Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройствам формирования опорного напряжения, и может быть использовано при создании малошумящих источников стабильного напряжения постоянного тока. Технический результат - снижение уровня шумов. Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов содержит стабилизатор, конденсатор, масштабирующий повторитель напряжения, масштабирующий вычитатель, содержащий четыре резистора и операционный усилитель, а масштабирующий повторитель напряжения содержит три резистора и операционный усилитель. 4 табл., 4 ил.

 

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-datasheet.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 4795961A (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 421002 А (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 τФВЧ.прот образованного конденсатором C1, первым и вторым резисторами R1, R2 вычитателя, а значит фазовый сдвиг шумовой составляющей прототипа ϕШС.прот(ω), где ω - текущая частота, выделенной шумовой составляющей будет определяться зависимостью

При этом на τФВЧ.прот, R1 и R2 накладываются условия:

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

Так как выполнение условия (3) (а именно: τФВЧ.прот>>1 с), технически неосуществимо (увеличение номиналов элементов, с целью увеличения τФВЧ.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; (τФВЧ.прот=1 с), показало частотную зависимость как фазового сдвига шумовой составляющей прототипа ϕШС.прот(ω), так и коэффициента подавления шума прототипа KПШ.прот(ω), таблица 1.

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

I

где Uш.ст - мгновенный уровень шума стабилизатора;

Uш.ОУ.выч - мгновенный уровень шума операционного усилителя (ОУ) вычитателя.

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

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

- ADR584 (chrome-extension://oemmndcbldboiebfnladdacbdfmadadm/http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD5 84.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://pdfl.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 конденсатора (в идеале, для постоянной времени τФВЧ желательно выполнение условия: τФВЧ>>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 опорного напряжения содержащее стабилизатор, конденсатор, при этом выход стабилизатора подключен к первому контакту конденсатора, введены масштабирующий повторитель напряжения, вход которого подключен ко второму контакту конденсатора, и масштабирующий вычитатель, первый вход которого соединен с выходом масштабирующего повторителя напряжения, второй вход соединен с выходом стабилизатора и первым контактом конденсатора, а выход является выходом устройства.

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.

Масштабирующий вычитатель содержит четыре резистора и операционный усилитель: 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 масштабирующего 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 масштабирующего вычитателя.

На фиг. 4 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, масштабирующий вычитатель 4, причем, выход стабилизатора 1 непосредственно соединен со вторым входом масштабирующего вычитателя 4, а через последовательно соединенные конденсатор 2 и масштабирующий повторитель напряжения 3, соединен с первым входом масштабирующего вычитателя 4, выход которого является выходом устройства формирования опорного напряжения.

Масштабирующий повторитель напряжения 3, фиг. 2, содержит три резистора 5÷7 и операционный усилитель 8, причем: неинвертирующий вход операционного усилителя 8, через резистор 5, соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения 3; инвертирующий вход операционного усилителя 8 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 6 и резистора 7; первый контакт резистора 6 заземлен; второй контакт резистора 7 подключен к выходу операционного усилителя 8, служащего выходом масштабирующего повторителя напряжения 3.

Масштабирующий вычитатель 4, фиг. 3, содержит четыре резистора 9÷12 и операционный усилитель 13, причем: выход операционного усилителя 13 служит выходом масштабирующего вычитателя 4; неинвертирующий вход операционного усилителя 13 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 9 и резистора 10; инвертирующий вход операционного усилителя 13 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 11 и четвертого резистора 12; первые контакты резистора 9 и резистора 11 являются, соответственно, первым и вторым входами масштабирующего вычитателя 4; второй контакт резистора 10 заземлен; второй контакт резистора 12 подключен к выходу операционного усилителя 13.

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

Анализ работы устройства проведем с опорой на модель, фиг. 4, 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 R8); электроизмерительных приборов (ХММ1, ХММ2, Ampl); осциллографа (XSC1).

Выходной сигнал стабилизатора 1, содержит шумовую составляющую Uш.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 Rвх.ОУ, KОУ - входное (дифференциальное) сопротивление и коэффициент усиления операционного усилителя (ОУ) 8;

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

R15,R26,R37 - 1÷3 резисторы (элементы 5÷7) масштабирующего повторителя напряжения 3, с сопротивлением 50 кОм, фиг. 4.

