專利名稱：具有改進(jìn)的高速響應(yīng)的高精度組合放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域?yàn)閿?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高精度放大器，更具體地說(shuō)，是由兩種串聯(lián)連接的集成電路運(yùn)算放大器組成的高精度組合放大器。
先有技術(shù)的高精度放大器是已知的。本文所用術(shù)語(yǔ)的高精度放大器是指其精度要求大約是0.005%。通常已知放大器可得到的精度只和該放大器的開(kāi)環(huán)增益有關(guān)。在無(wú)需高速度的應(yīng)用場(chǎng)合中，可提供足夠增益的單級(jí)運(yùn)算放大器是現(xiàn)成可購(gòu)得的。然而，由于對(duì)獲得高速性能的折衷，高速運(yùn)放大都有較低的開(kāi)環(huán)增益。在本文所用術(shù)語(yǔ)的高速應(yīng)用場(chǎng)合是指要求穩(wěn)定時(shí)間大約為700毫微秒(ns)的應(yīng)用場(chǎng)合。當(dāng)應(yīng)用既要求高精度又要求高速度時(shí)，這意味在所要求的穩(wěn)定時(shí)間(700ns)內(nèi)，輸出必須穩(wěn)定在所要求的精度之內(nèi)(0.005%)。
由于可利用的單級(jí)的增益的減小，高速運(yùn)放、現(xiàn)有的高速高精度放大器通常包含串聯(lián)連接的兩個(gè)高速運(yùn)放。在該結(jié)構(gòu)中，組合的運(yùn)放對(duì)的凈增益為各增益的乘積，該乘積對(duì)高精度應(yīng)用是足夠的。然而，為穩(wěn)定復(fù)合結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)必不可少的。先有的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可很好地工作在低速應(yīng)用中，但會(huì)引起組合放大器高速性能例如穩(wěn)定時(shí)間變差。因此，先有的組合運(yùn)放已能達(dá)到必要的精度，但由于所用補(bǔ)償電路引起的延遲使高速性能受到限制。
按照本發(fā)明的高速、高精度組合放大器包括串聯(lián)連接的第一和第二運(yùn)算放大器級(jí)和與第二運(yùn)算放大器連接的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在組合放大器的開(kāi)環(huán)響應(yīng)中產(chǎn)生一個(gè)零、一個(gè)第一極點(diǎn)和一個(gè)第二極點(diǎn)。這樣構(gòu)造補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)開(kāi)環(huán)響應(yīng)的第二極點(diǎn)近似等于零，從而使該第二極點(diǎn)與零點(diǎn)相互抵消。
本發(fā)明的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是為高精度組合放大器改進(jìn)了高速性能即減小了穩(wěn)定時(shí)間。本發(fā)明給出的極點(diǎn)/零點(diǎn)相消簡(jiǎn)化了組合放大器的開(kāi)環(huán)響應(yīng)，實(shí)際上象一個(gè)較簡(jiǎn)單、較快速、單極點(diǎn)響應(yīng)的單級(jí)放大器那樣工作。結(jié)果是大大減小了組合放大器的穩(wěn)定時(shí)間。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明提出的極點(diǎn)/零點(diǎn)相消，第二運(yùn)算放大器可包含第一和第二外部補(bǔ)償連接點(diǎn)，而補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可包括并聯(lián)連接在第一和第二外部補(bǔ)償連接點(diǎn)之間的電容器和電阻器。使用外部補(bǔ)償?shù)暮锰幵谟谒峁?duì)第二極點(diǎn)位置的較大程度的控制而對(duì)元件容差和溫度變化不大敏感。
