[其他]结型场效应晶体管电阻式差动放大器

说明书

本发明与差动放大器的技术有关，特别是与工作在电阻区的结型场效应晶体管放大器有关。

差动放大器在此将作为电表的输入级被描述;但是本发明可以应用于其它方面，如测量电压时呈现高输入阻抗的放大器和测量电流时呈现低输入偏压电流或泄放电流的放大器。

差动放大器经常用于测量电压和电流，并且经常用在电表的输入级。人们在技术上对于电表已十分了解，它通常主要用来测量直流电压和电流，而且还包括许多参数的扩展测量，如电阻或页载的测量。对于电压的测量，该仪表的显著特点是具有高输入电阻，其典型值在10³到10¹⁵欧姆之间。这对于用普通数字伏特计（DVM）在可能引起过载的情况下测量具有高串连电阻电源的电压来说是重要的。例如测量电化学电动势或PH值时，电表要有高输入电阻。

当电表用于测量电流时，它应呈现非常低的输入偏压电流（泄放电流），因为电表的微微安培档的电流分辨能力可以在fA（10^-15A或aA10^-18A）的范围内。电表微微安培档的主要用途是靠跨接在与微微安培计串联的电阻上的外加电压来测量非常高的电阻，其阻值在10¹²到10¹⁶欧姆。

为了使电表的输入级具有高输入阻抗和低泄放电流，通常使用的输入级由金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）组成。金属氧化物半导体场效应晶体管作为差动放大器的输入级，有时差动放大器被当作运算放大器或者OP-AMP。在提供给伊朗国王的美国专利    3，654，468号中已有把MOSFET    OP-AMP输入级用于电表中的实例。具有这样的输入级的电表已呈现所希望的高输入阻抗和低泄放（或输入偏压）电流。但是，由MOSFET晶体管所实现的高输入阻抗主要取决于薄二氧化硅层或称为栅绝缘层的绝缘特性。这样的电路在呈现所希望的低输入偏压电流特性的同时，它还具有较差的过载特性，除非提供适当的保护电路。例如，30伏或者更高的输入电压瞬变态可能引起栅绝缘层的击穿或者破坏。另外，这种MOSFET晶体管常常需要精细的补偿，温度补偿，共模抑制，噪声以及偏压电流选择，而这些补偿和选择的效果可能是间歇式的，低效率的。

已知过去使用JFET晶体管代替MOSFET晶体管作为电表的输入级。这样的JFET晶体管连接在差动放大器中，和MOSFET晶体管相比显示了改进的电压特性，但输入偏压电流转高，例如，高10倍。而MOSFET输入的呈现低偏压电流，其数量级小于5fA（5×10^-5A）。另一方面，已知JFET输入级在呈现非常好的电压特性同时，其输入偏压电流达60fA。电表的输入偏压电流必须小于被测的输入电流，这一点是非常重要的。对于已知JFET晶体管，象这样大的输入偏压电流严重地限制了在电表中使用JFET输入级的可能性。

因此，本发明的基本目的是提供用于电表中的JFET输入级，其输入级呈现高输入阻抗并具有可以与上述MOSFET输入级相匹敌的低泄放电流，而且不需要使用象MOSFET输入级所要求的复杂的保护电路。

本发明进一步目的是提供用于JFET差动放大器的输入级，其中具有接近先前技术的JFET源输出电路的电压特性和接近先前技术的MOSFET输入级的输入偏压电流特性。

本发明进一步目的是提供使用JFET晶体管的输入级，该晶体管加置偏压使其工作，以此减少栅沟道泄漏，并且主要以电压控制电阻器的方式工作而不是如先前技术的JFET电源跟随器那样的电流源方式工作。因此，提供高抗挠性以防止过载和静电放电所引起的损坏以及低压噪声和低偏置漂移，与此同时使输入偏压电流最佳化。

根据本发明，上述和其它的发明目的包括使用一对JFET晶体管作为差动放大器的输入级，和提供用于保持漏-源电压（V_DS）低于V_GS-V_GSOFF电压的偏置电路，以便降低V_OG和V_GS，因而进一步降低栅沟道泄漏。这样，差动连接的JFET晶体管工作在电阻区而不是漏电流-相对源电压特性曲线的饱和区。该JFET晶体管以电压控制电阻器的方式工作，而不是以栅-源电压（V_GS）电阻电流源的方式工作。

本发明上述和其它的目的和优点从下列最佳方法的描述连同附图变得更明显了。附图是本文中的一部分，其中：

图1是本发明可采用的电表方框图说明：

图2是用于图1电表中电表运算放大器更详尽的方框图;