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

где Uш.ОУ.МПН(ω) - мгновенный уровень шума операционного усилителя 8 масштабирующего повторителя напряжения 3.

Согласно принятым значениям сопротивлений резисторов R26, R37, имеет место соотношение:

Выделенная и преобразованная шумовая составляющая, с выхода масштабирующего повторителя напряжения 3, и выходной сигнал стабилизатора 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 R49, R510, R611, R712 - 1÷4 резисторы (элементы 9÷12) масштабирующего вычитателя 4, фиг. 3, с сопротивлением 50 кОм у резисторов R5l0, R611, R7l2 и 150 кОм (с учетом выражения (7)) у резистора R49, фиг. 4.

Мгновенный уровень выходного напряжения шума устройства Uш (масштабирующего вычитателя 4), определяется выражением:

где Uш.ОУ.выч - мгновенный уровень шума операционного усилителя 13 масштабирующего вычитателя 4;

KПШ - коэффициента подавления шума устройства.

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 (13) примет вид:

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

Степень подавления шумовой составляющей в выходном напряжении устройства, в значительной мере, определяется постоянной времени фильтра высоких частот устройства τФВЧ образованного конденсатором 2 и входным сопротивлением Rвх.МПН масштабирующего повторителя напряжения 3. При этом фазовый сдвиг шумовой составляющей стабилизатора 1, вносимый фильтром высоких частот устройства ϕШС(ω), определяется выражением (15)

где

где С12 - емкость конденсатора С1, фиг. 4 (элемента 2, фиг. 1).

При этом на τФВЧ накладывается условие:

Учитывая значительное входное сопротивление операционного усилителя 8 используемого в схеме масштабирующего повторителя напряжения 3 (например, ИМС ОР07С, с параметрами Rвх.ОУ=8÷33 МОм, KОУ=100÷120 дБ (105÷106) (http://pdfl.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73497/MAXIM/OP07CCSA.html), а также сопротивление резистора R15 (ограничивающее входной ток операционного усилителя 8), входное сопротивление масштабирующего повторителя напряжения 3 - Rвх.МПН значительно превышает 1 ГОм (даже с учетом токов утечки). Что, в свою очередь, обеспечивает выполнение условий как (17), так и (18)

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

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 и масштабирующего вычитателя 4 ОУ ИМС ОР07С (Rвх.МПН≈1 ГОм) и конденсатора 2 емкостью С12=0,1 мкФ (τФВЧ=100 с),), а так же 0,01 мкФ (τФВЧ=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.

Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, содержащее стабилизатор, конденсатор, при этом выход стабилизатора подключен к первому контакту конденсатора, отличающееся тем, что в устройство введены масштабирующий повторитель напряжения, вход которого подключен ко второму контакту конденсатора, и масштабирующий вычитатель, первый вход которого соединен с выходом масштабирующего повторителя напряжения, второй вход соединен с выходом стабилизатора и первым контактом конденсатора, а выход является выходом устройства, при этом 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, а масштабирующий вычитатель содержит четыре резистора и операционный усилитель: 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 масштабирующего вычитателя; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя.



 

Похожие патенты:

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

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

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

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

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

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

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

Изобретение относится к электронике, а именно к источникам стабильного и температурно-независимого напряжения постоянного тока, и может быть использовано в качестве источника опорного напряжения при построении аналоговых интегральных схем (ИС), например, операционных усилителей, усилителей мощности, ИС драйверов двигателей, аналого-цифровых преобразователей (АЦП), цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) и т.п.

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройствам формирования опорного напряжения, и может быть использовано при создании малошумящих источников стабильного напряжения постоянного тока. Технический результат - снижение уровня шумов. Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов содержит стабилизатор, конденсатор, масштабирующий повторитель напряжения, масштабирующий вычитатель, содержащий четыре резистора и операционный усилитель, а масштабирующий повторитель напряжения содержит три резистора и операционный усилитель. 4 табл., 4 ил.

Наверх