RU2519032C1 - Instrumentation amplifier - Google Patents
Instrumentation amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2519032C1 RU2519032C1 RU2012154311/08A RU2012154311A RU2519032C1 RU 2519032 C1 RU2519032 C1 RU 2519032C1 RU 2012154311/08 A RU2012154311/08 A RU 2012154311/08A RU 2012154311 A RU2012154311 A RU 2012154311A RU 2519032 C1 RU2519032 C1 RU 2519032C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- voltage
- input
- output
- converter
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, радиотехники, связи и может использоваться в качестве устройства для прецизионного усиления аналоговых сигналов в микросхемах различного функционального назначения (например, для измерительных и автоматических систем, медицинской технике, диагностике и т.п.).The present invention relates to the field of measurement technology, radio engineering, communications and can be used as a device for the precision amplification of analog signals in microcircuits for various functional purposes (for example, for measuring and automatic systems, medical equipment, diagnostics, etc.).
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 measured values and a 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, связанных с общей шиной питания 4, первый 5 и второй 6 выходы входного прецизионного преобразователя 1, первый 7 и второй 8 входы устройства, связанные с первым 2 и вторым 3 источниками входных напряжений, первый 9, второй 10 и третий 11 резисторы обратной связи, активный сумматор 12 с инвертирующим 13 и неинвертирующим 14 входами, выход устройства 15, связанный с выходом активного сумматора 12, причем первый 5 выход входного прецизионного преобразователя 1 связан с инвертирующим входом 13 активного сумматора 12, второй 6 выход входного прецизионного преобразователя 1 связан с неинвертирующим входом 14 активного сумматора 12.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 the
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 (Kсн) будет определяться следующим соотношением:1. The first flaw. Even when using strictly identical operational amplifiers in the structure of the
где R1÷R4 - резисторы, входящие в структуру активного сумматора (12) фиг.1.where R 1 ÷ R 4 - resistors included in the structure of the active adder (12) of figure 1.
Поэтому глубокое ослабление входного синфазного сигнала в ИУ фиг.1 возможно только при строго согласованных резисторах R1÷R4.Therefore, a deep attenuation of the input common-mode signal in the DUT of Fig. 1 is possible only with strictly agreed resistors R 1 ÷ R 4 .
Можно показать, что даже при реализации условия строгой идентичности сопротивлений резисторов (R1=R2=R3=R4=R) Kсн не лучше, чемIt can be shown that even when the conditions of strict identity of the resistances of the resistors (R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R) K sn are not better than
где ΘR - погрешность сопротивлений резисторов активного сумматора (12) (фиг.1).where Θ R is the error of the resistances of the resistors of the active adder (12) (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 R1÷R4, направленную на достижение требуемых 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 resistor resistance 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 ICs, an expensive, precision laser tuning of resistors R 1 ÷ R 4 is used , aimed at achieving the required quality 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 (А1) и второго (А2) операционных усилителей в структуре ИУ фиг.1. Это объясняется тем, что (основная часть амплитудной характеристики первого (А1) и второго (А2) операционных усилителей содержит составляющую входного синфазного напряжения2. The second drawback. The inefficiency of using the pass-through characteristics of the first (A1) and second (A2) operational amplifiers in the structure of the DUT of FIG. 1. This is because (the main part of the amplitude characteristic of the first (A1) and second (A2) operational amplifiers contains a component of the input common-mode voltage
где UA1 и UA2 - напряжения на выходе первого (А1) и второго (А2) операционных усилителей соответственно, Uсн - синфазное напряжение на входах инструментального усилителя 7 и 8, Uд - дифференциальное напряжение на входах инструментального усилителя 7 и 8, R9÷R11 - резисторы цепи обратной связи, входящие в структуру входного прецизионного преобразователя 1 фиг.1.where U A1 and U A2 are the voltage at the output of the first (A1) and second (A2) operational amplifiers, respectively, U sn is the common-mode voltage at the inputs of the
Основные задачи предлагаемого изобретения состоят в следующем. 1. Исключить прецизионные резисторы R1÷R4 из структуры активного сумматора 12 и, следовательно, необходимость 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 ИУ.The main objectives of the invention are as follows. 1. To exclude the precision resistors R 1 ÷ R 4 from the structure of the
