Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройствам формирования опорного напряжения, и может быть использовано при создании малошумящих источников стабильного напряжения постоянного тока.

Уровень техники

Известно устройство формирования опорного напряжения содержащее источник опорного напряжения и конденсатор, выполняющий роль фильтра низких частот ((http://www.datasheetarchive.com/MAX872-datesheet.html), (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1997 г. - 704 с., см. стр. 361)).

Недостатком данного устройства является значительный уровень шумов, прежде всего, низкочастотных

Неэффективность фильтра низких частот обусловлена невозможностью использования конденсаторов большой емкости в цепи фильтрации в силу ограниченности емкостной нагрузки источника опорного напряжения.

Известен мало-шумящий источник напряжения (low-noise voltage reference) выходной сигнал которого является разностным напряжением двух сигналов предварительно подвергнутых низкочастотной фильтрации и порождаемых «стабилитроном с напряжением запрещенной зоны». В основе процесса осуществления действий данного устройства (US 4795961 A (Unitrode corporation), 03.01.1989(5 л))), лежит система комбинированного цикла (Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М., «Машиностроение», 1973, 606 с. - с. 9). При этом, в качестве регулирующего воздействия, выступает сигнал цепи обратной связи (выход устройства, делитель напряжения 84, базы транзисторов 52, 62).

Недостатком данного устройства является значительный уровень шумов обусловленный тем, что стремление к уменьшению уровня шумов в области низких и инфранизких частот сопровождается повышением вероятности возникновения импульсных помех, в виду некорреллированности составляющих шума в сигналах снимаемых с коллекторов транзисторов 52, 62 и служащих основой для формирования выходного напряжения источника.

Известен источник опорного напряжения, SU 421002А (Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт научного приборостроения), 25.03.1974 (2 л)), который, согласно процесса осуществления действий, представляет собой систему замкнутого цикла (Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М., «Машиностроение», 1973, 606 с. - с. 9). При этом, в качестве регулирующего воздействия выступает сигнал цепи обратной связи (конденсатор 7, усилитель 5, резистор 6, RC-фильтр 4, а в качестве управляющего воздействия - выходное напряжение стабилизатора 1).

Недостатком данного устройства является значительный уровень шумов обусловленный тем, что фазовый сдвиг в цепи обратной связи порождает динамическую ошибку замкнутой системы регулирования и приводит к противоречию: стремление к уменьшению уровня шумов в области низких и инфранизких частот приводит к сохранению (неизменности) уровня высокочастотных шумов.

Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (патент RU 2422874, МПК G05F 3/08, 27.06.2011).

Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов содержит стабилизатор, конденсатор, вычитатель, при этом выход стабилизатора непосредственно и через конденсатор, соединен, соответственно, с первым и вторым входами вычитателя, выход которого является выходом устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.

Вычитатель содержит четыре резистора и операционный усилитель: выход операционного усилителя служит выходом вычитателя; неинвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора и второго резистора; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора и четвертого резистора; первые контакты первого резистора и третьего резистора являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя.

Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени фильтра высоких частот прототипа τ_{ФВЧ.прот} образованного конденсатором C1, первым и вторым резисторами R1, R2 вычитателя, а значит фазовый сдвиг шумовой составляющей прототипа ϕ_{ШС.прот}(ω), где ω - текущая частота, выделенной шумовой составляющей будет определяться зависимостью

При этом на τ_{ФВЧ.прот}, R₁ и R₂ накладываются условия:

где R₃, R₄ - сопротивление третьего и четвертого резисторов вычитателя.

