Стабилизатор напряжения с малым уровнем шумов

Изобретение относится к источникам электропитания. Технический результат: уменьшение уровня выходных шумов стабилизатора напряжения. Для этого предложен стабилизатор напряжения с малым уровнем шумов, содержащий регулирующий элемент с инвертирующим и неинвертирующим управляющими входами и выходом, соединенным с выходом устройства и входом резистивного делителя напряжения, выход резистивного делителя напряжения связан с инвертирующим входом дифференциального усилителя сигнала рассогласования, источник опорного напряжения, подключенный к неинвертирующему входу дифференциального усилителя сигнала рассогласования, первый токовый выход дифференциального усилителя сигнала рассогласования, связанный с инвертирующим управляющим входом регулирующего элемента, второй токовый выход дифференциального усилителя сигнала рассогласования, связанный с неинвертирующим входом регулирующего элемента, корректирующий конденсатор, при этом в схему введен дополнительный дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя сигнала рассогласования через первый резистор, а неинвертирующий вход соединен с источником опорного напряжения через второй резистор, первый токовый выход дополнительного дифференциального усилителя соединен с инвертирующим входом регулирующего элемента, второй токовый выход дополнительного дифференциального усилителя соединен с неинвертирующим входом регулирующего элемента, причем корректирующий конденсатор включен между неинвертирующим входом дополнительного дифференциального усилителя и общей шиной источника питания. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области источников электропитания и может быть использовано в структуре СФ-блоков, не допускающих применение (с целью уменьшения уровня выходных шумов непрерывных стабилизаторов напряжения) конденсаторов большой емкости и, как следствие, больших габаритов.

В современной микроэлектронике широко применяются стабилизаторы напряжения (СН), имеющие классическую архитектуру [1-11].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является стабилизатор напряжения, представленный в заявке US 2009/027032, fig.2. Кроме этого, различные модификации данной схемы СН приведены в [1-11].

Существенный недостаток известного СН состоит в том, что для уменьшения уровня выходных шумов в его схеме приходится применять конденсаторы большой емкости, шунтирующие низкоомный выход СН и его низкоомную нагрузку. Это не позволяет создавать на его основе непрерывные СН, обеспечивающие электропитанием транзисторные узлы «систем на кристалле» (СнК), реализуемые по многим перспективным технологическим процессам.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы уменьшить уровень выходных шумов СН при сравнительно малых значениях емкости корректирующих конденсаторов, что позволяет размещать СН на подложке СнК.

Поставленная задача решается тем, что в стабилизаторе напряжения фиг.1, содержащем регулирующий элемент 1 с инвертирующим 2 и неинвертирующим 3 управляющими входами и выходом 4, соединенным с выходом 5 устройства и входом резистивного делителя напряжения 6, выход 7 резистивного делителя напряжения связан с инвертирующим входом 8 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, источник опорного напряжения 10, подключенный к неинвертирующему входу 11 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, первый 12 токовый выход дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, связанный с инвертирующим управляющим входом 2 регулирующего элемента 1, второй 13 токовый выход дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, связанный с неинвертирующим входом 3 регулирующего элемента 1, корректирующий конденсатор 14, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный дифференциальный усилитель 15, инвертирующий вход которого 16 соединен с неинвертирующим входом 11 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9 через первый 17 резистор, а неинвертирующий вход 18 соединен с источником опорного напряжения 10 через второй 19 резистор, первый 20 токовый выход дополнительного дифференциального усилителя 15 соединен с инвертирующим входом 2 регулирующего элемента 1, второй 21 токовый выход дополнительного дифференциального усилителя 15 соединен с неинвертирующим входом 3 регулирующего элемента 1, причем корректирующий конденсатор 14 включен между неинвертирующим входом 18 дополнительного дифференциального усилителя 15 и общей шиной источника питания 22.

На фиг.1 показана схема СН-прототипа.

Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1-п.4 формулы изобретения, показана на фиг.2.

На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в среде Cadence на моделях интегральных транзисторов с проектными нормами 0,6 мкм БиКМОП техпроцесса ХВ06 фирмы «X-Fab».

На фиг.4 показана зависимость выходного напряжения стабилизатора (фиг.3) от тока нагрузки.