2. Исключить синфазную составляющую в выходных сигналах первого (А1) и второго (А2) операционных усилителей, что позволит повысить эффективность использования их амплитудной характеристики.2. To exclude the common-mode component in the output signals of the first (A1) and second (A2) operational amplifiers, which will 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, связанных с общей шиной питания 4, первый 5 и второй 6 выходы входного прецизионного преобразователя 1, первый 7 и второй 8 входы устройства, связанные с первым 2 и вторым 3 источниками входных напряжений, первый 9, второй 10 и третий 11 резисторы обратной связи, активный сумматор 12 с инвертирующим 13 и неинвертирующим 14 входами, выход устройства 15, связанный с выходом активного сумматора 12, причем первый 5 выход входного прецизионного преобразователя 1 связан с инвертирующим входом 13 активного сумматора 12, второй 6 выход входного прецизионного преобразователя 1 связан с неинвертирующим входом 14 активного сумматора 12, предусмотрены новые элементы и связи - входной прецизионный преобразователь 1 включает первый 15 преобразователь «напряжение-ток», инвертирующий вход которого связан с первым 7 входом устройства, а неинвертирующий вход соединен со вторым 8 входом устройства, первый 16 токовый выход первого 15 преобразователя «напряжение-ток» соединен с первым 17 токовым выходом второго 18 преобразователя «напряжение-ток» и подключен к неинвертирующему токовому входу первого 19 выходного преобразователя «ток-напряжение» и к инвертирующему токовому входу второго 20 выходного преобразователя «ток-напряжение», второй токовый выход 21 первого 15 преобразователя «напряжение-ток» соединен со вторым 22 токовым выходом второго 18 преобразователя «напряжение-ток» и подключен к инвертирующему токовому входу первого 19 выходного преобразователя «ток-напряжение» и к неинвертирующему токовому входу второго 20 выходного преобразователя «ток-напряжение», причем сигнал на первом 16 токовом выходе первого 15 преобразователя «напряжение-ток» противофазен сигналу на втором 21 токовом выходе первого 15 преобразователя «напряжение-ток», а сигнал на первом 17 токовом выходе второго 18 преобразователя «напряжение-ток» противофазен сигналу на втором 22 токовом выходе второго 18 преобразователя «напряжение-ток» и синфазен сигналам на первом 16 токовом выходе первого 15 преобразователя «напряжение-ток», выход 23 первого 19 выходного преобразователя «ток-напряжение» соединен с первым 5 выходом входного прецизионного преобразователя 1, а также связан с инвертирующим входом второго 18 преобразователя «напряжение-ток» через второй 10 резистор обратной связи, причем инвертирующий вход второго 18 преобразователя «напряжение-ток» связан с общей шиной источников питания 4 через дополнительный резистор обратной связи 24, выход 25 второго 20 выходного преобразователя «ток-напряжение» соединен со вторым 6 выходом входного прецизионного преобразователя 1, а также связан с неинвертирующим входом второго 18 преобразователя «напряжение-ток» через первый 9 резистор обратной связи, причем неинвертирующий вход второго 18 преобразователя «напряжение-ток» связан с общей шиной источников питания 4 через третий 11 резистор обратной связи.The problem is solved in that in the instrument amplifier of figure 1, containing the
Схема инструментального усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1.The circuit of the instrumental amplifier of the prototype is shown in the drawing of figure 1.
На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, а на чертеже фиг.3 - в соответствии с п.2 формулы изобретения. На чертеже фиг.4 представлено упрощенное графическое изображение входного прецизионного преобразователя 1, соответствующее п.1 формулы изобретения. На чертеже фиг.5 представлено упрощенное графическое изображение активного сумматора 12, соответствующее п.2 формулы изобретения.The drawing of figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with
На чертеже фиг.6 представлена схема ИУ, соответствующая п.3 формулы изобретения, а на чертеже фиг.7 - соответствующая п.4 формулы изобретения.In the drawing of Fig.6 presents a diagram of the IUT corresponding to
На чертеже фиг.8 приведена схема подключений заявляемого инструментального усилителя фиг.2 в среде PSpice на моделях компонентов биполярно-полевого аналогового базового матричного кристалла АБМК_1_3, которая использовалась для исследования его основных характеристик.The drawing of Fig. 8 shows the connection diagram of the inventive instrumental amplifier of Fig. 2 in the PSpice environment on the 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.9 приведена схема заявляемого инструментального усилителя фиг.6 в среде PSpice на моделях компонентов биполярно-полевого аналогового базового матричного кристалла АБМК_1_3, которая использовалась для исследования его основных характеристик (фиг.18-26).The drawing of Fig.9 is a diagram of the inventive instrumental amplifier of Fig.6 in the PSpice environment on the models of the components of the bipolar-field analog base matrix crystal ABMK_1_3, which was used to study its main characteristics (Figs. 18-26).
На чертеже фиг.10 и фиг.11 приведены соответственно логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики дифференциального коэффициента усиления по напряжению инструментального усилителя фиг.8 при различных значениях сопротивлений резисторов обратной связи в структуре входного прецизионного преобразователя (1) фиг.2, определяющего реализуемое значение этого коэффициента.The drawing of Fig. 10 and Fig. 11 shows the logarithmic amplitude and phase frequency characteristics of the differential voltage gain of the instrument amplifier of Fig. 8 for various values of the resistance of the feedback resistors in the structure of the input precision transducer (1) of Fig. 2, which determines the realized value of this coefficient.
