[其他]結型場效應晶體管電阻式差動放大器

無效

• 申請號: 85106483
• 申請日: 1985-08-29
• 公開（公告）號: CN85106483A
• 公開（公告）日: 1987-03-18
• 發明（設計）人: 肯尼思·艾倫·賴德爾;托馬斯·約瑟·梅戈
• 申請（專利權）人: 基思利儀器公司
• 主分類號: H03F3/45
• 分類號: H03F3/45;G01R15/00
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 吳秉芬

本發明與差動放大器的技術有關，特別是與工作在電阻區的結型場效應晶體管放大器有關。

差動放大器在此將作為電表的輸入級被描述;但是本發明可以應用于其它方面，如測量電壓時呈現高輸入阻抗的放大器和測量電流時呈現低輸入偏壓電流或泄放電流的放大器。

差動放大器經常用于測量電壓和電流，并且經常用在電表的輸入級。人們在技術上對于電表已十分了解，它通常主要用來測量直流電壓和電流，而且還包括許多參數的擴展測量，如電阻或頁載的測量。對于電壓的測量，該儀表的顯著特點是具有高輸入電阻，其典型值在10³到10¹⁵歐姆之間。這對于用普通數字伏特計（DVM）在可能引起過載的情況下測量具有高串連電阻電源的電壓來說是重要的。例如測量電化學電動勢或PH值時，電表要有高輸入電阻。

當電表用于測量電流時，它應呈現非常低的輸入偏壓電流（泄放電流），因為電表的微微安培檔的電流分辨能力可以在fA（10^-15A或aA10^-18A）的范圍內。電表微微安培檔的主要用途是靠跨接在與微微安培計串聯的電阻上的外加電壓來測量非常高的電阻，其阻值在10¹²到10¹⁶歐姆。

為了使電表的輸入級具有高輸入阻抗和低泄放電流，通常使用的輸入級由金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）組成。金屬氧化物半導體場效應晶體管作為差動放大器的輸入級，有時差動放大器被當作運算放大器或者OP-AMP。在提供給伊朗國王的美國專利????3，654，468號中已有把MOSFET????OP-AMP輸入級用于電表中的實例。具有這樣的輸入級的電表已呈現所希望的高輸入阻抗和低泄放（或輸入偏壓）電流。但是，由MOSFET晶體管所實現的高輸入阻抗主要取決于薄二氧化硅層或稱為柵絕緣層的絕緣特性。這樣的電路在呈現所希望的低輸入偏壓電流特性的同時，它還具有較差的過載特性，除非提供適當的保護電路。例如，30伏或者更高的輸入電壓瞬變態可能引起柵絕緣層的擊穿或者破壞。另外，這種MOSFET晶體管常常需要精細的補償，溫度補償，共模抑制，噪聲以及偏壓電流選擇，而這些補償和選擇的效果可能是間歇式的，低效率的。

已知過去使用JFET晶體管代替MOSFET晶體管作為電表的輸入級。這樣的JFET晶體管連接在差動放大器中，和MOSFET晶體管相比顯示了改進的電壓特性，但輸入偏壓電流轉高，例如，高10倍。而MOSFET輸入的呈現低偏壓電流，其數量級小于5fA（5×10^-5A）。另一方面，已知JFET輸入級在呈現非常好的電壓特性同時，其輸入偏壓電流達60fA。電表的輸入偏壓電流必須小于被測的輸入電流，這一點是非常重要的。對于已知JFET晶體管，象這樣大的輸入偏壓電流嚴重地限制了在電表中使用JFET輸入級的可能性。

因此，本發明的基本目的是提供用于電表中的JFET輸入級，其輸入級呈現高輸入阻抗并具有可以與上述MOSFET輸入級相匹敵的低泄放電流，而且不需要使用象MOSFET輸入級所要求的復雜的保護電路。

本發明進一步目的是提供用于JFET差動放大器的輸入級，其中具有接近先前技術的JFET源輸出電路的電壓特性和接近先前技術的MOSFET輸入級的輸入偏壓電流特性。

本發明進一步目的是提供使用JFET晶體管的輸入級，該晶體管加置偏壓使其工作，以此減少柵溝道泄漏，并且主要以電壓控制電阻器的方式工作而不是如先前技術的JFET電源跟隨器那樣的電流源方式工作。因此，提供高抗撓性以防止過載和靜電放電所引起的損壞以及低壓噪聲和低偏置漂移，與此同時使輸入偏壓電流最佳化。

根據本發明，上述和其它的發明目的包括使用一對JFET晶體管作為差動放大器的輸入級，和提供用于保持漏-源電壓（V_DS）低于V_GS-V_GSOFF電壓的偏置電路，以便降低V_OG和V_GS，因而進一步降低柵溝道泄漏。這樣，差動連接的JFET晶體管工作在電阻區而不是漏電流-相對源電壓特性曲線的飽和區。該JFET晶體管以電壓控制電阻器的方式工作，而不是以柵-源電壓（V_GS）電阻電流源的方式工作。

本發明上述和其它的目的和優點從下列最佳方法的描述連同附圖變得更明顯了。附圖是本文中的一部分，其中：

圖1是本發明可采用的電表方框圖說明：

圖2是用于圖1電表中電表運算放大器更詳盡的方框圖;