Стабилизатор напряжения
VOLTAGE STABILIZER

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к устройствам стабилизации напряжения, и может быть использовано в различных устройствах электропитания радиоэлектронной аппаратуры, а также в активных фильтрах питания.
В современной микроэлектронике широко применяются стабилизаторы напряжения, имеющие различную, в том числе и классическую архитектуру, описанную в патентной литературе: в патентах RU на изобретения №2479007, 2732950, 2736548, 2767171, 2771355, 2772574, в патентах US на изобретения №7382179, 7495422, 8581567.
Известен стабилизатор напряжения, описанный в патенте RU на изобретение №2485569. Устройство содержит регулирующий транзистор, подключенный эмиттером к входному, а коллектором - к выходному выводам, дифференциальный усилитель постоянного тока на первом и втором транзисторах, объединенные эмиттеры которых через резистор подключены к общему выводу. Коллектор первого транзистора, являющийся одним входом дифференциального усилителя, соединен с базой регулирующего транзистора и через резистор - с входным выводом. Коллектор второго транзистора, являющийся другим входом дифференциального усилителя, соединен с выходным выводом, а его база - с выходом делителя выходного напряжения. База первого транзистора, являющаяся выходом дифференциального усилителя, соединена с выходом источника опорного напряжения, состоящего из последовательно соединенных ограничительного резистора и опорного стабилитрона, при этом ограничительный резистор подключен к выходному выводу, а опорный стабилитрон - к общему выводу. Параллельно выходным выводам включен сглаживающий конденсатор. Пусковой конденсатор включен между коллектором и базой регулирующего транзистора.
Известен также компенсационный стабилизатор напряжения, описанный в патенте RU на изобретение №2195759. Устройство содержит регулирующий элемент, в качестве которого использован включенный последовательно с нагрузкой в положительной цепи постоянного тока первый транзистор, и дифференциальную схему сравнения. Последняя состоит из включенного параллельно нагрузке делителя выходного напряжения, выполненного в виде цепочки последовательно включенных резисторов, источника опорного напряжения и балансного усилителя постоянного тока, выполненного на втором и третьем транзисторах. К первому входу балансного усилителя постоянного тока подключен источник опорного напряжения, ко второму входу - делитель выходного напряжения, а выход балансного усилителя постоянного тока соединен с входом регулирующего элемента. Последовательно с делителем выходного напряжения включен дополнительный транзистор, коллектор которого соединен с выводом крайнего резистора делителя выходного напряжения, эмиттер - с минусовой шиной, а база через дополнительный резистор - с положительной шиной компенсационного стабилизатора напряжения.
Общим недостатком всех перечисленных вариантов является недостаточный уровень подавления собственных шумов стабилизатора и, как следствие, недостаточно низкий уровень шума на выходе устройства. Кроме того, большинство из них не являются «low-drop» устройствами, то есть имеют большое падение напряжение между входом и выходом.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является компенсационный стабилизатор постоянного напряжения с непрерывным регулированием, описанный в патенте RU на изобретение №2767490. Стабилизатор содержит: подавитель шума, состоящий из разделительного конденсатора, повторителя напряжения и вычитателя; регулирующий элемент, включающий  транзистор и резистор; резистивный делитель напряжения; источник опорного напряжения, состоящий из резистора и стабилитрона; сопротивление нагрузки; усилитель постоянного тока, включающий резистор и транзистор. Коллектор транзистора регулирующего элемента подключен к первому выводу резистора регулирующего элемента и входу положительной полярности устройства, а эмиттер к первым выводам резисторам делителя напряжения и источника опорного напряжения, и через сопротивление нагрузки к аноду стабилитрона источника опорного напряжения, второму выводу резистора делителя напряжения и входу отрицательной полярности устройства. Второй вывод резистора делителя напряжения соединен с первым выводом резистора делителя напряжения и базой транзистора усилителя постоянного тока. Коллектор последнего соединен со вторым выводом резистора и базой транзистора регулирующего элемента. Второй вывод резистора источника опорного напряжения соединен с катодом стабилитрона источника и входом подавителя шума. Выход последнего соединен с эмиттером транзистора и через резистор усилителя постоянного тока с эмиттером транзистора регулирующего элемента. Вход подавителя шума соединен с первым входом вычитателя и через последовательно соединенные разделительный конденсатор и повторитель напряжения, со вторым входом вычитателя, выход которого служит выходом подавителя шума.