На фиг.12 показана частотная зависимость коэффициента передачи входного синфазного напряжения инструментального усилителя фиг.8 (фиг.2) при различных значениях дифференциального коэффициента усиления по напряжению (Kд=20 дБ, 40 дБ, 60 дБ).On Fig shows the frequency dependence of the transfer coefficient of the input common-mode voltage of the instrument amplifier of Fig.8 (Fig.2) at various values of the differential voltage gain (K d = 20 dB, 40 dB, 60 dB).
На чертеже фиг.13 приведены графики граничных напряжений на выходах (5) и (6) входного прецизионного преобразователя (1) при подаче дифференциального сигнала на входы (7) и (8) устройства фиг.8 (фиг.2), при различных значениях дифференциального коэффициента усиления по напряжению (Kд=20 дБ, 40 дБ, 60 дБ).The drawing of Fig.13 shows graphs of the boundary stresses at the outputs (5) and (6) of the input precision transducer (1) when applying a differential signal to the inputs (7) and (8) of the device of Fig. 8 (Fig.2), at various values differential voltage gain (K d = 20 dB, 40 dB, 60 dB).
На чертеже фиг.14 показаны значения напряжения дрейфа нуля на выходе (15) инструментального усилителя фиг.8 (фиг.2) при изменении температуры от -40 до +85 градусов Цельсия.The drawing of Fig. 14 shows the values of the zero drift voltage at the output (15) of the instrumentation amplifier of Fig. 8 (Fig. 2) when the temperature changes from -40 to +85 degrees Celsius.
На чертеже фиг.15 приведена гистограмма, отражающая возможные значения напряжения дрейфа нуля инструментального усилителя фиг.8 (фиг.2) в результате применения метода Monte Carlo (Гауссовское распределение, изменение отношения номиналов резисторов 0,1%), а на чертеже фиг.17 - гистограмма, отражающая возможные значения коэффициента передачи входного синфазного напряжения в аналогичных условиях.The drawing of Fig. 15 shows a histogram showing the possible values of the zero drift voltage of the instrumentation amplifier of Fig. 8 (Fig. 2) as a result of applying the Monte Carlo method (Gaussian distribution, change in the ratio of resistor values 0.1%), and in the drawing of Fig. 17 - a histogram reflecting the possible values of the transfer coefficient of the input common-mode voltage under similar conditions.
На чертеже фиг.16 приведены графики отклонения коэффициента передачи входного синфазного напряжения инструментального усилителя фиг.8 (фиг.2) с применением метода Monte Carlo (Гауссовское распределение, изменение отношения номиналов резисторов 0,1%).The drawing of Fig.16 shows graphs of the deviation of the transfer coefficient of the input common-mode voltage of the instrumental amplifier of Fig.8 (Fig.2) using the Monte Carlo method (Gaussian distribution, change in the ratio of resistor ratings 0.1%).
На чертеже фиг.18 - фиг.20 приведены соответственно логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики дифференциального коэффициента усиления по напряжению инструментального усилителя фиг.9 при различных значениях сопротивлений резисторов обратной связи в структуре входного прецизионного преобразователя 1 фиг.6, определяющего реализуемое значение этого коэффициента. На чертеже фиг.19 приведена характеристика дифференциального коэффициента усиления по напряжению инструментального усилителя фиг.9 в полосе пропускания.On the drawing of Fig. 18 - Fig. 20 shows the logarithmic amplitude and phase frequency characteristics of the differential voltage gain of the instrument amplifier of Fig. 9 for various values of the resistance of the feedback resistors in the structure of the
На фиг.21 показана частотная зависимость коэффициента передачи входного синфазного напряжения инструментального усилителя фиг.9 (фиг.6) при различных значениях дифференциального коэффициента усиления по напряжению (Kд=20 дБ, 40 дБ, 60 дБ).In Fig.21 shows the frequency dependence of the transfer coefficient of the input common-mode voltage of the instrumental amplifier of Fig.9 (Fig.6) for various values of the differential voltage gain (K d = 20 dB, 40 dB, 60 dB).
На чертеже фиг.22 приведены графики граничных напряжений на выходах (5) и (6) входного прецизионного преобразователя (1) при подаче дифференциального сигнала на входы (7) и (8) устройства фиг.9 (фиг.6) при различных значениях дифференциального коэффициента усиления по напряжению (Кд=20 дБ, 40 дБ, 60 дБ).The drawing of Fig. 22 shows graphs of the boundary stresses at the outputs (5) and (6) of the input precision transducer (1) when applying a differential signal to the inputs (7) and (8) of the device of Fig. 9 (Fig. 6) for various values of the differential voltage gain (Cd = 20 dB, 40 dB, 60 dB).
На чертеже фиг.23 показаны значения напряжения дрейфа нуля на выходе (15) инструментального усилителя фиг.9 (фиг.6) при изменении температуры от -40 до +85 градусов Цельсия.The drawing of Fig.23 shows the voltage values of the zero drift at the output (15) of the instrumental amplifier of Fig.9 (Fig.6) when the temperature changes from -40 to +85 degrees Celsius.
