Источник опорных напряжений
Владельцы патента RU 2251139:
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к электротехнике для формирования опорных, эталонных напряжений в аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователях. Технический результат заключается в упрощении устройства. Источник опорных напряжений содержит первый и второй усилители (У) (5, 6), два источника питания (7, 8) противоположной полярности, первый и второй резисторы (Р) (1, 2), соединенные последовательно и включенные между общей точкой ИП (7, 8) и инвертирующим входом У (5), соединенным с выходом У (6), и последовательно соединенные третий и четвертый Р (3, 4), которые подключены к средней точке Р (1, 2) и к выходу У (5), инвертирующий вход У (6) соединен со средней точкой Р (3, 4), а неинвертирующие входы У (5, 6) соединены с общей точкой ИП (7, 8). В качестве первого или четвертого Р (1) или (4) включен нелинейный элемент, имеющий вольт-амперную характеристику стабилизатора напряжения. В качестве Р (2) или (3) включен нелинейный элемент, имеющий вольт-амперную характеристику стабилизатора тока. 1 з.п. ф-лы. 4 ил.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано, в частности, для формирования опорных, эталонных напряжений в аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователях.
Известно устройство задания опорного напряжения на основе стабилитрона, в котором стабилитрон и балластный резистор включены в одно из плеч моста, в качестве другого плеча моста служат два соединенных последовательно резистора. Мост уравновешен путем охвата его отрицательной обратной связью посредством дифференциального усилителя постоянного тока (П.Хоровиц, У.Хилл, Искусство схемотехники, М., “Мир”, 1998 г., с.351).
Известен термоанемометр постоянной температуры, содержащий первую цепочку, состоящую из двух последовательно соединенных сопротивлений R1, R2, одно из которых является чувствительным элементом, вторую цепочку, состоящую из двух последовательно соединенных сопротивлений R3, R4, первый и второй усилители, причем к выходу первого усилителя подключена первая цепочка, другой конец цепочки соединен с общей точкой питания, к которой также подсоединены неинвертирующие входы усилителей, к точке соединения сопротивлений первой цепочки подсоединена вторая цепочка, другой конец которой соединен с выходом второго усилителя, вход которого подключен к выходу первого усилителя, инвертирующий вход первого усилителя подключен к точке соединения сопротивлений второй цепочки, причем условие баланса описывается выражением: KR1R3=R2(R4-KR3-KR1), (RU 2137139, С1, 10.09. 1999 г.).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому источнику является двухполярный источник напряжения, 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 второго усилителя через резисторы соединен со входом первого усилителя, а неинвертирующий вход второго усилителя соединен с общим выводом источника, причем между неинвертирующим входом первого усилителя и инвертирующим входом второго усилителя введен дополнительный резистор (SU, А.С. СССР №875362, 23.10.81).
Недостатком известного устройства является ограничение функциональных возможностей за счет использования только одного элемента с вольт-амперной характеристикой стабилизатора напряжения (стабилитрона) и сравнительная сложность.
Техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства за счет использования в нем элементов с вольт-амперными характеристиками как стабилизатора напряжения, так и стабилизатора тока, а также упрощение устройства.
Технический результат достигается тем, что в источнике опорных напряжений, содержащем первый и второй усилители, два источника питания, первый и второй резисторы, соединенные последовательно и включенные между общей точкой источников питания и инвертирующим входом первого усилителя, соединенным с выходом второго усилителя и последовательно соединенные третий и четвертый резисторы, которые подключены к средней точке первого и второго резисторов и к выходу первого усилителя, инвертирующий вход второго усилителя соединен со средней точкой второго и третьего резисторов, а неинвертирующие входы усилителей соединены с общей точкой источников питания, при этом в качестве первого или четвертого резисторов включен нелинейный элемент, имеющий вольт-амперную характеристику стабилизатора напряжения.
Кроме того, в другом случае вместо второго или третьего резисторов включен элемент, имеющий вольт-амперную характеристику стабилизатора тока.
На фиг.1 приведена схема источника опорных напряжений с элементом, имеющим вольт-амперную характеристику стабилизатора напряжения.
Устройство содержит резисторы 1, 2, 3, 4, усилители 5, 6, источники питания 7, 8.
