CS235114B1

CS235114B1 - Operational amplifier's temperature compensation connection

Info

Publication number: CS235114B1
Application number: CS635581A
Authority: CS
Inventors: Jan Bydzovsky
Original assignee: Jan Bydzovsky
Priority date: 1981-08-26
Filing date: 1981-08-26
Publication date: 1985-05-15

Description

Vynález se týká zapojení pro teplotní kompenzaci operačního zesilovače.The invention relates to a circuit for temperature compensation of an operational amplifier.

U operačních zesilovačů, ať Integrovaných monolitických nebo z diskrétních součástí, se následkem nedokonalosti výroby, respektive následkem nestejných parametrů součástí projevuje tzv. teplotní drift. Ten je příčinou změny výstupního napětí operačního zesilovače při změně okolní teploty za předpokladu konstantního napětí mezi invertujícím a neinvertujícím vstupem operačního zesilovače. Teplotní drift nastává především v důsledku teplotní změny vstupního odporu operačního zesilovače a teplotních změn parametrů součástí vstupních obvodů, čímž se mění napětí a proudy mezi invertující a neinvertujícím vstupem operačního zesilovače. Na velikost teplotního driftu má především vliv zapojení vstupního obvodu, který je většinou realizován jako diferenciální zapojení.For operational amplifiers, whether integrated monolithic or discrete components, the so-called temperature drift is manifested as a result of manufacturing imperfections or different component parameters. This causes the operational amplifier output voltage to change when the ambient temperature changes, assuming a constant voltage between the inverting and noninverting input of the operational amplifier. The temperature drift occurs mainly due to the temperature change of the input resistance of the operational amplifier and the temperature changes of the components of the input circuits, thereby changing the voltages and currents between the inverting and non-inverting input of the operational amplifier. The magnitude of the temperature drift is mainly influenced by the connection of the input circuit, which is usually realized as a differential connection.

Je známa řada zapojení řešících teplotní kompenzaci operačního zesilovače. Například mezi invertující vstup a napájecí zdroj nebo mezi invertující vstup a nulovou sběrnici je zapojen teplotně závislý odpor. Jiné řešení používá teplotně závislého napájecího zdroje proudu, z něhož je napájen invertující vstup. Jiná řešení používají teplotně závislých odporů ve zpětné vazbě nebo na výstupu operačního zesilovače.A number of circuits are known to solve the temperature compensation of the operational amplifier. For example, a temperature-dependent resistor is connected between the inverting input and the power supply, or between the inverting input and the zero bus. Another solution uses a temperature-dependent power supply from which the inverting input is fed. Other solutions use temperature-dependent resistors in the feedback or output of the operational amplifier.

Nevýhodou těchto zapojení je, že kompenzace je řešena pouze pro malý rozsah teplot. Kromě toho musí být známo, jaký drift u operačního zesilovače nastává, tj. bude-li změna napětí na výstupu v závislosti na teplotě kladná nebo záporná.The disadvantage of these circuits is that the compensation is solved only for a small temperature range. In addition, it has to be known what drift occurs with the operational amplifier, ie if the voltage variation at the output is positive or negative as a function of temperature.

U stejného typu zesilovače může být drift kladný nebo záporný, v závislosti na provedení vstupního obvodu. Proto je nejprve nutno provádět výběr operačních zesilovačů a teprve potom řešit teplotní kompenzaci výběrem teplotně závislého prvku s kladným nebo záporným součinitelem podle charakteru driftu. Velké obtíže vznikají zejména při náhradě poškozených operačních zesilovačů, které vykazovaly drift, jehož charakter není znám.For the same type of amplifier, the drift can be positive or negative, depending on the design of the input circuit. Therefore, it is necessary to first select the operational amplifiers and only then to solve the temperature compensation by selecting a temperature-dependent element with a positive or negative coefficient according to the nature of the drift. Great difficulties arise especially when replacing damaged operational amplifiers that showed a drift of unknown character.