На чертеже фиг.24 приведена гистограмма, отражающая возможные значения напряжения дрейфа нуля инструментального усилителя фиг.9 (фиг.6) в результате применения метода Monte Carlo (Гауссовское распределение, изменение отношения номиналов резисторов 0,1%), а на чертеже фиг.26 - гистограмма, отражающая возможные значения коэффициента передачи входного синфазного напряжения в аналогичных условиях.On the drawing of Fig.24 is a histogram reflecting the possible values of the zero drift voltage of the instrumentation amplifier of Fig.9 (Fig.6) as a result of applying the Monte Carlo method (Gaussian distribution, change in the ratio of resistors 0.1%), and in the drawing of Fig.26 - a histogram reflecting the possible values of the transfer coefficient of the input common-mode voltage under similar conditions.
На чертеже фиг.25 приведены графики отклонения коэффициента передачи входного синфазного напряжения инструментального усилителя фиг.9 (фиг.6) с применением метода Monte Carlo (Гауссовское распределение, изменение отношения номиналов резисторов 0,1%).The drawing of Fig.25 shows graphs of the deviation of the transfer coefficient of the input common-mode voltage of the instrumental amplifier of Fig.9 (Fig.6) using the Monte Carlo method (Gaussian distribution, change in the ratio of resistor ratings 0.1%).
Графики фиг.16 - фиг.17 (ИУ фиг.2) и фиг.25 - фиг.26 (ИУ фиг.3) показывают, что заявляемое устройство, в отличие от ИУ фиг.1, характеризуется 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 инструментального усилителя, определяемое напряжением смещения нуля активного сумматора 12, как видно на фиг.15 (ИУ фиг.2) и фиг.24 (ИУ фиг.6), также имеет низкую зависимость от погрешности резистивных элементов.The graphs of FIG. 16 - FIG. 17 (DUT of FIG. 2) and FIG. 25 - FIG. 26 (DUT of FIG. 3) show that the inventive device, in contrast to the DUT of FIG. 1, is characterized by a high attenuation coefficient of the input common-mode signal, weakly dependent on the error of resistive elements. This will avoid expensive laser precision tuning of resistors and, therefore, increase the yield of products during production. In addition, the voltage of the zero drift of the instrumental amplifier, determined by the zero bias voltage of the
Инструментальный усилитель фиг.2 содержит входной прецизионный преобразователь 1 первого 2 и второго 3 источников входных напряжений, связанных с общей шиной питания 4, первый 5 и второй 6 выходы входного прецизионного преобразователя 1, первый 7 и второй 8 входы устройства, связанные с первым 2 и вторым 3 источниками входных напряжений, первый 9, второй 10 и третий 11 резисторы обратной связи, активный сумматор 12 с инвертирующим 13 и неинвертирующим 14 входами, выход устройства 15, связанный с выходом активного сумматора 12, причем первый 5 выход входного прецизионного преобразователя 1 связан с инвертирующим входом 13 активного сумматора 12, второй 6 выход входного прецизионного преобразователя 1 связан с неиивертирующим входом 14 активного сумматора 12. Входной прецизионный преобразователь 1 включает первый 15 преобразователь «напряжение-ток», инвертирующий вход которого связан с первым 7 входом устройства, а неинвертирующий вход соединен со вторым 8 входом устройства, первый 16 токовый выход первого 15 преобразователя «напряжение-ток» соединен с первым 17 токовым выходом второго 18 преобразователя «напряжение-ток» и подключен к неинвертирующему токовому входу первого 19 выходного преобразователя «ток-напряжение» и к инвертирующему токовому входу второго 20 выходного преобразователя «ток-напряжение», второй токовый выход 21 первого 15 преобразователя «напряжение-ток» соединен со вторым 22 токовым выходом второго 18 преобразователя «напряжение-ток» и подключен к инвертирующему токовому входу первого 19 выходного преобразователя «ток-напряжение» и к неинвертирующему токовому входу второго 20 выходного преобразователя «ток-напряжение», причем сигнал на первом 16 токовом выходе первого 15 преобразователя «напряжение-ток» противофазен сигналу на втором 21 токовом выходе первого 15 преобразователя «напряжение-ток», а сигнал на первом 17 токовом выходе второго 18 преобразователя «напряжение-ток» противофазен сигналу на втором 22 токовом выходе второго 18 преобразователя «напряжение-ток» и синфазен сигналам на первом 16 токовом выходе первого 15 преобразователя «напряжение-ток», выход 23 первого 19 выходного преобразователя «ток-напряжение» соединен с первым 5 выходом входного прецизионного преобразователя 1, а также связан с инвертирующим входом второго 18 преобразователя «напряжение-ток» через второй 10 резистор обратной связи, причем инвертирующий вход второго 18 преобразователя «напряжение-ток» связан с общей шиной источников питания 4 через дополнительный резистор обратной связи 24, выход 25 второго 20 выходного преобразователя «ток-напряжение» соединен со вторым 6 выходом входного прецизионного преобразователя 1, а также связан с неинвертирующим входом второго 18 преобразователя «напряжение-ток» через первый 9 резистор обратной связи, причем неинвертирующий вход второго 18 преобразователя «напряжение-ток» связан с общей шиной источников питания 4 через третий 11 резистор обратной связи.The instrument amplifier of Fig. 2 contains an