Однако в описанном выше техническом решении предлагаются раздельные обратные связи по постоянному и переменному напряжению, что приводит к значительному усложнению схемы. Кроме того, коэффициент передачи  в цепи обратной связи по переменной (шумовой) составляющей искусственно занижен, что приводит к недостаточному подавлению шумовой составляющей выходного напряжения. В современном высокотехнологичном оборудовании, в частности, предназначенном для источников питания сверхмалошумящих ВЧ и СВЧ генераторов и приемников, наибольший интерес представляет подавление шумов в диапазоне 100 Гц - 1 МГц, а в наиболее близком аналоге этот диапазон  составляет 0 - 10 Гц, что явно недостаточно для большинства современных малошумящих устройств. Наконец, прототип также не относится к классу «low-drop», что приводит к большому падению напряжения на нем и приводит к значительным тепловым потерям.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение сверхнизкого уровня шума и помех на выходе стабилизатора напряжения, в том числе при использовании устройства в жестких климатических условиях.
узел выходного каскада
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в  стабилизаторе напряжения, содержащем узел сравнения, узел выходного каскада, включающий биполярный транзистор и резистивный делитель напряжения, выполненный на первом и втором резисторах и включенный между выходом стабилизатора и общей шиной, и узел опорного напряжения, включающий стабилитрон и RC фильтр, который соединен с входом узла сравнения, выход и другой вход которого соединены с узлом выходного каскада,  дополнительно содержит первый конденсатор, эмиттер биполярного транзистора выходного каскада соединен с шиной питания, база соединена с выходом узла сравнения, а коллектор с выходом стабилизатора напряжения и первым резистором резистивного делителя напряжения, параллельно которому включен первый конденсатор, в узле опорного напряжения катод стабилитрона через первый резистор соединен с шиной питания, а его анод с общей шиной, резистор RC фильтра включен между катодом стабилитрона и входом узла сравнения, конденсатор RC фильтра включен между входом узла сравнения и общей шиной, другой вход узла сравнения соединен с общей точкой резистивного делителя напряжения.
Заявляется также изобретение, в котором наряду с вышеописанными признаками, узел опорного напряжения дополнительно содержит конденсатор, включенный между катодом стабилитрона и общей шиной.
Заявляется также стабилизатор напряжения, в котором узел сравнения дополнительно содержит резистор, включенный между выходом узла и базой транзистора.
Заявляется также изобретение, в котором наряду с вышеописанными признаками узел выходного каскада дополнительно содержит второй и третий конденсаторы, включенные параллельно первому конденсатору и между выходом стабилизатора и общей шиной соответственно.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в получении сверхнизкого уровня шума на выходе стабилизатора достигается за счет того, что опорное напряжение, сформированное стабилитроном, поступает на RC фильтр с большой постоянной времени, за счет чего достигается эффективная фильтрация шумов и помех. Опорное напряжение поступает на инвертирующий вход малошумящего операционного усилителя, с которого поступает напряжение управления на мощный транзистор узла выходного каскада. Кроме того, коллектор транзистора выходного каскада подключен к резистивному делителю, формирующему сигнал обратной связи по постоянному току, подаваемый на неинвертирующий вход операционного усилителя узла сравнения. Конденсатор, включенный между выходом стабилизатора и неинвертирующим входом операционного усилителя обеспечивает обратную связь по переменному току, за счет чего, в ходе сравнения двух сигналов происходит компенсация шумов на выходе стабилизатора. Таким образом данная схема позволяет получить уровень шума на выходе менее 0,8  а также обеспечивает подавление шумов и помех более чем на 50 дБ.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг.1-3, на которых изображено:
на Фиг.1 – функциональная схема стабилизатора,
на Фиг.2 – принципиальная схема стабилизатора,
на Фиг.3 – график зависимости спектральной плотности напряжения шума стабилизатора от частоты.
На Фиг.1 и Фиг.2 позициями 1-16 обозначены:
1 - узел опорного напряжения;
2 - узел сравнения;
3 - узел выходного каскада;
4 - первый резистор узла опорного напряжения;
5 - второй резистор узла опорного напряжения;
6 - стабилитрон;
7 - первый конденсатор узла опорного напряжения;
8 - операционный усилитель;
9 - биполярный транзистор;
10 -первый резистор узла выходного каскада;
11 - второй резистор узла выходного каскада;
12 - первый конденсатор узла выходного каскада;
13 -второй конденсатор узла опорного напряжения;
14 -второй конденсатор узла выходного каскада;
15 - третий конденсатор узла выходного каскада;
16 -резистор узла сравнения.