本發(fā)明主要目的是提供一種其零點(diǎn)位置可調(diào)整或微調(diào)以使第二極點(diǎn)與零點(diǎn)進(jìn)行的所要求抵消的組合放大器。因此，該組合放大器可包括用于調(diào)整零點(diǎn)以使零點(diǎn)近似等于第二極點(diǎn)的可調(diào)整電路。該可調(diào)電路包含連接在第一運(yùn)放輸出和第二運(yùn)放輸入端之間的各個(gè)分壓器，在該電阻分壓器中至少一個(gè)電阻是可變的。
本發(fā)明的以上和其它的目的和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)以下描述是很清楚的。在說(shuō)明書(shū)中參考附圖，并以圖示方式說(shuō)明本發(fā)明最佳實(shí)施例。但是該實(shí)施例不代表本發(fā)明全部范圍，本發(fā)明范圍可參考權(quán)利要求書(shū)加以說(shuō)明。


圖1是用于計(jì)算機(jī)X射線斷層造影(CT)掃描器的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的方框圖，該子系統(tǒng)使用于本發(fā)明的高速度、高精度的組合放大器;
圖2是構(gòu)成圖1數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)一部分的浮點(diǎn)放大器的方框圖;
圖3是構(gòu)成圖1數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)一部分的數(shù)據(jù)變換器的凈傳遞函數(shù)的曲線圖;
圖4是先有技術(shù)反相放大器的簡(jiǎn)圖;
圖5是先有技術(shù)的、未補(bǔ)償?shù)慕M合放大器的簡(jiǎn)略圖;
圖6是先有技術(shù)的、已補(bǔ)償組合放大器的簡(jiǎn)略圖;
圖7是構(gòu)成圖2浮點(diǎn)放大器一部分的反相增益為8的組合放大器的簡(jiǎn)略圖;
圖8是帶有構(gòu)成圖7放大器一部分的外部補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器的簡(jiǎn)略圖。
參考圖1，計(jì)算機(jī)X射線斷層造影(CT)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)1接收多個(gè)輸入信道2上每一個(gè)的模擬輸入信號(hào)。輸入信號(hào)調(diào)整之后(未示出)，輸入信道2被連接到多路傳輸器3，在圖象處理控制器4的控制下在某一時(shí)刻選擇一個(gè)輸入信道2。多路傳輸器3的輸出是對(duì)應(yīng)于所選輸入信道2上模擬輸入信號(hào)的模擬信號(hào)。輸出5作為輸入連接到數(shù)據(jù)變換器6。數(shù)據(jù)變換器6將模擬輸出5轉(zhuǎn)換或變換為包含分別如下所述的獨(dú)立的指數(shù)和小數(shù)部分7、8的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)輸出信號(hào)。然后以已知方式，由圖象處理控制器4進(jìn)行采樣和處理。
在典型CT系統(tǒng)中，每個(gè)輸入信道2是一個(gè)其自身為一來(lái)自47個(gè)不同X射線檢測(cè)器(未示出)的復(fù)合多路信號(hào)，該系統(tǒng)共有16個(gè)這類輸入信道2。多數(shù)CT系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作要求指出每個(gè)輸入信道2上的所有47個(gè)檢測(cè)器信號(hào)必須每一毫秒順序采樣一次，例如每1毫秒采樣總計(jì)752次。由于先有放大器的速度局限，過(guò)去必須采用與復(fù)雜多路傳輸方案同時(shí)工作的總共12個(gè)數(shù)據(jù)變換器6，以便在要求時(shí)間內(nèi)采集所有樣本。
相反，使用本發(fā)明的高速放大器，只需2個(gè)數(shù)據(jù)變換器6便可在1ms周期內(nèi)獲得同樣數(shù)量的樣本。一個(gè)這樣的數(shù)據(jù)變換器6在圖1中示出，該變換器為16個(gè)輸入信道2中的8個(gè)所使用。可理解第二數(shù)據(jù)變換器(未示出)可為另8個(gè)信道所使用。這樣，本發(fā)明的高速放出使得硬件復(fù)雜性及成本方面的顯著節(jié)省成為可能。