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, активный сумматор 12 содержит третий 26 преобразователь «напряжение-ток», инвертирующий вход которого соединен с выходом устройства 15, а неинвертирующий вход связан с общей шиной источников питания 4, четвертый 27 преобразователь «напряжение-ток», инвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом 13 активного сумматора 12, неинвертирующий вход подключен к неинвертирующему входу 14 активного сумматора 12, первый 28 токовый выход третьего 26 преобразователя «напряжение-ток» соединен с первым 29 токовым выходом четвертого 27 преобразователя «напряжение-ток» и подключен к неинвертирующему токовому входу третьего 30 выходного преобразователя «ток-напряжение», второй 31 токовый выход третьего 26 преобразователя «напряжение-ток» соединен со вторым 32 токовым выходом четвертого 27 преобразователя «напряжение-ток» и подключен к инвертирующему токовому входу третьего 30 выходного преобразователя «ток-напряжение», причем сигнал на первом 28 токовом выходе третьего 26 преобразователя «напряжение-ток» противофазен сигналу на втором 31 токовом выходе третьего 26 преобразователя «напряжение-ток», а сигнал на первом 29 токовом выходе четвертого 27 преобразователя «напряжение-ток» противофазен сигналу на втором 32 токовом выходе четвертого 27 преобразователя «напряжение-ток» и синфазен сигналу на первом 28 токовом выходе третьего 26 преобразователя «напряжение-ток».In the drawing of FIG. 3, in accordance with
На чертеже фиг.4, в соответствии с п.1 формулы изобретения, приведено упрощенное графическое изображение входного прецизионного преобразователя 1, в котором элементы 15, 18, 19, 20 условно обозначены активным элементом 33.In the drawing of figure 4, in accordance with
На чертеже фиг.5, в соответствии с п.2 формулы изобретения, приведено упрощенное графическое изображение активного сумматора 12, в котором элементы 26, 27, 30 условно обозначены активным элементом 34.In the drawing of Fig. 5, in accordance with
На чертеже фиг.6, в соответствии с п.3 формулы изобретения, первый 5 выход входного прецизионного преобразователя 1 связан с инвертирующим входом 13 активного сумматора 12 через первый 35 фильтр нижних частот, имеющий вход 37 и выход 38, а второй 6 выход входного прецизионного преобразователя 1 связан с неинвертирующим входом 14 активного сумматора 12 через второй 36 фильтр нижних частот, имеющий вход 39 и выход 40. При этом каждый из фильтров нижних частот 35, 36 содержит последовательно соединенные резисторы 41, 42, 43, усилитель 44, а также конденсаторы 45, 46, 47.In the drawing of FIG. 6, in accordance with
На чертеже фиг.7, в соответствии с п.4 формулы изобретения, первый 5 и второй 6 выходы входного прецизионного преобразователя 1 связаны с соответствующими инвертирующим 13 и неинвертирующим 14 входами активного сумматора 12 через дифференциальный по входу (противофазные входы 49, 50) и дифференциальный по выходу (противофазные выходы 51, 52) фильтр нижних частот 48.In the drawing of Fig. 7, in accordance with
Рассмотрим работу ИУ фиг.2.Consider the operation of the DUT figure 2.
Сигнал, содержащий синфазную и дифференциальную составляющие, подается на инвертирующий 7 (Вх.1) и неинвертирующий 8 (Вх.2) входы входного прецизионного преобразователя 1 и поступают на инвертирующий и неинвертирующий входы первого 15 преобразователя «напряжение-ток» соответственно. За счет реализации высокого коэффициента ослабления синфазной составляющей входного сигнала во входных дифференциальных каскадах первого 15 преобразователя «напряжение-ток» происходит подавление синфазной составляющей сигнала, выполняется усиление амплитуды дифференциальной составляющей сигнала согласно выбранным отношениям первого (9) и третьего (11), а также второго (10) и дополнительного (24) резисторов цепи обратной связи. Усиленная дифференциальная составляющая входного сигнала совместно с ослабленной по отношению ко входу синфазной составляющей сигнала, а также погрешностью, вносимой напряжением дрейфа нуля с выхода (23) первого (19) выходного преобразователя «ток-напряжение» и с выхода (25) второго (20) выходного преобразователя «ток-напряжение», поступают на выход (5) и выход (6) входного прецизионного преобразователя (1) и далее на инвертирующий
Покажем аналитически, что указанные выше свойства инструментального усилителя реализуются в заявляемой схеме фиг.2.Let us show analytically that the above properties of the instrumental amplifier are implemented in the inventive scheme of figure 2.
