Результат интеллектуальной деятельности: Устройство формирования двухполярного 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

Известен двухполярный источник напряжения (Авторское свидетельство СССР №1297028, Кл. G05F 1/56, 1985) содержащий два линейных стабилизатора напряжения компенсационного типа, шесть резисторов и операционный усилитель.

Недостатком данного устройства является значительный уровень шумов.

Известен двухполярный источник напряжения (Авторское свидетельство СССР №875362, Кл. G05F 1/56, 1981) содержащий стабилизаторы напряжения положительной и отрицательной полярности, выполненные соответственно на первом и втором операционных усилителях, при этом выходы усилителей являются выходами соответствующих стабилизаторов напряжения, выход первого усилителя через стабилитрон и резистор соединен соответственно с инвертирующими входами первого и второго усилителей, выход и инвертирующий вход второго усилителя через резисторы соединены с неинвертирующим входом первого усилителя, а неинвертирующий вход второго усилителя соединен с общим выводом источника, инвертирующий вход первого усилителя, через резистор, подключен к выходу второго усилителя.

Недостатком данного двухполярного источника напряжения является значительный уровень шумов.

Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (патент RU 2428736, МПК G05F 3/08, 2011).

Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов содержит источник опорного напряжения, два конденсатора, два вычитателя, инвертор, причем: выход источника опорного напряжения подключен непосредственно к первому контакту первого конденсатора, второму входу первого вычитателя и через инвертор к первому контакту второго конденсатора, второму входу второго вычитателя; первые входы первого вычитателя и второго вычитателя подключены, соответственно, ко вторым контакам первого конденсатора и второго конденсатора; выходы первого и второго вычитателей являются выходами устройства.

Первый и второй вычитатели содержат по четыре резистора и операционному усилителю: 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 вычитателей; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя.

Инвертор содержит три резистора и операционный усилитель: выход операционного усилителя служит выходом инвертора; неинвертирующий вход операционного усилителя, через первый резистор, заземлен; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, второго резистора и третьего резистора; второй контакт третьего резистора подключен к выходу операционного усилителя; первый контакт второго резистора является входом инвертора.

Схема устройства формирования двухполярного опорного напряжения по выходу «+» и по выходу «-» в некоторой степени симметрична. Подавление шумовой составляющей по каждому из выходов, в значительной мере, определяется постоянными времени фильтров высоких частот прототипа τ_{ФВЧ.прот} образованных:

- по выходу «-» первым конденсатором С1, первым и вторым резисторами R1, R2 первого вычитателя;

- по выходу «+» вторым конденсатором С2, первым и вторым резисторами R8, R9 второго вычитателя,

а значит фазовый сдвиг шумовой составляющей по каждому из выходов прототипа ϕ_{ШС.прот}(ω), где ω - текущая частота, выделенной шумовой составляющей будет определяться зависимостью

При этом на τ_{ФВЧ.прот}, для успешного подавления шумов, накладывается условие:

Так как выполнение условия (3) технически неосуществимо (увеличение номиналов элементов, с целью увеличения τ_{ФВЧ.прот}, приведет к неустойчивой работе операционных усилителей вычитателей), а значит, будет неполное подавление шумовой составляющей (в области инфранизких частот), или иначе говоря, будет узкополосная компенсация шумовой составляющей выходных напряжений «-» и «+» источника опорного напряжения, в силу возникающего фазового сдвига. В частности, моделирование процесса формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (выполненное в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12), в случае использования элементов с параметрами: С₁=С₂=1 мкФ; R₁=R₂=R₈=R₉=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 «-» и «+» шума устройства прототипа U_ш.прот определяется выражением:

где U_ш.ИОН - мгновенный уровень шума источника опорного напряжения (ИОН);

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

U_{ш.ОУ.инв}(ω) - мгновенный уровень шума ОУ инвертора.

Исследования показали возможность понижения шума ИОН (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 вычитателей и инвертора 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.

Недостатком устройства прототипа является значительный уровень шумовой составляющей инфранизкочастотного диапазона, при одновременно высоких требованиях к величине емкости конденсаторов (в идеале, для постоянных времени τ_ФВЧ желательно выполнение условия: τ_ФВЧ>>1 с).

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к снижению уровня шумов.