Так как выполнение условия (3) (а именно: τ_{ФВЧ.прот} >>1 с), технически неосуществимо (увеличение номиналов элементов, с целью увеличения τ_{ФВЧ.прот}, приведет к неустойчивой работе как операционного усилителя вычитателя, так и стабилизатора), а значит, будет неполное подавление шумовой составляющей (в области инфранизких частот), или иначе говоря, будет узкополосная компенсация шумовой составляющей выходного напряжения стабилизатора, в силу возникающего фазового сдвига. В частности, моделирование процесса формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (выполненное в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12), в случае использования элементов с предельно допустимыми параметрами: С₁=1 мкФ; R₁=R₂=R₃=R₄=500 кОм; (τ_{ФВЧ.прот} =1 с), показало частотную зависимость как фазового сдвига шумовой составляющей прототипа ϕ_{ШС.прот}(ω), так и коэффициента подавления шума прототипа K_{ПШ.прот}(ω), таблица 1.

Мгновенный уровень выходного напряжения шума устройства прототипа U_ш.прот определяется выражением:

где U_ш.cт - мгновенный уровень шума стабилизатора;

U_{ш.ОУ.выч} - мгновенный уровень шума операционного усилителя (ОУ) вычитателя.

Исследования показали возможность понижения шума стабилизатора (в частности, ИМС:

- МАХ872 (http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73832/MAXIM/MAX872.html);

- ADR584 (chrome-extension://oemmndcbldboiebfnladdacbdfmadadm/http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD584.pdf),

при использовании в качестве ОУ вычитателя ИМС ОР07С, с эквивалентным входным шумом 0,38 мкВ (пик-пик) в полосе частот 0.1÷10 Гц (http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73497/MAXIM/OP07CCSA.html), таблица 2.

Недостатками устройства прототипа являются:

- значительный уровень шумовой составляющей инфранизкочастотного диапазона, при одновременно высоких требованиях к величине емкости конденсатора (в идеале, для постоянной времени τ_ФВЧ желательно выполнение условия: τ_ФВЧ >>1 с);

- инверсия полярности формируемого опорного напряжения относительно полярности выходного напряжения используемого стабилизатора.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к снижению уровня шумов и приведению полярности формируемого опорного напряжения к полярности выходного напряжения используемого стабилизатора.

Технический результат достигается тем, что в устройство формирования опорного напряжения содержащее стабилизатор, конденсатор, вычитатель, при этом выход стабилизатора подключен к первому контакту конденсатора и первому входу вычитателя, выход которого служит выходом устройства, введены, последовательно соединенные, масштабирующий повторитель напряжения, делить напряжения и повторитель напряжения, причем второй контакт конденсатора соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения, второй вход вычитателя соединен с выходом повторителя напряжения.

Масштабирующий повторитель напряжения содержит три резистора и операционный усилитель: неинвертирующий вход операционного усилителя, через первый резистор, соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, второго и третьего резистора; первый контакт второго резистора заземлен; второй контакт третьего резистора подключен к выходу операционного усилителя, служащего выходом масштабирующего повторителя напряжения.

Делить напряжения содержит два резистора: вход делителя напряжения подключен к первому контакту первого резистора; второй контакт первого резистора и первый контакт второго резистора, соединены с выходом делителя напряжения, второй контакт второго резистора заземлен.

Повторитель напряжения содержит операционный усилитель, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя подключен ко входу повторителя напряжения, инвертирующий вход операционного усилителя соединен с выходом операционного усилителя и выходом повторителя напряжения.

Вычитатель содержит четыре резистора и операционный усилитель: выход операционного усилителя служит выходом вычитателя; неинвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора и второго резистора; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора и четвертого резистора; первые контакты первого резистора и третьего резистора являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.

На фиг. 2 представлена функциональная схема масштабирующего повторителя напряжения.

На фиг. 3 представлена функциональная схема делителя напряжения.

На фиг. 4 представлена функциональная схема повторителя напряжения.

На фиг. 5 представлена функциональная схема вычитателя.

На фиг. 6 представлена модель устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов выполненная в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12.

Осуществление изобретения

Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, фиг.1, содержит стабилизатор 1, конденсатор 2, масштабирующий повторитель напряжения 3, делитель напряжения 4, повторитель напряжения 5, вычитатель 6, причем, выход стабилизатора 1 непосредственно соединен со вторым входом масштабирующего вычитателя 4, а через последовательно соединенные конденсатор 2, масштабирующий повторитель напряжения 3, делитель напряжения 4, повторитель напряжения 5, соединен с первым входом вычитателя 6, выход которого является выходом устройства.

