Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов

Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 однополярный малошумящий 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 4795961А (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 однополярный 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.

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.

Известно устройство формирования двухполярного опорного напряжения, содержащее два разнополярных источника опорного напряжения и два конденсатора, выполняющих роль двух фильтров низких частот (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1997 г. - 704 с., см. стр.370).

Недостатком данного устройства является значительный уровень низкочастотных шумов.

Неэффективность фильтров низких частот обусловлена невозможностью использования конденсаторов большой емкости в цепях фильтрации в силу ограниченности емкостной нагрузки источников опорного напряжения.

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 два конденсатора и источник опорного напряжения, выход которого подключен к первому контакту первого конденсатора, введены инвертор и два вычитателя, первые входы первого и второго вычитателей подключены, соответственно, ко вторым контактам первого и второго конденсаторов, первый контакт второго конденсатора подключен к выходу инвертора, вторые входы первого и второго вычитателей подключены, соответственно, непосредственно и через инвертор, к выходу источника опорного напряжения, выходы вычитателей являются выходами устройства.

Каждый 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, образующих с конденсатором высокочастотный фильтр, служащий входной цепью вычитателя; 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.

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.

Краткое описание чертежей

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

На фиг.2 представлены функциональные схемы вычитателей.

На фиг.3 представлена функциональная схема инвертора.

На фиг.4 представлена модель устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, выполненная в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12.

На фиг.5 представлены временные диаграммы выходного напряжения блока питания устройства.

На фиг.6 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала источника опорного напряжения.

На фиг.7 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала первого вычитателя (выходного сигнала отрицательной полярности устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов) для случая C1₂=1 мкФ и R1₇=R2₈=R3₉=R4₁₀=500 кОм.

На фиг.8 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала первого вычитателя (выходного сигнала отрицательной полярности устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов) для случая C1₂=2,2 мкФ и R1₇=R2₈=R3₉=R4₁₀=500 кОм.

На фиг.9 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала инвертора.

На фиг.10 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала второго вычитателя (выходного сигнала положительной полярности устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов) для случая C2₅=1 мкФ и R8₁₆=R9₁₇=R10₁₈=R11₁₉=500 кОм.

На фиг.11 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала второго вычитателя (выходного сигнала положительной полярности устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов) для случая C2₅=2,2 мкФ и R8₁₆=R9₁₇=R10₁₈=R11₁₉=500 кОм.

На фиг.12 представлены временные диаграммы выходных сигналов устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.

Осуществление изобретения

Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, фиг.1, содержит источник опорного напряжения 1, конденсаторы 2 и 5, вычитатели 3 и 6, инвертор 4, причем выход источника опорного напряжения 1 подключен непосредственно к первому контакту первого конденсатора 2, второму входу вычитателя 3 и через инвертор 4 к первому контакту второго конденсатора 5, второму входу вычитателя 6; первые входы первого вычитателя 3 и второго вычитателя 6 подключены, соответственно, ко вторым контакам первого конденсатора 2 и второго конденсатора 5; выходы вычитателей 3 и 6 являются выходами устройства.

Вычитатель 3 содержит четыре резистора 7÷10 и операционный усилитель 11: выход операционного усилителя 11 служит выходом вычитателя 3; неинвертирующий вход операционного усилителя 11 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора 7 и второго резистора 8; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора 9 и четвертого резистора 10; первые контакты первого резистора 7 и третьего резистора 9 являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя 3; второй контакт второго резистора 8 заземлен; второй контакт четвертого резистора 10 подключен к выходу операционного усилителя 11.

Вычитатель 6 содержит четыре резистора 16÷19 и операционный усилитель 20: выход операционного усилителя 20 служит выходом вычитателя 6; неинвертирующий вход операционного усилителя 20 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора 16 и второго резистора 17; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора 18 и четвертого резистора 19; первые контакты первого резистора 16 и третьего резистора 18 являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя 6; второй контакт второго резистора 17 заземлен; второй контакт четвертого резистора 19 подключен к выходу операционного усилителя 20.

Инвертор 4 содержит три резистора 12÷14 и операционный усилитель 15: выход операционного усилителя 15 служит выходом инвертора 4; неинвертирующий вход операционного усилителя 15, через первый резистор 12, заземлен; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, второго резистора 13 и третьего резистора 14; второй контакт третьего резистора 14 подключен к выходу операционного усилителя 15; первый контакт второго резистора 13 является входом инвертора 4.

Устройство формирования двухполярного 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); сопротивлений нагрузки устройства (резисторы R12, R13); электроизмерительных приборов (XMM1, XMM2, XMM3, VI, V2); осциллографов (XSC1, XSC2, XSC3).

Временные диаграммы выходного напряжения блока питания устройства приведены на фиг.5.

Выходной сигнал источника опорного напряжения, например, в случае использования ИМС MAX6250 (http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX6225-MAX6250.pdf), содержит шумовую составляющую U_C1, выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 2 (C1) (фиг.6).

Выделенная шумовая составляющая и выходной сигнал источника опорного напряжения поступают на входы вычитателя 3, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.

Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени цепи вычитателя 3τ_в3, являющейся, по сути, RC-фильтром высоких частот с ФЧХ вида

где

где C1₂ - емкость первого конденсатора 2;

R1₇ - сопротивление первого резистора 7, вычитателя 3;

R2₈ - сопротивление второго резистора 8, вычитателя 3;

и постоянной времени цепи источника опорного напряжения 1

где R_{вых.ион} - выходное сопротивление источника опорного напряжения 1. При этом на τ_в3, τ_ион и сопротивления резисторов вычитателя 3 накладываются условия:

где R3₉ - сопротивление третьего резистора 9, вычитателя 3;

R4₁₀ - сопротивление четвертого резистора 10, вычитателя 3.

Невыполнение условия (4) приводит к неполному подавлению шумовой составляющей в выходном сигнале устройства формирования двухполярного опорного напряжения.

При этом следует отметить, что в предлагаемом устройстве нет противоречий между стремлением к уменьшению уровня инфранизких и ультравысоких частот. Увеличение постоянной времени RC-цепи (RC-фильтра ВЧ на базе конденсатора C1₂ и резисторов R1₇, R2₈) приводит к уменьшению шумов во всем спектре частот.

На фиг.7 представлена временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов для случая C1₂=1 мкФ и R1₇=R2₈=R3₉=R4₁₀=500 кОм.

На фиг.8 представлена временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов для случая C1₂=2,2 мкФ и R1₇=R2₈=R3₉=R4₁₀=500 кОм.

Как следует из анализа фиг.7, 8, имеет место снижение уровня шумовой составляющей выходного сигнала источника опорного напряжения 1 в 2000 и 4000 раз соответственно. Так как в основе схемы вычитателя 3 лежит схема инвертирующего усилителя, имеет место инверсия выходного сигнала источника опорного напряжения 1, фиг 12, кривая 2. Выходное сопротивление устройства формирования двухполярного опорного напряжения по выходу «-» (выходу сигнала отрицательной полярности) определяется, при этом выходным сопротивлением операционного усилителя 11 вычитателя 3 и не зависит от величины емкости конденсатора 2.

Инвертор 4 осуществляет инвертирование выходного сигнала источника опорного напряжения 1 с коэффициентом передачи, равным единице. Сопротивления резисторов инвертора 4 задаются согласно условию:

где R5₁₂ - сопротивление первого резистора 12, инвертора 4;

R6₁₃ - сопротивление второго резистора 13, инвертора 4;

R7₁₄ - сопротивление третьего резистора 14, инвертора 4.

Выходной сигнал инвертора 4 содержит шумовую составляющую U_C2, выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 5 (С2) (фиг.9).

Выделенная шумовая составляющая и выходной сигнал инвертора 4 поступают на входы вычитателя 6, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.

Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени цепи вычитателя 6, являющейся, по сути, RC-фильтром высоких частот с ФЧХ вида

где

где C2₅ - емкость конденсатора 5;

R8₁₆ - сопротивление первого резистора 16, вычитателя 6;

R9₁₇ - сопротивление второго резистора 17, вычитателя 6;

и постоянной времени цепи инвертора 4

где R_{вых.инв} - выходное сопротивление инвертора 4.

При этом на τ_в6, τ_инв и сопротивления резисторов вычитателя 6 накладываются условия:

где R10₁₈ - сопротивление третьего резистора 18, вычитателя 6;

R11₁₉ - сопротивление четвертого резистора 19, вычитателя 6.

Невыполнение условия (9) приводит к неполному подавлению шумовой составляющей в выходном сигнале устройства формирования опорного напряжения.

При этом следует отметить, что в предлагаемом устройстве нет противоречий между стремлением к уменьшению уровня инфранизких и ультравысоких частот. Увеличение постоянной времени RC-цепи (RC-фильтра ВЧ на базе конденсатора С2₅ и резисторов R8₁₆,R9₁₇) приводит к уменьшению шумов во всем спектре частот.

На фиг.10 представлена временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов для случая C2₅=1 мкФ и R8₁₆=R9₁₇=R10₁₈=R11₁₉=500 кОм.

На фиг.11 представлена временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов для случая C2₅=2,2 мкФ и R8₁₆=R9₁₇=R10₁₈=R11₁₉=500 кОм.

Как следует из анализа фиг.10, 11, имеет место снижение уровня шумовой составляющей выходного сигнала инвертора 4 в 2000 и 4000 раз соответственно. Так как в основе схемы вычитателя 6 лежит схема инвертирующего усилителя, имеет место инверсия выходного сигнала инвертора 4, фиг 12, кривая 1. Выходное сопротивление устройства формирования двухполярного опорного напряжения по выходу «+» (выходу сигнала положительной полярности) определяется, при этом выходным сопротивлением операционного усилителя 20 вычитателя 6 и не зависит от величины емкости конденсатора 5.

Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, содержащее два конденсатора и источник опорного напряжения, выход которого подключен к первому контакту первого конденсатора, отличающееся тем, что в устройство введены инвертор и два вычитателя, причем первые входы первого и второго вычитателей подключены соответственно ко вторым контактам первого и второго конденсаторов, первый контакт второго конденсатора подключен к выходу инвертора, вторые входы первого и второго вычитателей подключены соответственно непосредственно и через инвертор, к выходу источника опорного напряжения, выходы вычитателей является выходами устройства, а каждый вычитатель содержит четыре резистора и операционный усилитель, при этом выход операционного усилителя служит выходом вычитателя; неинвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам соответственно первого резистора и второго резистора, образующих с конденсатором высокочастотный фильтр, служащий входной цепью вычитателя; 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, а 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.