Технический результат достигается тем, что в устройство формирования двухполярного опорного напряжения содержащее источник опорного напряжения, инвертор, два конденсатора, при этом: выход источника опорного напряжения подключен непосредственно к первому контакту первого конденсатора и, через инвертор, к первому контакту второго конденсатора, введены два масштабирующих повторителя напряжения и два масштабирующих вычитателя, при этом: вторые контакты конденсаторов, через масштабирующие повторители напряжения, подключены к первым входам масштабирующих вычитателей; выходы первого и второго масштабирующих вычитателей являются выходами устройства, соответственно, «-» и «+»; вторые входы первого и второго масштабирующих вычитателей подключены, соответственно, ко входу и выходу инвертора.

Первый и второй масштабирующие повторители напряжения содержат по три резистора и операционному усилителю, при этом: 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.

Первый и второй масштабирующие вычитатели содержат по четыре резистора и операционному усилителю, при этом: выход операционного усилителя служит выходом масштабирующего 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 масштабирующих вычитателей; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя.

Инвертор содержит три резистора и операционный усилитель, при этом: выход операционного усилителя служит выходом инвертора; неинвертирующий вход операционного усилителя, через первый резистор, заземлен; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, второго резистора и третьего резистора; второй контакт третьего резистора подключен к выходу операционного усилителя; первый контакт второго резистора является входом инвертора.

Краткое описание чертежей

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

На фиг. 2 и 5 представлены функциональные схемы, соответственно, первого и второго масштабирующих повторителей напряжения.

На фиг. 3 и 6 представлены функциональные схемы, соответственно, первого и второго масштабирующих вычитателей.

На фиг. 4 представлена функциональная схема инвертора.

На фиг. 7 представлена модель устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов выполненная в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12.

Осуществление изобретения

Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, фиг. 1, содержит источник опорного напряжения (ИОН) 1, конденсаторы 2 и 6, масштабирующие повторители напряжения 3 и 7, масштабирующие вычитатели 4 и 8, инвертор 5, причем: выход источника опорного напряжения 1 подключен непосредственно к первому контакту первого конденсатора 2, второму входу масштабирующего вычитателя 4 и, через инвертор 5, к первому контакту второго конденсатора 6, второму входу масштабирующего вычитателя 8; второй контакт первого конденсатора 2 соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения 3, выход которого подключен к первому входу масштабирующего вычитателя 4; второй контакт второго конденсатора 6 соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения 7, выход которого подключен к первому входу масштабирующего вычитателя 8.

Масштабирующий повторитель напряжения 3, фиг. 2, содержит три резистора 9÷11 и операционный усилитель 12, причем: неинвертирующий вход операционного усилителя 12, через резистор 9, соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения 3; инвертирующий вход операционного усилителя 12 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 10 и резистора 11; первый контакт резистора 10 заземлен; второй контакт резистора 11 подключен к выходу операционного усилителя 12, служащего выходом масштабирующего повторителя напряжения 3.

Масштабирующий вычитатель 4, фиг. 3, содержит четыре резистора 13÷16 и операционный усилитель 17, при этом: выход операционного усилителя 17 служит выходом масштабирующего вычитателя 4; неинвертирующий вход операционного усилителя 17 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора 13 и второго резистора 14; инвертирующий вход операционного усилителя 17 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора 15 и четвертого резистора 16; первые контакты первого резистора 13 и третьего резистора 15 являются, соответственно, первым и вторым входами масштабирующего вычитателя 4; второй контакт второго резистора 14 заземлен; второй контакт четвертого резистора 16 подключен к выходу операционного усилителя 17.

Инвертор 5, фиг. 4, содержит три резистора 18÷20 и операционный усилитель 21, при этом: выход операционного усилителя 21 служит выходом инвертора 5; неинвертирующий вход операционного усилителя 21, через первый резистор 18, заземлен; инвертирующий вход операционного усилителя 21 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, второго резистора 19 и третьего резистора 20; второй контакт третьего резистора 20 подключен к выходу операционного усилителя 21; первый контакт второго резистора 19 является входом масштабирующего инвертора 4.

Масштабирующий повторитель напряжения 7, фиг. 5, содержит три резистора 22÷24 и операционный усилитель 25, причем: неинвертирующий вход операционного усилителя 25, через резистор 22, соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения 7; инвертирующий вход операционного усилителя 25 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 23 и резистора 24; первый контакт резистора 23 заземлен; второй контакт резистора 24 подключен к выходу операционного усилителя 25, служащего выходом масштабирующего повторителя напряжения 7.