Масштабирующий повторитель напряжения 3, фиг. 2, содержит три резистора 7÷9 и операционный усилитель 10, причем: неинвертирующий вход операционного усилителя 10, через резистор 7, соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения 3; инвертирующий вход операционного усилителя 10 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 8 и резистора 9; первый контакт резистора 8 заземлен; второй контакт резистора 9 подключен к выходу операционного усилителя 10, служащего выходом масштабирующего повторителя напряжения 3.

Делить напряжения 4, фиг. 3, содержит два резистора 11 и 12, причем: вход делителя напряжения 4 подключен к первому контакту резистора 11; второй контакт резистора 11 и первый контакт резистора 12, соединены с выходом делителя напряжения 4, второй контакт резистора 12 заземлен.

Повторитель напряжения 5, фиг. 4, содержит операционный усилитель 13, причем: неинвертирующий вход операционного усилителя 13 служит входом повторителя напряжения 5; выход операционного усилителя 13 служит выходом повторителя напряжения 5; инвертирующий вход операционного усилителя 13 соединен с выходом операционного усилителя 13.

Вычитатель 6, фиг. 5, содержит четыре резистора 14÷17 и операционный усилитель 18, причем: выход операционного усилителя 18 служит выходом вычитателя 6; неинвертирующий вход операционного усилителя 18 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 14 и резистора 15; инвертирующий вход операционного усилителя 18 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 16 и резистора 17; первые контакты резистора 14 и резистора 16 являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя 6; второй контакт резистора 15 заземлен; второй контакт резистора 17 подключен к выходу операционного усилителя 18.

Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов работает следующим образом.

Анализ работы устройства проведем с опорой на модель, фиг. 6, выполненную в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12. Отличительной особенностью модели является наличие: блока питания устройства (Blok_Pitania); сопротивления нагрузки устройства (резистор R10); электроизмерительных приборов (ХММ1, ХММ2, Amp1); осциллографа (XSC1).

Выходной сигнал стабилизатора 1, содержит шумовую составляющую U_ш.ст(ω), выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 2 (С1) и поступающую на вход масштабирующего повторителя напряжения 3.

Масштабирующий повторитель напряжения 3 выполнен по схеме неинвертирующего усилителя характеризуемого параметрами:

где R_вх.ОУ, K_ОУ - входное (дифференциальное) сопротивление и коэффициент усиления операционного усилителя (ОУ) 10;

R_вх.МПН, K_МПН - входное сопротивление и коэффициент усиления (передачи) масштабирующего повторителя напряжения 3;

R1₇, R2₈, R3₉ - 1÷3 резисторы (элементы 7÷9) масштабирующего повторителя напряжения 3, с сопротивлением 50 кОм, фиг. 4.

Мгновенный уровень шума U_ш.МПН(ω), на выходе масштабирующего повторителя напряжения 3, описывается выражением (6);

где U_{ш.ОУ.МПН}(ω) - мгновенный уровень шума операционного усилителя 10 масштабирующего повторителя напряжения 3.

Согласно принятым значениям сопротивлений резисторов R2₈, R3₉, имеет место соотношение:

Выделенная и преобразованная шумовая составляющая, с выхода масштабирующего повторителя напряжения 3, поступает на делитель напряжения 4 с коэффициентом деления:

где R4₁₁, R5₁₂ - 1 и 2 резисторы (элементы 11 и 12) делитель напряжения 4, с сопротивлением 500 Ом, фиг. 6, и далее на повторитель напряжения 5, выполняющего функции буферного каскада.