還是參考圖1，數(shù)據(jù)變換器6由兩個(gè)主要單元組成;浮點(diǎn)放大器(FPA)10和常規(guī)的模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器11。浮點(diǎn)放大器10用作預(yù)定標(biāo)器，將離散放大因子加到輸入5上使之落在A/D變換器11的最佳變換范圍內(nèi)。放大因子或浮點(diǎn)放大器10的“增益”通常為2的冪，該實(shí)施例所用因子為1、8和64。所選放大因子由FPA 10編碼為數(shù)字浮點(diǎn)數(shù)的2個(gè)比特的指數(shù)7。A/D變換器11的輸出8則代表該數(shù)字浮點(diǎn)數(shù)的小數(shù)部分。由指數(shù)7和小數(shù)部分8組成的數(shù)字浮點(diǎn)數(shù)被輸入到圖象處理控制器4作進(jìn)一步處理。
參考圖2，浮點(diǎn)放大器10的輸入5首先由單位增益放大器20進(jìn)行緩沖。將放大器20的輸出作為“X1”輸入加到模擬量多路轉(zhuǎn)換器21原一個(gè)輸入端。放大器20的輸出也連接到反相放大器22的輸入端，以產(chǎn)生-8的增益。放大器22的輸出連接到增益分別為-1和-8的反相放大器23和26。因此放大器26的輸出代表原始輸入信號(hào)5的+64(-8×-8)的凈放大，并連到模擬量多路傳輸器21的“×64”輸入端。同時(shí)，放大器23的輸出連接到模擬量多路傳輸器21的“×8”輸入端(-8×-1＝+8)。放大器22的輸出也連接段選擇電路24的輸入端25。
參考圖2和圖3，為增大數(shù)據(jù)變換器6可接收輸入的范圍，輸入5在概念上進(jìn)一步劃分為三個(gè)段，標(biāo)以數(shù)字Ⅰ-Ⅲ。段選擇電路24以已知方式工作從分別對(duì)應(yīng)于段Ⅰ-Ⅲ的增益×64、×8或×1中選一合適的量。選擇電路24將輸入25與對(duì)應(yīng)于(1)A/D變換器11的模擬輸入的滿刻度以及(2)該滿刻度的1/8的閾值相比較。由于段選擇電路24的輸入25已被放大8倍，所以，實(shí)際所用閾值分別對(duì)應(yīng)于原始輸入信號(hào)5的滿刻度的1/64和1/8。
根據(jù)閾值比較，段選擇電路24對(duì)包含指數(shù)7的兩條二進(jìn)制控制線進(jìn)行編碼。該指數(shù)7既連接到模擬量多路傳輸器21的控制輸入端，又作為2位指數(shù)連接到圖象處理控制器4。因此模擬量多路傳輸器21按照輸入信號(hào)5所在的段，選擇分別具有放大率×1、×8或×64幅度的放大器20、23或26中一個(gè)的輸出。這就保證了模擬量多路傳輸器21的輸出27盡可能大而不超過(guò)A/D變換器11的滿刻度輸入。
因?yàn)閿?shù)據(jù)變換器6要變換許多個(gè)信道，所以相對(duì)變換率可是非常高。在該實(shí)施例中每個(gè)樣本的2.33微秒的變換速率是最佳的。A/D變換器11是具有最佳2.33μS采樣周期的采樣保持型的。一旦由輸入多路傳輸器3所選輸入信道已發(fā)生改變，則新選信道2上的信號(hào)必須傳過(guò)輸入多路傳輸器3和浮點(diǎn)放大器10，并略在2.33μS周期結(jié)束之前，在A/D變換器11的輸入端上變得穩(wěn)定。這要求浮點(diǎn)放大器10中的放大器20、22、23和26必須具有寬的頻帶寬茺和相當(dāng)短的穩(wěn)定時(shí)間，因?yàn)橥ㄟ^(guò)浮點(diǎn)放大器10的任何路徑都需要通過(guò)放大器20、22、23和26中的2或3個(gè)的串聯(lián)組合。每個(gè)放大器的最佳穩(wěn)定時(shí)間為700ns左右，對(duì)串聯(lián)連接的三個(gè)放大器穩(wěn)定時(shí)間為3×700ns＝2.1μS。
圖3的曲線圖表示數(shù)據(jù)變換器6的凈傳遞函數(shù)。理想的是三個(gè)段Ⅰ-Ⅲ最好對(duì)齊并相連接。影響這種對(duì)齊的有兩個(gè)因素，具體為每個(gè)段的斜率和零點(diǎn)交叉或偏移。每個(gè)段的偏移可由已知的自動(dòng)零電路糾正或最好由改進(jìn)的數(shù)字自動(dòng)零點(diǎn)電路來(lái)糾正，該改進(jìn)電路在與本發(fā)明有同日提交的、題為“計(jì)算機(jī)X射線斷層造影數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進(jìn)的自動(dòng)零點(diǎn)裝置和方向”的共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)中予以說(shuō)明。
