направлении, а выход инвертирующего интегратора подключен к средней точке цепи смещения р-n переходов в обратном направлении.
Уменьшение уровня шума достигается увеличением динамического сопротивления р-n переходов путем смещения обоих последовательно соединенных р-n переходов в обратном направлении, т.е. использования рабочего участка на обратной ветви вольт-амперных характеристик р-n переходов.
Поскольку из-за неизбежного различия параметров р-n переходов возникает смещение нуля на выходе усилителя, в цепи обратной связи используется интегратор, подающий напряжения (нулевого смещения) смещения нуля с выхода усилителя и обеспечивающего восстановление нуля достаточно медленно, чтобы не оказывать существенное влияние на амплитудно-частотную характеристику усилителя в рабочем диапазоне частот.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан первый вариант блок схемы электрометра, измеряющего биопотенциал.
На фиг. 2 показан второй вариант блок схемы электрометра, измеряющего биопотенциал.
На фиг. 3 показан третий вариант блок схемы электрометра, измеряющего биопотенциал.
На фиг. 4 показан вариант принципиальной схемы усилителя.
Осуществление изобретения
При регистрации изменений поверхностных биопотенциалов бесконтактным электрометром, образуемая разделительная емкость (между электродом электрометра и поверхностью кожи) не может быть менее десятков пикофарад, а исследуемый диапазон частот начинается с долей герца. Поэтому постоянная времени фильтра, образованного разделительной емкостью и входным сопротивлением усилителя должна быть порядка одной секунды, что требует использования усилителя с входным сопротивлением десятки Гигаом. Предполагается, что «земля» электрометра соединена с объектом (телом), т.е. предполагается наличие общей точки и, таким образом, выравнивание в первом приближении постоянной составляющей потенциалов электрода электрометра и поверхности кожи объекта. Тем не менее, существенное, т.е. препятствующее измерениям постоянное напряжение может быть на разделительной емкости, в частности, из-за возникновения тока утечки.
Задача состоит в том, чтобы допустить только незначительное постоянное напряжение на образуемой разделительной емкости, так как иначе изменения этой емкости в результате вибрации или иных внешних воздействий будут приводить к изменению образовавшегося постоянного напряжения на разделительной емкости, вызывая так называемый микрофонный эффект. При измерении биопотенциалов величина полезного сигнала составляет единицы микровольт, а емкость может изменяться на единицы процентов. Таким образом, точные измерения изменения биопотенциала предполагают, что постоянное напряжение на разделительной емкости не должно превышать десятков или даже единиц микровольт.
На фиг. 1 показана блок-схема усилителя с обратной связью для электрометра, включающего неинвертирующий усилитель 1 постоянного тока, подключенный к разделительной емкости 2, образованной электродом при использовании электрометра, два последовательно соединенные р-n перехода 3 и 4, инверирующий интегратор 5 и две цепи смещения уровня напряжения 6 и 7. Вход интегратора 5 подключен к выходу усилителя 1, а его выход через цепи смещения уровня напряжения 6 и 7 соединены с двумя последовательно соединенными р-n переходами 3 и 4, чтобы обеспечить обратное смещение на этих р-n переходах, причем общая точка р-n переходов 3 и 4 соединена со входом усилителя 1.
Постоянная составляющая напряжения на входе усилителя определяется балансом обратных токов р-n переходов и током входа усилителя. В случае наличия постоянной составляющей на выходе усилителя, обусловленной токами утечки или зарядом конденсатора 2, возникшим в результате воздействия импульсной помехи, напряжение на выходе интегратора медленно, по сравнению с частотами рабочего диапазона, изменяется до тех пор, пока обратные токи р-n переходов не будут уравновешивать друг друга и входной ток усилителя при нулевом напряжении на входе усилителя.