Стабилизатор состоит из узла опорного напряжения 1, узла сравнения 2 и узла выходного каскада 3. Вход узла опорного напряжения 1 соединен с шиной питания, выход со входом узла сравнения 2.Выход последнего соединен с базой биполярного транзистора 9, а вход с резистивным делителем узла выходного каскада 3. Узел опорного напряжения 1 включает первый 4 и второй резистор 5, стабилитрон 6 и первый конденсатор 7. В узле опорного напряжения 1 катод стабилитрона 6 соединен со вторым резистором 5 и через первый резистор 4 соединен с шиной питания. Второй резистор 5 соединен с первым конденсатором 7 и с первым входом узла сравнения 2. Узел сравнения 2 состоит из операционного усилителя 8 инвертирующий вход которого соединен с выходом узла опорного напряжения 1, неинвертирующий вход с резистивным делителем напряжения, а выход соединен с базой биполярного транзистора 9 узла выходного каскада 3. Вывод питания операционного усилителя 8 соединен с шиной питания. Узел выходного каскада 3 включает биполярный транзистор 9, первый 10 и второй 11 резисторы и первый  конденсатор 12. Эмиттер биполярного транзистора 9 соединен с шиной питания, база соединена с выходом узла сравнения 2, а коллектор с первым резистором10, первым конденсатором 12 и выходом стабилизатора напряжения.
В отдельных случаях исполнения для более эффективного подавления шумов, а также для предотвращения самовозбуждения стабилизатора при использовании его в жестких климатических условиях в схему стабилизатора, описанную выше, могут быть включены следующие элементы в соответствии с Фиг. 2.
В узел опорного напряжения 1 может быть дополнительно введен второй конденсатор 13, который включен между катодом стабилитрона 6 и общей шиной.
В узел выходного каскада 3 могут быть дополнительно введены второй 14 и третий 15 конденсаторы. При этом второй конденсатор 14 включен параллельно первому конденсатору 12. Третий конденсатор 15 включен между выходом стабилизатора и общей шиной.
В узел сравнения 2 может быть дополнительно введен резистор 16, который включен между выходом данного узла и базой биполярного транзистора 9 узла выходного каскада 3.
Стабилизатор работает следующим образом.
Через первый резистор 4 напряжение питания поступает на стабилитрон 6 узла опорного напряжения 1, который формирует стабильное опорное напряжение. Второй резистор 5 и первый конденсатор 7 образуют RC фильтр с большим значением постоянной времени, который эффективно фильтрует шумы и помехи цепи питания. Это напряжение поступает на инвертирующий вход операционного усилителя 8 узла сравнения 2. На неинвертирующий вход операционного усилителя 8 узла сравнения 2 подается напряжение с резистивного делителя напряжения, образованного первым 10 и вторым 11 резисторами узла выходного каскада 3. Последние в свою очередь задают выходное напряжение стабилизатора. Одновременно с этим на неинвертирующий вход операционного усилителя 8 узла сравнения 2 подается переменная составляющая с выхода узла выходного каскада 3. Операционный усилитель 8 узла сравнения сравнивает сигналы на входах и компенсирует шумы и помехи на выходе стабилизатора, подавая необходимый разностный сигнал на базу биполярного транзистор 9 узла выходного каскада 3.
Второй конденсатор 13 узла опорного напряжения 1 необходим для дополнительной фильтрации шумов стабилитрона 6.
Резистор 16 узла сравнения необходим для ограничения выходного тока операционного усилителя 8.
Второй 14 и третий 15 конденсаторы узла выходного каскада 3 включены в цепь для дополнительной фильтрации шумов на выходе стабилизатора, причем второй конденсатор 14 обеспечивает дополнительную обратную связь по переменному току высокой частоты.
Пример.
В соответствии с заявляемым изобретением был изготовлен опытный образец стабилизатора напряжения. Устройство было выполнено на отечественной элементной базе в качестве операционного усилителя был использован операционный усилитель фирмы «Интеграл» (может быть использован также операционный усилитель отечественной фирмы «Союз»), а в качестве стабилитрона - прецизионный стабилитрон 2С108В (Е,К,С).
Следует особо отметить, что стабилизатор может быть выполнен как   на импортной, так и целиком на отечественной элементной базе, в том числе с приемкой «5» без ухудшения параметров. Температурная нестабильность выходного напряжения в интервале -60…+100°С составит ±0,08%.
На Фиг. 3 приведен график зависимости спектральной плотности напряжения шума стабилизатора (опытного образца) от частоты, который подтверждает, что уровень шума не превышает значения 2  на частоте 1 кГц, а на частоте 100 кГц и выше составляет порядка 0,4
Измерения проводились на анализаторе источника сигналов Е5052В американской фирмы Agilent.
В Таблице 1 приведены сравнительные параметры импортных стабилизаторов и заявляемого технического решения.
Таблица 1
Наименование(производитель)
Спектральная плотность напряжения шума в диапазоне 1кГц – 1МГц, <img file="00000004.jpg" he="7" wi="15" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Температурная нестабильность в диапазоне -60…+100°С
LT1763(Linear Technology)
300
±0,5 %
LT1764(Linear Technology)
50
±0,5 %
LT3080(Linear Technology)
100
-
Предлагаемый стабилизатор
0,4..2
±0,08 %
Сравнительные характеристики различных стабилизаторов напряжения из Таблицы 1 показывают преимущество предлагаемого стабилизатора по основным параметрам.