每個(gè)段的斜率表示加在該段的凈放大增益。因此有必要確保每個(gè)放大器20、22、23和26的增益精確到與所要求精度相稱的水平。在該實(shí)施例中，該所要求精度相稱的水平。在該實(shí)施例中，所要求精度為0.005%。能以單位增益提供所要求速度和精度的單級(jí)運(yùn)算放大器是現(xiàn)成的。使用這種單級(jí)運(yùn)算放大器，例如用作放大器20和23。
然而，也要求相當(dāng)大的增益時(shí)，例如放大器22和26，單級(jí)運(yùn)算放大器在精度和速度方面受到限制，如下文詳細(xì)說(shuō)明。含串聯(lián)連接的兩個(gè)運(yùn)算放大器的組合放大器已成功地用于提供所必要的精度，但這種放大器也引入了不能接受的長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間。這些長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間成為可獲得的最大采樣速率的限制因素。本發(fā)明提供了具有所要求增益、精度和極快穩(wěn)定時(shí)間的放大器，從而提高了采樣速率。
參考圖4，單元反相閉環(huán)放大器29的增益可用下式近似增益＝ (Vout)/(Vin) ＝-[ (R2)/(R1) ] (1)例如，當(dāng)R2＝8+R1時(shí)可得到增益-8。可以得所要求精度即和市場(chǎng)上可購(gòu)得的精度一致的電阻器對(duì)來(lái)獲得電阻R1和R2的比率。然而，等式1給出的近似不準(zhǔn)確。給出準(zhǔn)確的增益表達(dá)式如下
其中，“A”是放大器30的開(kāi)環(huán)直流增益。
該后一個(gè)增益表達(dá)式(2)當(dāng)項(xiàng)A×( (R1)/(R1+R2) )遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1時(shí)可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單得多的前一表達(dá)式(1)。該近似成立的程度確定了簡(jiǎn)單增益表達(dá)式(1)的精度。為獲得“增益8”放大器(例如，R2＝8＊R1)所要求的0.005%的精度，等式(2)中的“A”值必須大于180，000伏/伏。注意到“增益為1”放大器中，其中R1＝R2，“A”數(shù)值只需為40，000伏/伏左右就可獲得相同精度。
市場(chǎng)上可得到的高速運(yùn)算放大器限制為開(kāi)環(huán)增益適合于單位閉環(huán)增益應(yīng)用(A≈40，000)而不適合于較高的閉環(huán)放大因子。例如，在本實(shí)施例的“增益8”放大器中，需要開(kāi)環(huán)增益“A”＞180，000，但這種高速單級(jí)運(yùn)算放大器是市場(chǎng)上得不到的。高速、單級(jí)運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益的限制是由于獲得高速性能所作設(shè)計(jì)折衷。
對(duì)這種不適當(dāng)開(kāi)環(huán)增益情況的一種可能的解決方法是在制造時(shí)調(diào)整R1或R2以進(jìn)行補(bǔ)償。由于放大器的開(kāi)環(huán)增益非?？赡茈S溫度和時(shí)間而漂移，因此這種方法是不可接受的。
另一可能的解決方法是增大放大器的開(kāi)環(huán)增益。這可如圖5所示，通過(guò)串聯(lián)連接兩個(gè)運(yùn)算放大器級(jí)31和32，以先有技術(shù)已知方式加以實(shí)現(xiàn)。在此情形下，串聯(lián)對(duì)的開(kāi)環(huán)增益等于各級(jí)開(kāi)環(huán)增益的乘積。然而，圖5的基本串聯(lián)連接并不是可行的解決方案，因?yàn)樗醋餮a(bǔ)償并會(huì)振蕩。
如圖6示出的串連運(yùn)算放大器的補(bǔ)償形式通常為先有的高精度放大器所用。圖6的放大器結(jié)構(gòu)具有足以獲得所要求的精度的開(kāi)環(huán)直流增益，但由于所用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，也引入了不可接受的長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間。這使圖6的放大器結(jié)構(gòu)不能用于高速應(yīng)用場(chǎng)合，因?yàn)樵撾娐芬蟆暗却毕喈?dāng)長(zhǎng)的時(shí)間使放大器輸出穩(wěn)定為所要求精度。