Интегратор, как это показано на фиг. 2, соединен со средней точкой цепи смещения через аналоговый сумматор 8, второй вход которого подключен к выходу усилителя через фильтр 9, пропускающий высокие частоты. Параметры сумматора и фильтра должны быть выбраны таким образом, чтобы в рабочем диапазоне частот напряжение на цепях смещения уровня напряжения 6, 7 и соединенных с ними концах р-n переходов 3 и 4 повторяло напряжение на входе усилителя 1. Такое решение обеспечивает постоянное смещение на р-n переходах в большом диапазоне входных сигналов, что уменьшает нелинейные искажения. Кроме того, так как изменение напряжения на р-n переходах 3 и 4 в процессе усиления входного сигнала оказывается существенно меньше величины этого сигнала, такое решение позволяет нейтрализовать влияние емкости р-n перехода, тем самым уменьшить входную емкость усилителя в рабочем диапазоне частот и сделать коэффициент передачи усилителя более предсказуемым. Постоянные времени интегратора, фильтра и цепи, образованной входной емкостью 2 и динамическим сопротивлением переходов 3 и 4 согласованы чтобы обеспечить устойчивость усилителя, охваченного цепью обратной связи.
Предложенное решение может быть дополнено цепями защиты усилителя от перегрузки по входу или электростатического разряда, как это показано на фиг. 3. Здесь в схему добавлены диоды 10 и 11, соединенные с основным или вспомогательным источником питания. В случае перегрузки ток входа уходит через один из этих диодов на источник питания. Преимущество такого решения по сравнению с отдельными цепями защиты, обычно встраиваемых в усилитель 1, в том, что при реализации этого решения на одной микросхеме с усилителем 1 можно исключить диоды защиты этой микросхемы и уменьшить входную емкость усилителя.
На фиг. 4 приведен вариант реализации усилителя. В нем инвертирующий интегратор образован операционным усилителем DA2, резистором R3 и конденсатором С1, а смещение уровня, суммирование и фильтрация сигналов, осуществляемые блоками 6,7, 8, 9 в блок-схеме, представленной на фиг. 2, производятся цепями R1, R4, С2 и R2, R5, С3.
Claims (4)
1. Усилитель бесконтактного электрометра, выполненный с обратной связью, включающей инвертирующий интегратор, подключенный к выходу усилителя, и два последовательно соединенные р-n перехода, подключенные своей общей точкой к входу усилителя, отличающийся тем, что включает цепь смещения двух последовательно соединенных р-n переходов в обратном направлении, а средняя точка цепи смещения подключена к выходу инвертирующего интегратора.
2. Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что инвертирующий интегратор соединен со средней точкой цепи смещения через аналоговый сумматор, второй вход которого подключен к выходу усилителя.
3. Усилитель по п. 2, отличающийся тем, что второй вход аналогового сумматора подключен к выходу усилителя через фильтр высоких частот.
4. Цепь обратной связи усилителя бесконтактного электрометра, включающая инвертирующий интегратор с входом, подключаемым к выходу усилителя, и два последовательно соединенные р-n перехода, подключаемые своей общей точкой к входу усилителя, отличающаяся тем, что оба р-n перехода смещены в обратном направлении, а выход инвертирующего интегратора подключен к средней точке цепи смещения р-n переходов.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018147058A RU2703671C1 (ru) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Усилитель бесконтактного электрометра и цепь обратной связи |
| PCT/RU2019/000838 WO2020139136A1 (ru) | 2018-12-27 | 2019-11-21 | Усилитель бесконтактного электрометра и цепь обратной связи |
| US17/417,245 US20220077832A1 (en) | 2018-12-27 | 2019-11-21 | Amplifier for a contactless electrometer and feedback circuit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018147058A RU2703671C1 (ru) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Усилитель бесконтактного электрометра и цепь обратной связи |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2703671C1 true RU2703671C1 (ru) | 2019-10-21 |
Family
ID=68318162
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018147058A RU2703671C1 (ru) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Усилитель бесконтактного электрометра и цепь обратной связи |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20220077832A1 (ru) |
| RU (1) | RU2703671C1 (ru) |
| WO (1) | WO2020139136A1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070018318A1 (en) * | 2005-07-20 | 2007-01-25 | Marsh Douglas G | Means of integrating a microphone in a standard integrated circuit process |