Масштабирующий вычитатель 8, фиг. 6, содержит четыре резистора 26÷29 и операционный усилитель 30, при этом: выход операционного усилителя 30 служит выходом масштабирующего вычитателя 8; неинвертирующий вход операционного усилителя 30 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора 26 и второго резистора 27; инвертирующий вход операционного усилителя 30 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора 28 и четвертого резистора 29; первые контакты первого резистора 26 и третьего резистора 28 являются, соответственно, первым и вторым входами масштабирующего вычитателя 8; второй контакт второго резистора 27 заземлен; второй контакт четвертого резистора 29 подключен к выходу операционного усилителя 30.

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

Анализ работы устройства проведем с опорой на модель, фиг. 7, выполненную в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12. Отличительной особенностью модели является наличие: блока питания устройства (Blok_Pitania); сопротивлений нагрузки устройства (резисторы R12 и R13); электроизмерительных приборов (ХММ1, ХММ2, ХММ3, ХММ4, Amp1, Amp2); осциллографов (XSC1, XSC2).

Выходной сигнал ИОН 1 U_ИОН, фиг. 1, содержит шумовую составляющую U_ш.ИОН(ω) 1 выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 2 (С1, фиг. 7) 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) 12;

R_вх.МПН3, K_МПН3 - входное сопротивление и коэффициент усиления (передачи) масштабирующего повторителя напряжения 3;

R1₉, R2₁₀, R3₁₁ - 1÷3 резисторы (элементы 9÷11) масштабирующего повторителя напряжения 3, фиг. 2, с сопротивлением 50 кОм, фиг. 7.

Мгновенный уровень шума U_ш.МПН3(ω), на выходе масштабирующего повторителя напряжения 3, описывается выражением (6);

где U_{ш.ОУ.МПН3}(ω) - мгновенный уровень шума ОУ 8 масштабирующего повторителя напряжения 3.

Согласно принятым значениям сопротивлений резисторов R2₁₀, R3₁₁, имеет место соотношение:

Выделенная и преобразованная шумовая составляющая, с выхода масштабирующего повторителя напряжения 3, и выходной сигнал ИОН 1 поступают на входы масштабирующего вычитателя 4, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.

Масштабирующий вычитатель 4 выполнен по схеме вычитателя - усилителя, на элементы которого накладывается условие:

где R4₁₃, R5₁₄, R6₁₅, R7₁₆ - 1÷4 резисторы (элементы 13÷16) масштабирующего вычитателя 4, фиг. 3, с сопротивлением 50 кОм у резисторов R5₁₄, R6₁₅, R7₁₆ и 150 кОм (с учетом выражения (7)) у резистора R4₁₃, фиг. 7.

Мгновенный уровень выходного напряжения шума устройства (масштабирующего вычитателя 4) по выходу «-» , определяется выражением:

где U_{ш.ОУ.выч.4} - мгновенный уровень шума ОУ 17 масштабирующего вычитателя 4;

- коэффициента подавления шума устройства по выходу «-».

В силу целесообразности использования одного и того же типа операционного усилителя в составе схем масштабирующего повторителя напряжения 3 и масштабирующего вычитателя 4, а также с учетом выражения (7), выражение (9) примет вид:

где U_ш.ОУ - мгновенный уровень шума ОУ используемого в составе схем масштабирующего повторителя напряжения 3 и масштабирующего вычитателя 4.

Степень подавления шумовой составляющей по выходу «-» устройства, в значительной мере, определяется постоянной времени фильтра высоких частот , образованного конденсатором 2 (С1₂) и входным сопротивлением R_вх.МПН3 масштабирующего повторителя напряжения 3. При этом фазовый сдвиг шумовой составляющей ИОН1, по выходу «-», определяется выражением (11)

где

а на накладывается условие:

Учитывая значительное входное сопротивление операционного усилителя 12 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, входное сопротивление масштабирующего повторителя напряжения 3 R_вх.МПН3 значительно превышает 1 ГОм (даже с учетом токов утечки). Что, в свою очередь, обеспечивает выполнение условий как (13), так и (14)

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

Инвертор 5 осуществляет инвертирование выходного сигнала источника опорного напряжения 1 с коэффициентом передачи равным единице. Сопротивления резисторов инвертора 5 задаются согласно условию:

где R8₁₈ - первый резистор (элементы 18) инвертора 5, фиг. 4, с сопротивлением 25 кОм, фиг. 7.

R9₁₉, R10₂₀ - второй и третий резисторы (элементы 19 и 20) инвертора 5, фиг. 4, с сопротивлением 50 кОм, фиг. 7.