現(xiàn)在說(shuō)明圖6放大器結(jié)構(gòu)所固有的較差的高速性能的來(lái)源以及本發(fā)明提供的改進(jìn)的高速性能。以復(fù)數(shù)頻率算子“S”、將通常單級(jí)運(yùn)放可得到的典型開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)用以下簡(jiǎn)單單極點(diǎn)表達(dá)式加以描述
A(S)＝ (A)/(T1S+1) (3)其中，T1是由單級(jí)運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部補(bǔ)償確定的特征時(shí)間常數(shù)。
除了有些高頻率極點(diǎn)外，上述表達(dá)式通常是有效的，所述高頻極點(diǎn)一般不影響閉環(huán)放大器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。數(shù)學(xué)上通過(guò)首先用等式(3)中A(S)的表達(dá)式替代等式(2)中的數(shù)值“A”，然后進(jìn)行拉普拉斯(Laplace)逆變換，要以證明對(duì)圖4單級(jí)放大器結(jié)構(gòu)，單位階躍輸入的時(shí)間域響應(yīng)可用以下表達(dá)式給出Vout(t)＝-[ (R2)/(R1) ]Vin[1-e-t/T2] (4)其中，T2≈ (T1[R1+R2])/(AR1)換言之，單位階躍響應(yīng)是簡(jiǎn)單的一階或單時(shí)間常數(shù)響應(yīng)。時(shí)間常數(shù)T2近似等于非反相增益( ([R1+R2])/(R1) )和開(kāi)環(huán)單位增益頻率的倒數(shù)( (T1)/(A) )(以弧度表示)的乘積。
例如，使單級(jí)放大器穩(wěn)定在最終值(e-t/T2＜5×10-5)的0.005%之內(nèi)所需時(shí)間近似為時(shí)間常數(shù)T2的10倍。因此，為了實(shí)現(xiàn)所要求的700ns的穩(wěn)定精度，要求時(shí)間常數(shù)T2大約為70ns。對(duì)“增益為8”放大器，需要125兆弧度/秒或近似20兆赫茲的開(kāi)環(huán)單位增益頻率以達(dá)到T2的70ns數(shù)值。然而，如前所述，市場(chǎng)可購(gòu)的響應(yīng)頻率高的單級(jí)運(yùn)算放大器大都只有較低的開(kāi)環(huán)直流增益，該增益太低以至不能達(dá)到所要求的絕對(duì)精度。
相反，圖6復(fù)合放大器的開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)為以下形式的二階表達(dá)式G(S)＝ (A1A2(1+T4S))/((1+T3S)(1+T5S)) (5)其中，A1和A2是復(fù)合放大器中串連運(yùn)算放大器的各個(gè)開(kāi)環(huán)增益。
如同前面的一階開(kāi)環(huán)響應(yīng)的情形，數(shù)學(xué)上可以證明，閉環(huán)單位階躍響應(yīng)具有如下的典型二階響應(yīng)的形式Vou(t)＝Be-t/T6+Ce-t/T7(6)進(jìn)一步可以證明，T6和T6總是大于等式(4)中的T2。較壞情形時(shí)，T6和T7中較大的一個(gè)數(shù)值可以是另一較小數(shù)值的許多倍。無(wú)可否認(rèn)，T6或T6中較大數(shù)值的相應(yīng)系數(shù)例如分別為“B”或“C”可以非常小。但它仍然會(huì)阻礙使0.005%的穩(wěn)定精度落在大約為700ms的高度穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)。
本發(fā)明提供控制等式(5)中T4和T5以使之相等、給出等式(3)的、一階表達(dá)式的簡(jiǎn)單形式的可靠而且穩(wěn)定的裝置。在圖7中，示出了該改進(jìn)電路的簡(jiǎn)略圖。
為理解該電路如何提供必需的極點(diǎn)/零點(diǎn)抵消，首先必須理解各種電路元件產(chǎn)生的等式(5)中每一個(gè)極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置。T3關(guān)連的第一極點(diǎn)是最高頻率處產(chǎn)生的低頻極點(diǎn)，而R3、C1和A3構(gòu)成的積分器的增益等于放大器A3的直流開(kāi)環(huán)增益。在點(diǎn)V1到V3的電路增益到達(dá)單位增益的頻率處出現(xiàn)和T4關(guān)連的零點(diǎn)。和T5關(guān)連的第二極點(diǎn)是由運(yùn)算放大器A4的開(kāi)環(huán)增益形成的高頻極點(diǎn)。后者即第二極點(diǎn)由T5決定，該T5通常不可調(diào)因此不能準(zhǔn)確抵消特性與T4關(guān)連的零點(diǎn)。這種沒(méi)有對(duì)消是上述不良穩(wěn)定特性的原因。