Действительно, используя методы анализа электронных схем можно показать, что предлагаемый инструментальный усилитель (фиг.2) характеризуется следующими параметрами:Indeed, using the methods of analysis of electronic circuits, it can be shown that the proposed instrumental amplifier (figure 2) is characterized by the following parameters:
Коэффициент усиления дифференциального сигналаDifferential signal gain
поэтому выбор отношения номиналов первого (9) R9 и третьего (11) R11 резисторов обратной связи, а также второго (10) R10 резистора обратной связи и дополнительного (24) R24 резистора обратной связи задают значение параметра Kд инструментального усилителя (фиг.2). В частности можно использовать равенства R11=R24=r и R9=R10=R, тогдаtherefore, the choice of the ratio of the values of the first (9) R 9 and third (11) R 11 feedback resistors, as well as the second (10) R 10 feedback resistor and additional (24) R 24 feedback resistor, sets the value of the parameter K d of the instrument amplifier ( figure 2). In particular, the equalities R 11 = R 24 = r and R 9 = R 10 = R can be used, then
Коэффициент передачи синфазного напряжения инструментального усилителя:The common-mode voltage transfer coefficient of the instrument amplifier:
где Kоссн1 - коэффициент ослабления синфазного напряжения, реализуемый во входных преобразователях «напряжение-ток» (15, 18) входного прецизионного преобразователя (1), Kоссн12 - коэффициент ослабления синфазного напряжения активного сумматора (12) (фиг.2).where K osn1 is the common-mode voltage attenuation coefficient realized in the input voltage-current converters (15, 18) of the input precision transducer (1), K osn12 is the common-mode attenuation coefficient of the active adder (12) (Fig. 2).
Напряжение дрейфа нуля инструментального усилителя определяется соотношением:The voltage of the zero drift of the instrumentation amplifier is determined by the ratio:
где Uдр.ИУ - напряжение дрейфа нуля инструментального усилителя, Uдр.5 и Uдр.6 - напряжения дрейфа нуля на выходе (5) и выходе (6) входного прецизионного преобразователя (1) соответственно, Uдр.12 - напряжение дрейфа нуля активного сумматора (12). С учетом выполнения входного прецизионного преобразователя (1) (фиг.2) в едином технологическом процессе в рамках одного кристалла Uдр.5=Uдр.6:where U dr.IU - voltage zero drift of the instrument amplifier, U dr.5 and U dr.6 - voltage zero drift at the output (5) and output (6) of the input precision transducer (1), respectively, U dr.12 - drift voltage zero of the active adder (12). Given the implementation of the input precision Converter (1) (figure 2) in a single technological process within the framework of a single crystal U dr. 5 = U dr. 6 :
где Kд.12 - коэффициент усиления дифференциального сигнала активного сумматора (12), Есм.12 - ЭДС смещения активного сумматора (12) (фиг.5). Так как активный сумматор (12) используется в качестве сумматора сигналов (Kд.12=1):where K d.12 - gain of the differential signal of the active adder (12), E see 12 - EMF bias of the active adder (12) ( figure 5). Since the active adder (12) is used as an adder of signals (K d.12 = 1):
Таким образом, напряжение дрейфа нуля инструментального усилителя определяется ЭДС смещения активного сумматора (12).Thus, the voltage of the zero drift of the instrumental amplifier is determined by the emf bias of the active adder (12).
Напряжения на выходах (5) и (6) входного прецизионного преобразователя (1):The voltage at the outputs (5) and (6) of the input precision transducer (1):
Таким образом, при Kоссн1<<1 повышается эффективность использования амплитудной характеристики на выходах (5) и (6) входного прецизионного преобразователя (1) (фиг.2). Действительно, в устройстве-прототипе (фиг.1):Thus, when K osn1 << 1, the efficiency of using the amplitude characteristic at the outputs (5) and (6) of the input precision transducer (1) increases (Fig. 2). Indeed, in the prototype device (figure 1):
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 прототипе (фиг.1):In addition, in the prototype (figure 1):
дрейф нуля практически в 2 раза больше дрейфа нуля заявляемого устройства.zero drift is almost 2 times greater than the zero drift of the claimed device.
Уменьшение Kсн (формула 6) за счет Kоссн1<<1 объясняется дифференциальными свойствами входных основных и дополнительных дифференциальных каскадов входных преобразователей «напряжение-ток» (15, 18) входного прецизионного преобразователя (1).The decrease in K sn (formula 6) due to K OSSN1 << 1 is explained by the differential properties of the input main and additional differential stages of the input voltage-current converters (15, 18) of the input precision converter (1).
Таким образом, влияние технологических погрешностей изготовления резисторов ΘRi распространяется только на дифференциальный коэффициент усиления (4) и практически не влияет на коэффициент передачи синфазного сигнала (6) и его дрейф нуля (9), что также видно на фиг.15 - фиг.17 (ИУ фиг.2) и на фиг.24 - фиг.26 (ИУ фиг.6).Thus, the influence of technological errors in the manufacture of resistors Θ Ri applies only to the differential gain (4) and practically does not affect the transmission coefficient of the common mode signal (6) and its zero drift (9), which is also seen in Fig. 15 - Fig. 17 (IU of Fig.2) and in Fig.24 - Fig.26 (IU of Fig.6).