Shora uvedené nevýhody odstraňuje zapojení podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že je opatřeno kompenzačním můstkem, v jehož jedné úhlopříčce je zapojen napájecí zdroj, v jedné větvi nastavitelný dělič napětí, v druhé větvi jeden či více tranzistorů v sérii v zapojení se společným emitorem v každém ramenu opačného typu vodivosti, přičemž mezi střední vývod nastavitelného děliče napětí a uzel spojující tranzistory opačného typu vodivosti je v druhé úhlopříčce zapojen výstup operačního zesilovače.The above-mentioned disadvantages are eliminated by the circuit according to the invention, which consists in that it is provided with a compensation bridge in which one diagonal is connected to a power supply, adjustable voltage divider in one branch, one or more transistors in series in series with common emitter in each arm of the opposite conductivity type, the output of the operational amplifier is connected in a second diagonal between the middle terminal of the adjustable voltage divider and the node connecting the transistors of the opposite conductivity type.

Výhodou zapojení je široký rozsah teplot od —10 °C do +80 °C. Zapojení lze použít pro operační zesilovače s libovolným charakterem tepelného driftu (kladná nebo záporná změna výstupního napětí). Při velkých zesíleních (větších než 100) se na velikosti kompenzačního napětí, na výstupu operačního zesilovače neuplatňuje zařazený odpor.The advantage of wiring is a wide temperature range from –10 ° C to +80 ° C. The connection can be used for operational amplifiers with any character of thermal drift (positive or negative output voltage change). At large gains (greater than 100), the connected resistor does not apply to the magnitude of the compensating voltage, the output of the operational amplifier.

Při řešení zapojení podle vynálezu se vycházelo z fyzikální podstaty jevu. Na základě měření se dosáhlo, že teplotní drift operačního zesilovače se řídí stejnou funkční závislostí, jako je teplotní závislost napětí na tranzistoru. Tento drift může být kladný nebo záporný, v závislosti na provedení vstupního obvodu.The invention was based on the physical nature of the phenomenon. On the basis of the measurements, the temperature drift of the operational amplifier is controlled by the same functional dependence as the temperature dependence of the voltage on the transistor. This drift can be positive or negative, depending on the design of the input circuit.

Na připojených výkresech je na obr. 1 uveden příklad zapojení a na obr. 2 graf závislosti výstupního napětí u kompenzačního členu na teplotě. Na obr. 1 je znázorněno známé zapojení operačního zesilovače A s prvním odporem Rl na invertujícím vstupu a pátým, šestým a zpětnovazebním odporem R5, R6 a Rz na výstupu, určujícími zesílení a zpětnou vazbu. Jde tedy o zapojení se zpětnou vazbou pomocí T článku.In the accompanying drawings, FIG. 1 shows an example of wiring and FIG. 2 shows a graph of the output voltage of a compensating member as a function of temperature. FIG. 1 shows a known connection of an operational amplifier A with a first resistor R1 at the inverting input and a fifth, sixth and feedback resistor R5, R6 and Rz at the output, determining the gain and feedback. It is therefore a feedback circuit using a T cell.

K výstupu operačního zesilovače A je podle vynálezu připojen kompenzační můstek, v jehož jedné větvi jsou zapojeny tranzistory, a to tak, že v ramenu spojeném s kladným pólem napájecího zdroje + Ub je zapojen jeden nebo více PNP tranzistorů TIK až TNK v sérii, typu PNP, v zapojení se společným emitorem a v druhém ramenu, spojeném se záporným pólem napájecího zdroje —Ub je zapojen jeden nebo více NPN tranzistorů TIP až TNP v sérii, typu NPN, rovněž v zapojení se společným emitorem. V druhé větvi je zapojen nastavitelný dělič napětí RS tak, že krajní konce jsou připojeny na uzly úhlopříčky, v níž je napájecí zdroj +Ub, —Ub. Na střed nastavitelného děliče napětí RS, tvořeného běžcem potenciometru a uzlový bod spojující tranzistory opačného typu vodivosti první PNP tranzistor TIK a první NPN tranzistor TIP je v druhé úhlopříčce můstku zapojen výstup operačního zesilovače A, popřípadě jeho vstup, jak je naznačeno na výkrese čárkovaně.According to the invention, a compensating bridge is connected to the output of the operational amplifier A, in which one transistor is connected in one branch, so that one or more PNP transistors TIK to TNK in series, PNP type, are connected in the arm connected to the + pole , in a common emitter connection and in a second arm connected to the negative pole of the power supply unit - ub, one or more NPNs of the TIP to TNP transistors in series, NPN type, are also connected, also in a common emitter connection. In the second branch, the adjustable voltage divider RS is connected so that the extreme ends are connected to the nodes of the diagonal in which the power supply is + Ub, —Ub. At the center of the adjustable voltage divider RS formed by the potentiometer slider and the node connecting the transistors of the opposite conductivity type of the first PNP transistor TIK and the first NPN transistor TIP, the output of the operational amplifier A or its input is indicated.