| US20130266156A1 (en) * | 2012-04-04 | 2013-10-10 | Austriamicrosystems Ag | Sensor amplifier arrangement and method for amplification of a sensor signal |
| US9559647B2 (en) * | 2012-05-21 | 2017-01-31 | Epcos Ag | Amplifier circuit |
| RU2622844C1 (ru) * | 2016-02-18 | 2017-06-20 | Дмитрий Семенович Стребков | Резонансный параметрический генератор и способ возбуждения электрических колебаний в резонансном параметрическом генераторе |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3870968A (en) * | 1971-01-15 | 1975-03-11 | Monroe Electronics Inc | Electrometer voltage follower having MOSFET input stage |
| US3851247A (en) * | 1972-07-06 | 1974-11-26 | R Vosteen | Electrometer arrangement with amplitude stabilized oscillator drive means for detector element |
| US4498035A (en) * | 1980-12-23 | 1985-02-05 | Pavlo Bobrek | Control circuit for linearly controlling the speed and direction of an AC powered DC motor in accordance with the magnitude and polarity of a DC reference signal |
| US8278909B2 (en) * | 2009-07-16 | 2012-10-02 | Mks Instruments, Inc. | Wide-dynamic range electrometer with a fast response |
| SE534502C2 (sv) * | 2009-09-14 | 2011-09-13 | Abletec As | Effektförstärkare |
| US11232937B2 (en) * | 2017-03-16 | 2022-01-25 | Isotopx Ltd | Amplifier |
-
2018
- 2018-12-27 RU RU2018147058A patent/RU2703671C1/ru active
-
2019
- 2019-11-21 WO PCT/RU2019/000838 patent/WO2020139136A1/ru active Application Filing
- 2019-11-21 US US17/417,245 patent/US20220077832A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070018318A1 (en) * | 2005-07-20 | 2007-01-25 | Marsh Douglas G | Means of integrating a microphone in a standard integrated circuit process |
| US20130266156A1 (en) * | 2012-04-04 | 2013-10-10 | Austriamicrosystems Ag | Sensor amplifier arrangement and method for amplification of a sensor signal |
| US9559647B2 (en) * | 2012-05-21 | 2017-01-31 | Epcos Ag | Amplifier circuit |
| RU2622844C1 (ru) * | 2016-02-18 | 2017-06-20 | Дмитрий Семенович Стребков | Резонансный параметрический генератор и способ возбуждения электрических колебаний в резонансном параметрическом генераторе |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20220077832A1 (en) | 2022-03-10 |
| WO2020139136A1 (ru) | 2020-07-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10823774B2 (en) | Sensor arrangement with a capacitive sensor and method for generating an amplified sensor signal with a capacitive sensor | |
| JP6744695B2 (ja) | アクティブ・シャント電流計 | |
| Goswami et al. | DC suppressed high gain active CMOS instrumentation amplifier for biomedical application | |
| RU2703671C1 (ru) | Усилитель бесконтактного электрометра и цепь обратной связи | |
| US8395432B2 (en) | Contactless electrical potential sensor circuit | |
| US20050107674A1 (en) | DC offset cancellation techniques | |
| Maghami et al. | Fully-integrated, large-time-constant, low-pass, Gm-C filter based on current conveyors | |
| Huang et al. | Design of a low electrode offset and high CMRR instrumentation amplifier for ECG acquisition systems | |
| US20170097377A1 (en) | Impedance measuring circuit | |
| Sundarasaradula et al. | A 0.7-V, 2.86-µW low-noise logarithmic amplifier for neural recording system | |
| Webster | Amplifiers and signal processing | |
| US10044325B2 (en) | Small signal amplifier | |
| JPH09191227A (ja) | 電圧平滑化回路装置 | |
| Sinha et al. | A 22nm±0.95 V CMOS OTA-C front-end with 50/60 Hz notch for biomedical signal acquisition | |
| KR101001863B1 (ko) | 비접촉식 센서 회로 | |
| Aqueel et al. | Subthreshold CMOS low-transconductance OTA for powerline interference elimination notch | |
| Gupta et al. | High CMRR wide bandwidth instrumentation amplifier based on VDBA | |
| US3624533A (en) | Differential preamplifier | |
| JPH02152311A (ja) | Ａｇｃ回路 | |
| Sirtoli et al. | Motion artifact mitigation using negative feedback in capacitively-coupled ECG | |
| Chen et al. | A low-power current-mode front-end acquisition system for biopotential signal recording | |
| Horestani et al. | Ultra-High-Resistance Pseudo-Resistors with Small Variations in a Wide Symmetrical Input Voltage Swing | |
| Suhashini et al. | A Low-Noise AC coupled Instrumentation Amplifier for Recording Bio Signals | |
| Wong et al. | Zero-drift amplifiers: Now easy to use in high precision circuits | |
| Lasanen et al. | A 1-V CMOS preprocessing chip for ECG measurements |