Погрешность реализации дифференциального коэффициента передачи определяется влиянием статического коэффициента усиления (µ):The error in the implementation of the differential transmission coefficient is determined by the influence of the static gain (µ):
где Δµ/µ - погрешность статического коэффициента усиления, определяется погрешностью технологического процесса, ΔKд/Kд - погрешность дифференциального коэффициента усиления, µ - статический коэффициент усиления, увеличение которого, с помощью эффективных схемотехнических решений, позволяет уменьшить погрешность дифференциального коэффициента усиления.where Δμ / μ is the error of the static gain, determined by the error of the process, ΔK d / K d is the error of the differential gain, μ is the static gain, the increase of which, using effective circuitry, can reduce the error of the differential gain.
Рассмотрим работу ИУ фиг.6.Consider the operation of the
Работа инструментального усилителя фиг.6 отличается от работы инструментального усилителя фиг.2, тем, что в его структуру между выходами входного прецизионного преобразователя 1 и входами активного сумматора (12) включены фильтры нижних частот (35, 36) для каждого из каналов усиления. Такая реализация инструментального усилителя позволяет минимизировать погрешность ЭДС смещения фильтра нижних частот, вносимую в итоговый результат, за счет реализации высокого коэффициента ослабления синфазного сигнала во входных каскадах четвертого (27) преобразователя «напряжение-ток» активного сумматора (12) (фиг.5), обеспечивающего ее подавление.The operation of the instrumentation amplifier of FIG. 6 differs from the operation of the instrumentation amplifier of FIG. 2 in that low-pass filters (35, 36) for each of the amplification channels are included in its structure between the outputs of the
В зависимости от выбранных значений конденсаторов в RC-цепи фильтров нижних частот (35, 36), определяется граничная частота полосы пропускания частотных характеристик инструментального усилителя. Так каждый из фильтров нижних частот (35, 36) фиг.6, реализует передаточную функциюDepending on the selected values of the capacitors in the RC circuit of the low-pass filters (35, 36), the cutoff frequency of the passband of the frequency characteristics of the instrument amplifier is determined. So each of the low-pass filters (35, 36) of Fig.6, implements the transfer function
коэффициенты которойthe coefficients of which
где С45, С46, С47 - конденсаторы в RC-цепи фильтров нижних частот (35, 36), R41, R42, R43 - резисторы в RC-цепи фильтров нижних частот (35, 36), характеризуются низкой (≤1) элементной чувствительностью к нестабильности параметров резисторов и конденсаторов. Для реализации небольшой неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе пропускания при рациональном выборе аппроксимирующей функции добротность полюса оказывается незначительной, поэтому можно использовать дополнительные параметрические условия:where C 45 , C 46 , C 47 are the capacitors in the RC circuit of the low-pass filters (35, 36), R 41 , R 42 , R 43 are the resistors in the RC circuit of the low-pass filters (35, 36), are characterized by a low ( ≤1) elemental sensitivity to instability of parameters of resistors and capacitors. To implement a small non-uniformity of the amplitude-frequency characteristic (AFC) in the passband with a rational choice of the approximating function, the quality factor of the pole is insignificant, therefore, additional parametric conditions can be used:
ТогдаThen
что с точностью до отношений номиналов однотипных элементов соответствует структуре лестничного фильтра.which, up to the ratios of nominal values of the same type of elements, corresponds to the structure of the ladder filter.
Таким образом, предлагаемый инструментальный усилитель фиг.2 и фиг.6 выгодно отличается от прототипа и аналогов тем, что характеризуется более низким энергопотреблением и более низкой себестоимостью за счет уменьшения количества используемых компонентов и требований к их точности, более высоким (максимально достижимым) коэффициентом ослабления синфазного сигнала, слабозависящим от погрешности резистивных элементов в схеме, что позволяет избежать дорогостоящей прецизионной лазерной настройки этих резисторов.Thus, the proposed instrumental amplifier of Fig.2 and Fig.6 compares favorably with the prototype and analogues in that it is characterized by lower power consumption and lower cost due to a decrease in the number of components used and their accuracy requirements, a higher (maximum achievable) attenuation coefficient in-phase signal, weakly dependent on the error of the resistive elements in the circuit, which avoids the costly precision laser tuning of these resistors.