Выходной сигнал инвертора 5 U_инв, фиг. 1, содержит шумовую составляющую, выделяемую с помощью конденсатора 6 (С2, фиг. 7) и поступающую на вход масштабирующего повторителя напряжения 7.

Масштабирующий повторитель напряжения 7 выполнен по схеме не-инвертирующего усилителя характеризуемого параметрами:

где R_вх.ОУ, K_ОУ - входное (дифференциальное) сопротивление и коэффициент усиления операционного усилителя (ОУ) 25;

R_вх.МПН7, K_МПН7 - входное сопротивление и коэффициент усиления (передачи) масштабирующего повторителя напряжения 7;

R11₂₂, R12₂₃, R13₂₄ - 1÷3 резисторы (элементы 22÷24) масштабирующего повторителя напряжения 7, фиг. 5, с сопротивлением 50 кОм, фиг. 7.

Мгновенный уровень шума U_ш.МПН7(ω), на выходе масштабирующего повторителя напряжения 7, описывается выражением (17);

где U_{ш.ОУ.МПН7}(ω) - мгновенный уровень шума ОУ 25 масштабирующего повторителя напряжения 7;

U_{ш.ОУ.инв}(ω) - мгновенный уровень шума ОУ 21 инвертора 5.

Согласно принятым значениям сопротивлений резисторов R12₂₃, R13₂₄, имеет место соотношение:

Выделенная и преобразованная шумовая составляющая, с выхода масштабирующего повторителя напряжения 7, и выходной сигнал инвертора 5 поступают на входы масштабирующего вычитателя 8, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.

Масштабирующий вычитатель 8 выполнен по схеме вычитателя - усилителя, на элементы которого накладывается условие:

где R14₂₆, R15₂₇, R16₂₈, R17₂₉ - 1÷4 резисторы (элементы 26÷29) масштабирующего вычитателя 8, фиг. 6, с сопротивлением 50 кОм у резисторов R15₂₇, R16₂₈, R17₂₉ и 150 кОм (с учетом выражения (18)) у резистора R14₂₆, фиг. 7.

Мгновенный уровень выходного напряжения шума устройства (масштабирующего вычитателя 8) по выходу «+» , определяется выражением:

где U_{ш.ОУ.выч.8} - мгновенный уровень шума ОУ 30 масштабирующего вычитателя 4;

- коэффициента подавления шума устройства по выходу «+».

В силу целесообразности использования одного и того же типа операционного усилителя в составе схем масштабирующего повторителя напряжения 7 и масштабирующего вычитателя 8, а также с учетом выражения (18), выражение (20) примет вид:

где U_ш.ОУ - мгновенный уровень шума ОУ используемого в составе схем масштабирующего повторителя напряжения 7 и масштабирующего вычитателя 8.

Степень подавления шумовой составляющей по выходу «+» устройства, в значительной мере, определяется постоянной времени фильтра высоких частот , образованного конденсатором 6 (С2₆) и входным сопротивлением R_вх.МПН7 масштабирующего повторителя напряжения 7. При этом фазовый сдвиг шумовой составляющей ИОН1, по выходу «+», определяется выражением (22)

где

а на накладывается условие:

Учитывая значительное входное сопротивление операционного усилителя 25 используемого в схеме масштабирующего повторителя напряжения 7 (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), входное сопротивление масштабирующего повторителя напряжения 7 R_вх.МПН7 значительно превышает 1 ГОм (даже с учетом токов утечки). Что, в свою очередь, обеспечивает выполнение условий как (22), так и (23)

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

Моделирование процесса формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (выполненное в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12), с использованием в составе схем инвертора 5, масштабирующих повторителей напряжения 3 и 7, масштабирующих вычитателей 4 и 8 ОУ ИМС ОР07С (R_вх.МПН≈1 ГОм) и конденсаторов 2 и 6 емкостью С1₂=С2₆=0,1 мкФ (τ_ФВЧ=100 с), а так же 0,01 мкФ (τ_ФВЧ=10 с), показало

Исследования показали возможность понижения шума ИОН (в частности, ИМС МАХ872, ADR584, при использовании в качестве ОУ ИМС ОР07С, и конденсаторов 2 и 6 с емкостью С1₂=С2₆=0,1 мкФ, таблица 4.

Как следует из анализа данных таблиц 1÷4, предлагаемое устройство обеспечивает наиболее значительное снижение уровня шумовой составляющей выходных сигналов в инфранизкочастотном диапазоне, при одновременном снижении требований к величине емкости конденсатора 2 и 6.