圖7放大電路不同于先有的串聯(lián)放大電路之處在于第二放大器A4是外部補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器。使用外部補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)對(duì)T5的較大程度的控制。該外部補(bǔ)償由并聯(lián)連接在外部補(bǔ)償連接點(diǎn)之間、具體為放大器A4的輸出45和外部補(bǔ)償輸入46之間的電容器C3和電阻器R6提供。與C3并連R6是本發(fā)明獨(dú)特一面，它不同于一般只用一只C3或?qū)3與電阻串聯(lián)的做法。如下所說(shuō)明，與C3并聯(lián)的電阻器犧牲了某些增益，但提供了對(duì)取得所要求的極點(diǎn)/零點(diǎn)對(duì)消所必需的控制。
參考圖8，該圖示出本發(fā)明提供的補(bǔ)償如何獲得必要的極點(diǎn)/零點(diǎn)相消。運(yùn)算放大器A4，是典型的流行運(yùn)算放大器，它由兩級(jí)50和51構(gòu)成。輸入級(jí)50通常稱為差分極。該差分級(jí)50將分別為+、-的輸入52和53之間的差分輸入電壓變換為差分極59輸出端54上的單端電流I1。差分級(jí)50的傳遞函數(shù)由單個(gè)跨導(dǎo)值gm確定，使得I1＝(V+-V-)gm (7)第二即輸出級(jí)51用于將單端電流輸入I1變換為單端電壓輸出VO，產(chǎn)生-AO的反相增益。忽略R6的作用，輸出級(jí)51的直接傳遞函數(shù)為
VO＝-AOI1 (8)同樣，輸出級(jí)51的交流傳遞函數(shù)定義為VO＝-[ (I1)/(SC3) ] (9)將以上等式擴(kuò)展到整個(gè)運(yùn)算放大器A4，仍不計(jì)R6，可得到以下直流和交流傳遞函數(shù)直流增益＝-AOgm (10)交流增益＝ (-gm)/(SC3) (11)交流等式(11)用于高頻時(shí)，其值大于相應(yīng)直流表達(dá)式(10)。換言之，對(duì)應(yīng)等式(5)中T5的頻率等于以上直流和交流等式(10)和(11)的數(shù)值分別相等時(shí)的頻率。但是，該頻率隨AO和gm的函數(shù)而變化，這樣就可能變得相當(dāng)不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定性制止了等式(5)中確認(rèn)的極點(diǎn)/零點(diǎn)相消。
然而，通過(guò)增加R6，得到A4的新的傳遞函數(shù)A4(S)＝ (-gmR6)/((R6 C3 S)+1) (12)
該表達(dá)式(12)指出，已犧牲放大器的一些直流開(kāi)環(huán)增益，以獲得由R6和C3確定的固定的頻率極點(diǎn)。由于總直流開(kāi)環(huán)增益仍很大，直流開(kāi)環(huán)增益的損耗并不是嚴(yán)重的損耗，如下文更詳細(xì)的說(shuō)明。
再次參考圖7，電阻器R4和R5a連接在運(yùn)放A3輸出端和運(yùn)放A4輸入端之間的分壓器中。因?yàn)榇?lián)運(yùn)放對(duì)的開(kāi)環(huán)增益一開(kāi)始就非常大，所以最后的衰減并不顯著影響該放大器的總增益。具體地說(shuō)，該實(shí)施例中優(yōu)選的運(yùn)算放大器對(duì)運(yùn)放A3是可從I11ioois，Addison，Burr Brown購(gòu)得的OPA-111型、對(duì)運(yùn)放A4是可從Massachusetts，Norwood的Analog Devices公司購(gòu)得的AD 380型的OPA-111具有500，000伏/伏的開(kāi)環(huán)增益，而AD 380具有25，000伏/伏的開(kāi)環(huán)增益，得出A3×A4的乘積為1.25×1010。如上所述，大約180，000伏/伏足以獲得所要求的0.005%精度，這樣由C3、R6補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和R4、R5a分壓器造成的衰減是可忽略不計(jì)的。還應(yīng)注意到，運(yùn)放A3是高增益型的，其自己就具有超過(guò)180，000伏/伏增益需求的開(kāi)環(huán)直流增益。但是，在串聯(lián)電路中，運(yùn)放A3用作偏移差積分器因此并不需要具有與運(yùn)放A4葙同高的頻率響應(yīng)。這使得可將較低速的、高增益的運(yùn)算放大器用作A3。