На фиг.5 приведена зависимость коэффициента передачи шума от источника опорного напряжения 10 к выходу СН 5 при значениях емкости корректирующего конденсатора С(С0), изменяющегося в пределах от 500 пФ до 100 мкФ. Из этого чертежа следует, что при увеличении емкости корректирующего конденсатора С(С0) расширяется в сторону низких частот диапазон ослабления шумов источника опорного напряжения. Так, при С(С0)=100 мкФ можно наблюдать ослабление шумов больше в 4 раза в диапазоне от 10 Гц до 10 МГц.

На фиг.6 представлена зависимость выходного и входного шума (или помехи) от частоты при емкости корректирующего конденсатора С(С0)=4,5 мкФ в СН (фиг.3). На частоте 50 Гц выходной шум равен входному, а выше по частоте он начинает уменьшаться, достигая значения шума в 1,66 раза меньше, чем входной шум на частоте 100 Гц и 76,6 раза на частоте 10 кГц.

На фиг.7 показана зависимость коэффициента передачи шума СН (фиг.3) при емкости корректирующего конденсатора С(С0)=4.5 мкФ, при которой допускается размещение этого конденсатора на подложке ряда «систем на кристалле». На графике видно, что с увеличением частоты выходной шум уменьшается и достигает значения в 1,67 раза меньше входного шума источника опорного напряжения на частоте 100 Гц и 76,9 раз меньше на частоте 10 кГц.

На фиг.8 приведена зависимость коэффициента передачи шума СН (фиг.3) от источника опорного напряжения 10 к выходу СН (5) при сопротивлениях резисторов R0, R1 в базах транзисторов Q1, Q2, изменяющихся от 500 Ом до 20 кОм. Из графика видно, что минимум коэффициента передачи шума в диапазоне от 100 Гц до 10 МГц достигает при значении R0=R1=1 кОм, а в диапазоне от 10 Гц до 100 Гц приходится на R0=R1=5 кОм, что позволяет достигать меньших значений выходного шума в нижнем диапазоне частот при одинаковой емкости корректирующего конденсатора. При этом коэффициент передачи шума в верхнем диапазоне частот увеличивается, но остается меньше единицы.

Стабилизатор напряжения с малым уровнем шумов (фиг.2) содержит регулирующий элемент 1 с инвертирующим 2 и неинвертирующим 3 управляющими входами и выходом 4, соединенным с выходом 5 устройства и входом резистивного делителя напряжения 6, выход 7 резистивного делителя напряжения связан с инвертирующим входом 8 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, источник опорного напряжения 10, подключенный к неинвертирующему входу 11 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, первый 12 токовый выход дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, связанный с инвертирующим управляющим входом 2 регулирующего элемента 1, второй 13 токовый выход дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, связанный с неинвертирующим входом 3 регулирующего элемента 1, корректирующий конденсатор 14. В схему введен дополнительный дифференциальный усилитель 15, инвертирующий вход которого 16 соединен с неинвертирующим входом 11 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9 через первый 17 резистор, а неинвертирующий вход 18 соединен с источником опорного напряжения 10 через второй 19 резистор, первый 20 токовый выход дополнительного дифференциального усилителя 15 соединен с инвертирующим входом 2 регулирующего элемента 1, второй 21 токовый выход дополнительного дифференциального усилителя 15 соединен с неинвертирующим входом 3 регулирующего элемента 1, причем корректирующий конденсатор 14 включен между неинвертирующим входом 18 дополнительного дифференциального усилителя 15 и общей шиной источника питания 22.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, дифференциальный усилитель сигнала рассогласования 9 содержит первый 25 и второй 26 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с источником опорного тока 27, база первого 25 входного транзистора соединена с неинвертирующим входом 11 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, база второго 26 входного транзистора соединена с инвертирующим входом дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, коллектор первого 25 входного транзистора дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9 соединен с первым 12 токовым выходом дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, а коллектор второго 26 входного транзистора дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9 соединен со вторым 13 токовым выходом дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9.

Кроме этого, на чертеже фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, дополнительный дифференциальный усилитель 15 содержит первый 28 и второй 29 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с источником опорного тока 30, база первого 28 входного транзистора соединена с инвертирующим входом 16 дополнительного дифференциального усилителя 15, база второго 29 входного транзистора соединена с неинвертирующим входом дополнительного дифференциального усилителя 15, коллектор первого 28 входного транзистора дополнительного дифференциального усилителя 15 соединен со вторым 21 токовым выходом дополнительного дифференциального усилителя 15, а коллектор второго 29 входного транзистора дополнительного дифференциального усилителя 15 соединен с первым 20 токовым выходом дополнительного дифференциального усилителя 15.