Пусть в качестве первого резистора включен нелинейный элемент, имеющий вольт-амперную характеристику стабилизатора напряжения - стабилитрон. Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения от источников питания 7, 8 на усилители 5, 6 выходное напряжение усилителя 6 поступает на цепочку, состоящую из стабилитрона 1 и второго резистора. После “пробоя” стабилитрона его статическое сопротивление R1=Uст/I, где R1 - статическое сопротивление стабилитрона, Uст, I - соответственно напряжение и ток стабилитрона, благодаря нелинейности вольт-амперной характеристики (фиг.3) будет изменяться (уменьшаться) до тех пор, пока мостовое устройство, образованное стабилитроном 1 и резисторами 2, 3, 4, не уравновесится: KR1·R3=R2(R4-KR3-KR1), (1) где К - коэффициент передачи усилителя 5, R1 - статическое сопротивление стабилитрона, R2, R3, R4 - соответственно величины сопротивлений второго, третьего и четвертого резисторов. По достижении равновесия указанного моста на выходах усилителей 5, 6 установятся опорные напряжения противоположной полярности. Для того чтобы обеспечить высокую стабильность источнику опорных напряжений, величину сопротивления резистора 2 выбирают такой, чтобы ток, протекающий через стабилитрон, соответствовал термостабильной точке его вольт-амперной характеристики. В результате выходные напряжения источника будут иметь метрологические параметры, практически не уступающие параметрам стабилитрона. Если согласно уравнению (1) установить коэффициент передачи усилителя 5 К=1, выходные напряжения источника будут равны между собой (по модулю) и противоположны по знаку. Если К≠1, то для каждого значения “К” на выходах источника будут устанавливаться соответствующие значения напряжений в широких пределах, в том числе на выходе усилителя 5 напряжение отрицательной полярности может быть меньшим (по модулю), чем напряжение “пробоя” стабилитрона.
Аналогичным образом устройство работает и в случае использования в качестве резистора R4 элемента, имеющего вольт-амперную характеристику стабилизатора напряжения.
На фиг.2 приведена схема устройства, реализующая источник опорных напряжений с использованием элемента, имеющего вольт-амперную характеристику стабилизатора тока, в данном примере - полевого триода.
Устройство содержит резисторы 1, 2, 3, 4, дифференциальные усилители 5, 6, источники питания 7, 8, причем в качестве второго или третьего резисторов включен элемент 3, имеющий вольт-амперную характеристику стабилизатора тока, например полевой триод. Рассмотрим случай, когда полевой триод включен в устройстве вместо второго резистора. Устройство работает следующим образом. При подаче на усилители 5, 6 напряжений от источников 7, 8 выходной ток усилителя 6 потечет через первый резистор и полевой триод 2. Благодаря нелинейности вольт-амперной характеристики полевого триода (см. фиг.4) его сопротивление R2=U/Iст, где U - выходное напряжение усилителя 6, Iст - ток полевого триода, будет изменяться до тех пор, пока не произойдет уравновешивание мостового устройства, состоящего из полевого триода 2 (R2) и сопротивлений резисторов 1, 3, 4. Как и ранее, уравнение равновесия имеет вид (1).
При этом на выходах усилителей 5, 6 при К=1 установятся равные (по модулю) опорные напряжения противоположной полярности. Сопротивление 1 выбирается такой величины, чтобы ток полевого триода соответствовал термостабильной точке его вольт-амперной характеристики. При величине коэффициента передачи усилителя 5 К≠1 выходные напряжения источника опорных напряжений так же, как это описано выше, могут принимать различные значения.
Аналогичным образом источник опорных напряжений будет работать в случае включения элемента, имеющего вольт-амперную характеристику стабилизатора тока (полевого триода) в качестве третьего резистора.
Предложенный источник опорного напряжения по схеме проще прототипа и может быть построен не только на основе стабилитрона, но и на основе полевого триода.
Таким образом, применение в данном предложении нелинейных элементов, имеющих характеристики стабилизаторов напряжения или тока (помимо упомянутых это могут быть стабисторы, термисторы, газоразрядные стабилизаторы, барретеры и др.), расширяет функциональные возможности устройства. Кроме того, оно проще ближайшего аналога (содержит меньше резисторов). По схеме предложенного устройства могут конструироваться двухполярные вторичные источники питания, а также прецизионные эталонные источники напряжений для аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей.
1. Источник опорных напряжений, содержащий первый и второй усилители, два источника питания противоположной полярности, первый и второй резисторы, соединенные последовательно и включенные между общей точкой источников питания и инвертирующим входом первого усилителя, соединенным с выходом второго усилителя, и последовательно соединенные третий и четвертый резисторы, которые подключены к средней точке первого и второго резисторов и к выходу первого усилителя, инвертирующий вход второго усилителя соединен со средней точкой второго и третьего резисторов, а неинвертирующие входы усилителей соединены с общей точкой источников питания, отличающийся тем, что в качестве первого или четвертого резисторов включен нелинейный элемент, имеющий вольт-амперную характеристику стабилизатора напряжения.
2. Источник опорных напряжений по п.1, отличающийся тем, что в качестве второго или третьего резисторов включен нелинейный элемент, имеющий вольт-амперную характеристику стабилизатора тока.