由電阻器R4、R5a構(gòu)成的阻性分壓器的好的作用是雙重的。首先即最重要的，圖7電路的任何實(shí)際的實(shí)現(xiàn)都會(huì)將雜散電容引入電路，具體影響C3、R6補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。這些作用和實(shí)際元件有關(guān)的制造容差一起可能阻止進(jìn)行所進(jìn)行的極點(diǎn)/零點(diǎn)相消。本發(fā)明最重要的發(fā)現(xiàn)是使R5a可調(diào)整，這樣就可能最大程度上消除實(shí)際電路的缺陷從而優(yōu)化極點(diǎn)/零點(diǎn)相消。
調(diào)整R5a的過(guò)程如下。將一具有很快(例如平方)的上升時(shí)間的方波信號(hào)發(fā)生器(未示出)連接到圖7放大器的輸入端40。用示波器(未示出)監(jiān)視輸出45，該示波器也具有足以顯示快速上長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)的帶寬。調(diào)整電阻器R5a使對(duì)方波輸入有最優(yōu)響應(yīng)，例如最佳上升時(shí)間而無(wú)過(guò)調(diào)節(jié)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)已對(duì)本實(shí)施例中的元件將提供最優(yōu)穩(wěn)定時(shí)間的由R4/R5a網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的衰減規(guī)定在大約0.2和0.25之間。最好使R5a的調(diào)整范圍可在所述范圍和略有超過(guò)的區(qū)間提供衰減。
由電阻器R4和R5a構(gòu)成分壓器的第二個(gè)好處是可提供對(duì)運(yùn)放A3產(chǎn)生的噪聲的衰減。在接近零輸入信號(hào)條件下，由于該裝置中缺陷而由A3產(chǎn)生的噪聲否則會(huì)由串接運(yùn)放A4直接放大。由R4、R5a網(wǎng)絡(luò)提供的衰減可用來(lái)降低該噪聲，從而在低電平輸入條件下提高串聯(lián)對(duì)的信號(hào)噪聲比。
至于圖7電路中的其余元件，電阻器R1和R2的比率設(shè)置了放大器的增益。例如，在先有技術(shù)中已知電阻器R1和R2是精度匹配對(duì)，對(duì)它們已作激光修整以配合該電阻對(duì)比率在0.005%之內(nèi)。對(duì)圖2中“增益為8”放大器22和26，R2對(duì)R1的比率為8.0000到1.0000。R3、C1的網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)放a3產(chǎn)生第一、即低頻極點(diǎn)，該極點(diǎn)提供穩(wěn)定操作所必需的補(bǔ)償，如同用先有的組合放大器。
最后，如果輸出信號(hào)過(guò)大，圖7放大器的實(shí)際的實(shí)現(xiàn)會(huì)飽和。這種情形是不希望的，因?yàn)橥顺鲲柡托枰~外的時(shí)間。為避免放大器飽和，最好和先有技術(shù)一樣，包括輸出箝位器50。輸出箝位器50可用于防止Vout達(dá)到放大器A4的正的飽和電壓。A4的飽和會(huì)使A3脫離其通常很有限的工作區(qū)間(即，輸入和輸出很接近于0伏)。由于運(yùn)放A3、R3和C1構(gòu)成的積分放大器相當(dāng)慢，所以在消除過(guò)驅(qū)動(dòng)輸入之后，組合放大器要用長(zhǎng)時(shí)間來(lái)恢復(fù)。圖7示出的具體箝位器適用于單極性的、正的輸出電壓。以此類推，類似的負(fù)的電壓箝位器可并聯(lián)加入用于雙極性操作。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的高精度組合放大器，該高精度組合放大器包括串聯(lián)連接的第一和第二運(yùn)算放大器級(jí)和在該組合放大器開(kāi)環(huán)響應(yīng)中產(chǎn)生零點(diǎn)，第一極點(diǎn)和第二極點(diǎn)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，所述改進(jìn)的特征在于構(gòu)造該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)開(kāi)環(huán)響應(yīng)的第二極點(diǎn)近似于零點(diǎn)，使零點(diǎn)與第二極點(diǎn)相消，從而減少該組合放大器的穩(wěn)定時(shí)間。
