Высокоимпедансный вольтметр на основе логических элементов

Raju Baddi

EDN

Описанную в этой статье схему можно использовать для оценки напряжений, падающих на сопротивлениях от 10 до 100 МОм. Она также работает с обратносмещенными диодами. Обычные КМОП логические элементы на Рисунке 1 имеют входное напряжение порога, при пересечении которого выходное напряжение меняется c «лог. 0» на «лог. 1» и наоборот. Пороговое напряжение зависит от напряжения источника питания (Рисунок 2). Поскольку входное сопротивление любого КМОП логического элемента (ЛЭ) очень высоко, входные токи составляют примерно 0.01 нА. Для сравнения: если к сопротивлению 100 МОм приложить напряжение 5 В, получим ток 50 нА. Это означает, что вход логического элемента может быть подключен к точке, в которой он потребляет незначительное количество тока.

Рисунок 1.	Использование КМОП логических элементов и регулируемого источника питания для поиска неизвестного напряжения.

Чтобы получить желаемое пороговое напряжение КМОП логического элемента, можно изменять его напряжение питания. Если к одному из входов ЛЭ приложить неизвестное напряжение, а затем подключить другой вход к источнику положительного напряжения, можно изменять напряжение питания V_S, пока не будет достигнута точка, в которой пороговое напряжение входа сравняется с неизвестным напряжением.

Рисунок 2.	Пороговое напряжение логического элемента почти линейно зависит от напряжения источника питания.

В этот момент уровень выхода измерительного логического элемента IC_1A изменяется с «лог. 0» на «лог. 1». Напряжение, при котором происходит переключение ЛЭ, неизвестно; его можно оценить, используя график зависимости порогового напряжения от напряжения питания на Рисунке 2. Аппроксимируя экспериментально полученные точки параболой или полиномом (скажем, 20 точек, снятых в диапазоне напряжений питания от 2 до 15 В), можно получить оценочное значение порогового напряжение V_T для любого напряжения питания. Схема была собрана и испытана.