Согласно принятым значениям сопротивлений резисторов R4₁₁, R5₁₂, имеет место соотношение:

Мгновенный уровень шума U_ш.ПН(ω), на выходе повторителя напряжения 5, описывается выражением (10);

где U_ш.ОУ.ПН - мгновенный уровень шума операционного усилителя 13 повторителя напряжения 5.

Выходные сигналы повторителя напряжения 5 и стабилизатора 1 поступают на входы вычитателя 6, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.

На элементы вычитателя 6 накладывается условие:

где R6₁₄, R7₁₅, R8₁₆, R9₁₇ - 1÷4 резисторы (элементы 14÷17) вычитателя 6, фиг. 5, с сопротивлением 50 кОм, фиг. 6.

Мгновенный уровень выходного напряжения шума устройства U_ш (вычитателя 6), определяется выражением:

где U_{ш.ОУ.выч} - мгновенный уровень шума операционного усилителя 18 вычитателя 6;

K_ПШ - коэффициента подавления шума устройства.

В силу целесообразности использования одного и того же типа операционного усилителя в составе схем масштабирующего повторителя напряжения 3, повторителя напряжения 5 и вычитателя 6, а также с учетом выражений (7) и (9), выражение (12) примет вид:

где U_ш.ОУ - мгновенный уровень шума операционного усилителя используемого в составе схем масштабирующего повторителя напряжения 3, повторителя напряжения 5 и вычитателя 6.

Степень подавления шумовой составляющей в выходном напряжении устройства, в значительной мере, определяется постоянной времени фильтра высоких частот устройства τ_ФВЧ образованного конденсатором 2 и входным сопротивлением R_вх.МПН масштабирующего повторителя напряжения 3. При этом фазовый сдвиг шумовой составляющей стабилизатора 1, вносимый фильтром высоких частот устройства ϕ_ШС(ω), определяется выражением (14)

где

где С1₂ - емкость конденсатора С1, фиг. 6 (элемента 2, фиг. 1).

При этом на τ_ФВЧ накладывается условие:

Учитывая значительное входное сопротивление операционного усилителя 10 используемого в схеме масштабирующего повторителя напряжения 3 (например, ИМС ОР07С, с параметрами R_вх.ОУ=8÷33 МОм, K_ОУ=100÷120 дБ (10⁵÷10⁶) (http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73497/MAXIM/OP07CCSA.html), а также сопротивление резистора R1₇ (ограничивающее входной ток операционного усилителя 10), входное сопротивление масштабирующего повторителя напряжения 3-R_вх.МПН значительно превышает 1 ГОм (даже с учетом токов утечки). Что, в свою очередь, обеспечивает выполнение условий как (16), так и (17)

И способствует лучшему подавлению шумовой составляющей (особенно в области инфранизких частот) в выходном сигнале предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.

Поступление сигналов с выхода стабилизатора 1 на первый вход вычитателя 6 (неинвертирующий вход операционного усилителя 18) и с выхода повторителя напряжения 5 на второй вход вычитателя 6 (инвертирующий вход операционного усилителя 18) обеспечивает приведение полярности формируемого опорного напряжения к полярности выходного напряжения используемого стабилизатора.

Моделирование процесса формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (выполненное в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12), с использованием в составе схем масштабирующего повторителя напряжения 3, повторителя напряжения 5 и вычитателя 6, ОУ ИМС ОР07С (R_вх.МПН ≈1 ГОм) и конденсатора 2 емкостью С1₂=0,1 мкФ (τ_ФВЧ=100 с), ), а так же 0,01 мкФ (τ_ФВЧ=10 с), показало

Исследования показали возможность понижения шума стабилизатора (в частности, ИМС МАХ872, ADR584 при использовании в качестве ОУ ИМС ОР07С, и конденсатора 2 с емкостью С1₂=0,1 мкФ, таблица 4.

Как следует из анализа данных таблиц 1÷4, предлагаемое устройство обеспечивает наиболее значительное снижение уровня шумовой составляющей выходного сигнала в инфранизкочастотном диапазоне, при одновременном снижении требований к величине емкости конденсатора 2.