В соответствии с п.4 формулы изобретения на чертеже фиг.2 резистивный делитель напряжения 6, включенный между выходом устройства 5 и общей шиной источников питания 22, содержит последовательно соединенные первый 23 и второй 24 вспомогательные резисторы, общий узел которых соединен с выходом 7 резистивного делителя напряжения 6.

Рассмотрим в сравнении работу СН (фиг.1 и фиг.2).

Источник опорного напряжения 10 в СН (фиг.1), реализуемый, например, по классическим схемам Видлара или в виде традиционного стабилитрона, имеет две составляющие опорного напряжения

U_ст(t)=U_ст+u_ш,

где U_ст - постоянная составляющая напряжения на источнике опорного напряжения 10;

u_ш<<U_ст - некоторое переменное напряжение, связанное с наличием шумов, различных помех, наводок и т.п. на источнике опорного напряжения 10.

В стабилизаторе - прототипе (фиг.1) выходное напряжение u_вых(t)=u₅(t) связано с напряжением U_ст(t) на источнике опорного напряжения известным соотношением

где - коэффициент передачи резистивного делителя напряжения 6;

Т - петлевое усиление стабилизатора.

Причем

где R_н.экв - эквивалентное сопротивление цепи нагрузки в узле 5;

K_i2, K_i3 - коэффициенты передачи по току регулирующего элемента 1 по первому 2 инвертирующему и второму 3 неинвертирующему входам;

h_11.25=h_11.26 - h-параметры транзисторов 25 и 26 в схеме с общей базой (h_11.25=h_11.26=20÷50 Ом).

Если Т>>1, что обеспечивается K_i2>>1, K_i3>>1, то

Следовательно, в первом приближении переменная (шумовая) составляющая выходного напряжения СН (фиг.1) в N₁ раз больше, чем напряжение шумов u_ш источника опорного напряжения 10, где

Для уменьшения напряжения шумов на выходе СН (фиг.1), как правило, вводится корректирующая емкость 14, эквивалентная постоянная времени которой

где С₁₄ - емкость конденсатора 14.

Как следует из (5), для получения больших значений τ₁₄, т.е. эффективного подавления низкочастотных помех и шумов, приходится выбирать достаточно большие значения емкости конденсатора 14 (С14), так как R_н.экв(1+Т)^-1→0. Во многих случаях это неприемлемо, так как из-за существенных геометрических размеров конденсатора 14 он не всегда может располагаться на подложке «системы на кристалле» и/или « системы в корпусе». От данного недостатка в значительной мере свободна заявляемая схема СН (фиг.2).

Рассмотрим далее ее работу. Будем считать, что постоянная времени конденсатора 14 в схеме фиг.2 выбрана такой, что в анализируемом частотном диапазоне шумов (помех, наводок) напряжение между входами 16 и 18 дополнительного дифференциального усилителя 15 равно напряжению шумов u_ш между входами 11 и 8 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, т.е. , что легко реализовать на практике.

В этом случае входные токи i₂ и i₃ управляющих входов 2 и 3 регулирующего элемента 1

где

Если обеспечить равенства h_11.25=h_11.26=h_11.29=h_11.28, то на входах 2 и 3 и, следовательно, на выходе СН 5 будет отсутствовать переменное напряжение шума, связанное с шумом источника опорного напряжения 10. В то же время для постоянной составляющей выходного напряжения СН справедливо уравнение

так как дополнительный усилитель 15 не влияет на работу схемы в статическом режиме.

Таким образом, в заявляемой схеме (фиг.2) обеспечивается подавление переменных шумов, помех и наводок, присутствующих в выходном напряжении опорного источника 10. При этом диапазон частот, в котором это подавление обеспечивается, зависит от численных значений постоянной времени τ₁₄=R₁₉C₁₄. Учитывая, что резистор 19 (R19) может иметь значения сопротивлений в единицы-десятки кОм, можно сделать вывод о том, что численные значения емкости конденсатора 14, обеспечивающего эффективное подавление шумов u_ш в заданном диапазоне частот, в заявляемой схеме в N_c раз меньше, чем в СН-прототипе, где

Следовательно, при одинаковых значениях емкости конденсатора 14 (С14) в схемах фиг.1 и фиг.2 предлагаемое устройство обеспечивает более эффективное подавление шумов ИОН (10).

Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования, представленными на чертежах фиг.4-фиг.8.

Таким образом, предлагаемый стабилизатор напряжения имеет малый уровень выходных шумов при сравнительно небольших значениях емкости корректирующего конденсатора, который может быть реализован в виде интегрального элемента «системы на кристалле» и/или «системы в корпусе».

Литература

1. Патентная заявка US 2009/027032, fig.2, fig.7.

2. Патент US №5.929.623.

3. Патент US №3.946.303, fig.6.

4. Патент US №7.847.645, fig.2.

5. Патентная заявка US 2007/0188228, fig.4.

6. Патент US №4.254.372.

7. Патент US №5.929.623.

8. Патент RU 2117982, фиг.1.

9. Патент WO 2010/028430 A1, fig.2.

10. Патент US №4.341.990.

11. Полянин К.П. Интегральные стабилизаторы напряжения. - М.: Энергия, 1979. - С.138. - Рис.5.8.

1. Стабилизатор напряжения с малым уровнем шумов, содержащий регулирующий элемент (1) с инвертирующим (2) и неинвертирующим (3) управляющими входами и выходом (4), соединенным с выходом (5) устройства и входом резистивного делителя напряжения (6), выход (7) резистивного делителя напряжения связан с инвертирующим входом (8) дифференциального усилителя сигнала рассогласования (9), источник опорного напряжения (10), подключенный к неинвертирующему входу (11) дифференциального усилителя сигнала рассогласования (9), первый (12) токовый выход дифференциального усилителя сигнала рассогласования (9), связанный с инвертирующим управляющим входом (2) регулирующего элемента (1), второй (13) токовый выход дифференциального усилителя сигнала рассогласования (9), связанный с неинвертирующим входом (3) регулирующего элемента (1), корректирующий конденсатор (14), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный дифференциальный усилитель (15), инвертирующий вход которого (16) соединен с неинвертирующим входом (11) дифференциального усилителя сигнала рассогласования (9) через первый (17) резистор, а неинвертирующий вход (18) соединен с источником опорного напряжения (10) через второй (19) резистор, первый (20) токовый выход дополнительного дифференциального усилителя (15) соединен с инвертирующим входом (2) регулирующего элемента (1), второй (21) токовый выход дополнительного дифференциального усилителя (15) соединен с неинвертирующим входом (3) регулирующего элемента (1), причем корректирующий конденсатор (14) включен между неинвертирующим входом (18) дополнительного дифференциального усилителя (15) и общей шиной источника питания (22).

2. Стабилизатор напряжения с малым уровнем шумов по п.1, отличающийся тем, что дифференциальный усилитель сигнала рассогласования (9) содержит первый (25) и второй (26) входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с источником опорного тока (27), база первого (25) входного транзистора соединена с неинвертирующим входом (11) дифференциального усилителя сигнала рассогласования (9), база второго (26) входного транзистора соединена с инвертирующим входом дифференциального усилителя сигнала рассогласования (9), коллектор первого (25) входного транзистора дифференциального усилителя сигнала рассогласования (9) соединен с первым (12) токовым выходом дифференциального усилителя сигнала рассогласования (9), а коллектор второго (26) входного транзистора дифференциального усилителя сигнала рассогласования (9) соединен со вторым (13) токовым выходом дифференциального усилителя сигнала рассогласования (9).

3. Стабилизатор напряжения с малым уровнем шумов по п.1, отличающийся тем, что дополнительный дифференциальный усилитель (15) содержит первый (28) и второй (29) входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с источником опорного тока (30), база первого (28) входного транзистора соединена с инвертирующим входом (16) дополнительного дифференциального усилителя (15), база второго (29) входного транзистора соединена с неинвертирующим входом дополнительного дифференциального усилителя (15), коллектор первого (28) входного транзистора дополнительного дифференциального усилителя (15) соединен со вторым (21) токовым выходом дополнительного дифференциального усилителя (15), а коллектор второго (29) входного транзистора дополнительного дифференциального усилителя (15) соединен с первым (20) токовым выходом дополнительного дифференциального усилителя (15).

4. Стабилизатор напряжения с малым уровнем шумов по п.1, отличающийся тем, что резистивный делитель напряжения (6), включенный между выходом устройства (5) и общей шиной источников питания (22), содержит последовательно соединенные первый (23) и второй (24) вспомогательные резисторы, общий узел которых соединен с выходом (7) резистивного делителя напряжения.