2.如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，第二運(yùn)算放大器包括第一和第二外部補(bǔ)償連接點(diǎn)，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括并聯(lián)連接在第一和第二外部補(bǔ)償連接點(diǎn)之間的電容器和電阻器。
3.如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，包括一調(diào)整電路，該電路用于調(diào)整第二極點(diǎn)以使第二極點(diǎn)近似等于零點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，調(diào)整電路包括連接在第一運(yùn)算放大器輸出端和第二運(yùn)算放大器輸入端之間的電阻分壓器，其特征在于電阻分壓器中至少一個(gè)電阻器是可變的。
5.一種高速、高精度的組合放大器，它包含串聯(lián)連接的第一和第二運(yùn)算放大器級(jí)，與第一和第二運(yùn)算放大器相連接、產(chǎn)生組合放大器開(kāi)環(huán)響應(yīng)中的零點(diǎn)、第一極點(diǎn)和第二極點(diǎn)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)造該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以使該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)開(kāi)環(huán)響應(yīng)的第二極點(diǎn)近似等于零點(diǎn)，從而使零點(diǎn)和第二極點(diǎn)相互抵消，從而降低組合放大器的穩(wěn)定時(shí)間。
6.如權(quán)利要求5所述的放大器，其特征在于，第二運(yùn)算放大器包括第一和第二外部補(bǔ)償連接點(diǎn)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括并聯(lián)連接在第一和第二外部補(bǔ)償連接點(diǎn)之間的電容器和電阻器。
7.如權(quán)利要求6所述的放大器，其特征在于包括用于調(diào)整零點(diǎn)以使第二極點(diǎn)近似等于該零點(diǎn)的可調(diào)整電路。
8.如權(quán)利要求7所述的放大器，其特征在于可調(diào)整電路包含連接在第一運(yùn)算放大器輸出端和第二運(yùn)算放大器輸入端之間的電阻分壓器，還在于電阻分壓器中至少一個(gè)電阻是可變的。
全文摘要
一種用在CT掃描器數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中的高精度組合放大器通過(guò)降低穩(wěn)定時(shí)間提供增強(qiáng)的高速響應(yīng)。該速度改進(jìn)是由于新穎的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使組合放大器開(kāi)環(huán)響應(yīng)特性的高頻極點(diǎn)和零點(diǎn)相互抵消，而和元件和溫度變化無(wú)關(guān)。所得放大器呈現(xiàn)一簡(jiǎn)單的，較高速度的單極點(diǎn)的響應(yīng)。配置一可調(diào)整電路用以調(diào)整零點(diǎn)的位置從而確保極點(diǎn)/零點(diǎn)的最優(yōu)抵消。
文檔編號(hào)A61B6/03GK1057740SQ9110453
公開(kāi)日1992年1月8日 申請(qǐng)日期1991年6月29日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月29日
發(fā)明者保羅·C·尚倫 申請(qǐng)人:通用電氣公司