Následkem teplotního driftu dochází ke změně stejnosměrného napětí na výstupu operačního zesilovače A. K vykompenzování tohoto posunu napětí je na výstup operačního zesilovače A přivedeno přes dělič napětí RS napětí kladné nebo záporné podle nastavení běžce. Důležité je, že absolutní hodnota tohoto napětí se mění v závislosti na teplotě okolí. Proto stačí zjistit charakter driftu a podle toho nastavit dělič napětí RS. Při provozu je na tranzistorech kompenzačního můstku stejnosměrné napětí, jehož hodnota musí být kompenzována pomocí nastavovacího obvodu NO, který je součástí každého operačního zesilovače.As a result of the temperature drift, the DC voltage at the output of the operational amplifier A is changed. To compensate for this voltage shift, a positive or negative voltage is applied to the output of the operational amplifier A via a voltage divider according to the runner setting. Importantly, the absolute value of this voltage varies with ambient temperature. Therefore, it is sufficient to determine the character of the drift and set the voltage divider RS accordingly. During operation, there is a DC voltage on the compensating bridge transistors, the value of which must be compensated by the NO setting circuit that is part of each operational amplifier.

Návrh kompenzace operačního zesilovače vychází z toho, že teplotní závislost napětí na sepnutých bipolárních tranzistorech je stejného charakteru jako je teplotní drift operačních zesilovačů. Teplotní drift operačního zesilovače může být kladný nebo záporný, to znamená, že změna výstupního napětí může být kladná nebo záporná při konstantním napětí na vstupu operačního zesilovače. Proto byl navržen kompenzační obvod takového charakteru, který umožňuje vykompenzovat libovolný charakter driftu. Jedná se o operační zesilovač známého zapojení o invertujícím a neinvertujícím vstupu, jehož zesílení se nastavuje pomocí zpětnovazebního členu typu T, který je tvořen zpětnovazebním pátým a šestým odporem RZ, R5, R6. Do součtového bodu, který je tvořen vývody zpětnovazebního pátého a šestého odporu Rz, R5, R6 je přivedeno kompenzační napětí přes kompenzační odpor RK z kompenzačního členu.The design of compensation of operational amplifiers is based on the fact that the temperature dependence of the voltage on the switched bipolar transistors is of the same nature as the temperature drift of the operational amplifiers. The temperature drift of the opamp may be positive or negative, that is, the change in the output voltage may be positive or negative at a constant voltage at the opamp input. Therefore, a compensation circuit of such character has been proposed which allows to compensate any character of the drift. It is an operational amplifier of known connection of inverting and non-inverting input, the gain of which is adjusted by means of a feedback type T, which is formed by a feedback fifth and sixth resistor RZ, R5, R6. The compensation point, which is formed by the terminals of the feedback fifth and sixth resistors Rz, R5, R6, is supplied with a compensating voltage via a compensating resistor RK from the compensating member.

Část kompenzačního napětí je přivedena na invertující vstup operačního zesilovače A přes zpětnovazební odpor RZ. Toto napětí je zesíleno operačním zesilovačem A, přičemž zesílení závisí na hodnotách zpětnovazebního pátého a šestého odporu RZ, R5, RB. Zesílené napětí je opačné polarity než kompenzační napětí přivedené přes kompenzační odpor RK do součtového bodu. Na výstupu operačního zesilovače A je potom kompenzační napětí dané rozdílem zesíleného napětí a napětí přiváděného do součtového bodu. Projevuje se tedy zpětnovazební působení, které celé kompenzační zapojení stabilizuje. Pro velká zesílení (větší než 100) se na velikosti kompenzačního napětí na výstupu neuplatní zpětnovazební odpor RZ.Part of the compensating voltage is applied to the inverting input of the operational amplifier A via the feedback resistor RZ. This voltage is amplified by the operational amplifier A, the amplification depending on the values of the feedback fifth and sixth resistances RZ, R5, RB. The amplified voltage is of the opposite polarity to the compensating voltage applied via the compensating resistor RK to the sum point. At the output of the operational amplifier A, the compensating voltage is then given by the difference of the amplified voltage and the voltage applied to the sum point. There is thus a feedback effect that stabilizes the entire compensation circuit. For large gains (greater than 100), the feedback resistance RZ does not apply to the magnitude of the compensating voltage at the output.