Так же предлагаемый инструментальный усилитель характеризуется более эффективным использованием амплитудной характеристики на выходах (5) и (6) входного прецизионного преобразователя (1) и низким напряжением дрейфа нуля инструментального усилителя, имеющим низкую зависимость от погрешности неидентичных резистивных элементов в схеме, за счет реализации высокого коэффициента ослабления синфазной составляющей входного сигнала во входных каскадах входных преобразователей «напряжение-ток» (15, 18) входного прецизионного преобразователя (1) (фиг.2, фиг.6).Also, the proposed instrument amplifier is characterized by a more efficient use of the amplitude characteristic at the outputs (5) and (6) of the input precision transducer (1) and a low zero-drift voltage of the instrument amplifier, which has a low dependence on the error of non-identical resistive elements in the circuit due to the implementation of a high coefficient attenuation of the in-phase component of the input signal in the input stages of the input voltage-current converters (15, 18) of the input precision transducer (1) (Fig.2, Fig.6).
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.10 - фиг.26These theoretical conclusions confirm the graphs of figure 10 - figure 26
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 20020163 383 A17. Patent US 20020163 383 A1
8. Патент US 20020113 651 A18. Patent US 20020113 651 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 (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012154311/08A RU2519032C1 (en) | 2012-12-14 | 2012-12-14 | Instrumentation amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012154311/08A RU2519032C1 (en) | 2012-12-14 | 2012-12-14 | Instrumentation amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2519032C1 true RU2519032C1 (en) | 2014-06-10 |
Family
ID=51216569
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012154311/08A RU2519032C1 (en) | 2012-12-14 | 2012-12-14 | Instrumentation amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2519032C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2589323C1 (en) * | 2015-07-28 | 2016-07-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Bipolar-field operational amplifier |
RU2616570C1 (en) * | 2016-02-09 | 2017-04-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Instrumental amplifier with increased weakening of input cophased signal |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4835488A (en) * | 1988-01-13 | 1989-05-30 | Tektronix, Inc. | Wideband linearized emitter feedback amplifier |
RU2257001C2 (en) * | 2003-06-09 | 2005-07-20 | Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса (ЮРГУЭС) | Broadband amplifier |
RU2321158C1 (en) * | 2006-10-09 | 2008-03-27 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Cascode differential amplifier |
US20100259323A1 (en) * | 2009-04-03 | 2010-10-14 | Qualcomm Incorporated | Variable gain instrumentation amplifier |
-
2012
- 2012-12-14 RU RU2012154311/08A patent/RU2519032C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4835488A (en) * | 1988-01-13 | 1989-05-30 | Tektronix, Inc. | Wideband linearized emitter feedback amplifier |
RU2257001C2 (en) * | 2003-06-09 | 2005-07-20 | Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса (ЮРГУЭС) | Broadband amplifier |
RU2321158C1 (en) * | 2006-10-09 | 2008-03-27 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Cascode differential amplifier |
US20100259323A1 (en) * | 2009-04-03 | 2010-10-14 | Qualcomm Incorporated | Variable gain instrumentation amplifier |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2589323C1 (en) * | 2015-07-28 | 2016-07-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Bipolar-field operational amplifier |
RU2616570C1 (en) * | 2016-02-09 | 2017-04-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Instrumental amplifier with increased weakening of input cophased signal |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9338533B2 (en) | Drivers and methods of driving transducers | |
US8797025B2 (en) | Compensation methods for digital source-measure-units (SMUs) | |
EP3309564B1 (en) | Circuits for on-situ differential impedance balance error measurement and correction | |
KR101056003B1 (en) | Extended Range RMS-DC Converters | |
JP6053225B2 (en) | Time domain measurement method with calibration in frequency domain | |
US10551469B2 (en) | Calibration of inverting amplifier based impedance analyzers | |
TWI603097B (en) | Active shunt ammeter apparatus and method | |
RU2519032C1 (en) | Instrumentation amplifier | |
US20170303814A1 (en) | Wearable device for skin conductance measurement | |
Kook et al. | Low-resolution DAC-driven linearity testing of higher resolution ADCs using polynomial fitting measurements | |
CN105471431A (en) | Method for testing differential linearity error and integral linearity error of analog to digital converter | |
RU2541723C1 (en) | Precision analogue-digital interface for working with resistive micro- and nanospheres | |
US20090171602A1 (en) | Device for accurately measuring amplifier's open-loop gain with digital stimuli | |
RU2490783C1 (en) | Selective amplifier for precision analogue-to-digital interface | |
WO2006083325A1 (en) | Direct current offset cancellation and phase equalization for power metering devices | |
Kook et al. | Dynamic specification testing and diagnosis of high-precision sigma-delta ADCs | |
RU2556301C2 (en) | Meter of parameters of multi-element rlc-dipoles | |
RU2536097C1 (en) | Vibration meter | |
US11592858B1 (en) | Fast LCR meter with sub-balancing | |
RU2579868C1 (en) | Method of measuring weber-ampere characteristics of electrotechnical article and device therefor | |
CN113702711A (en) | Resistance test circuit and resistance test method | |
Ma et al. | Differential difference amplifier based parametric measurement unit with digital calibration | |
Widanage et al. | Estimating the frequency response of a system in the presence of an integrator | |
RU2499269C1 (en) | Metre of parameters of dipole rlc circuits | |
CN107144711A (en) | A kind of signal generator and handheld digital pulse and electric current tester |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141215 |