Kompenzační člen je tvořen sepnutými bipolárními tranzistory, zapojenými dle obrázku. V příkladu zapojení jsou uvedeny dvě větve tvořené tranzistory typu PNP a NPN. Počet zapojených tranzistorů v sérii závisí od velikosti driftu operačního zesilovače, který se kompenzuje. V praktických zapojeních při kompenzaci monolitických operačních zesilovačů Tesla se vystačí s dvěma tranzistory v každé větvi kompenzačního členu.The compensation element consists of closed bipolar transistors connected according to the figure. In the connection example, two branches are made up of PNP and NPN transistors. The number of transistors connected in series depends on the magnitude of the operational amplifier drift being compensated. In practical circuits for compensating Tesla monolithic operational amplifiers, two transistors in each branch of the compensating element are sufficient.

Absolutní hodnotú napětí mezi emitorem n-tého PNP tranzistoru TNK a dále pak n-tého NPN tranzistoru TNP se zmenšuje s rostoucí teplotou. Tato závislost je uvedena na obr. 2. Přičemž závislost 1, 2, 3 platí pro první až n-tý PNP tranzistor TIK... TNK.The absolute value of the voltage between the emitter of the nth PNP transistor TNK and the nth NPN transistor TNP decreases with increasing temperature. This dependence is shown in Fig. 2. The dependence 1, 2, 3 applies to the first to n-th PNP transistor TIK ... TNK.

Podobně závislosti 10, 20, 30 platí pro první až n-tý NPN tranzistor TIP ... TNP.Similarly, the dependencies 10, 20, 30 apply to the first to n-th NPN transistor TIP ... TNP.

V případě, že drift operačního zesilovače vykazuje průběh označený na obrázku 2 ja-In case the drift of the operational amplifier shows the waveform shown in Figure 2,

Claims

Subject

A circuit for temperature compensation of an operational amplifier, characterized by having a compensation bridge in which one power supply (+ Ub, —Ub) is connected in one diagonal, an adjustable voltage divider (RS) in one branch, one or more PNPs in the other branch, and NPN transistors (TIK to TNK and TIP to TNP) in series with a common eco "a". The temperature dependence is shifted between curves 1 - 2, it is a course marked as „b“. Compensation can be made with the first PNP and the first NPN transistors TIK, TNK connected in series, and at temperatures within the compensation range, the corresponding compensation voltage must be set using a potentiometer (or a fixed resistive divider). 20 ° C corresponds to point A ‘, temperature 80 ° C corresponds to point B‘. Point A * corresponds to the DC voltage Uo, which causes the initial amplification of the operational amplifier. Therefore, it is necessary to rebalance the operational amplifier by means of a NO reset circuit. The NO reset circuit is formed by a potentiometer connected between the positive and negative supply voltages, from which the reset voltage is applied via a resistor to the reset input of the operational amplifier. Zeroing of the operational amplifier is performed in the output part, which negligibly influences the overall drift of the amplifier.

The temperature compensation is set as follows:

The temperature frift of the operational amplifier is measured when the slider of the voltage divider RS is set to the center, ie there is zero voltage between the slider and the zero bus.

The thermal drift of the voltage shows the course "a". We move the waveform "a" so that it is between the waveforms of voltage 1,

2. Obviously, at least 2 PNP transistors in series are required to compensate. The operational amplifier, which has been reset at T - 20 ° C, is heated to T - 80 ° C and the zero deviation at the output of the operational amplifier (voltage U2) is set using the voltage divider RS. The amplifier is cooled to T = 20 ° C and the output value is set using the NO reset circuit. The procedure is repeated several times.

The advantage of wiring is perfect drift compensation in the temperature range of –10 ° C to +80 ° C, which could not be achieved by other known methods.

The application is particularly suitable for precision amplifiers for industrial applications, for thermocouple amplifiers, measuring amplifiers operating over a wide operating temperature range at gains greater than 100.

It is suitable for monolithic and hybrid operational amplifiers. It has also proved its worth with fast discrete-component operational amplifiers.

the output of the operational amplifier (A) is connected in a second diagonal between the center terminal of the adjustable voltage divider (RS) and the node connecting the opposite conductivity type transistors of the first PNP transistor and the first NPN (TIK, TIP).