УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ПОНИЖЕННЫМ УРОВНЕМ ШУМОВ
DEVICE TO GENERATE REFERENCE VOLTAGE WITH REDUCED NOISE LEVEL

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 источник опорного напряжения с использованием «стабилитрона с напряжением запрещенной зоны» - электронной схемы, выполняющей функции стабилитрона. В ходе ее реализации осуществляют генерацию напряжения с температурным коэффициентом положительным и равным по абсолютной величине отрицательному температурному коэффициенту опорного элемента, выполненному на базе биполярного транзистора (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1997 г. - 704 с., см. стр.355-356).
Недостатком данного устройства является повышенный уровень шумов.
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 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 4795961 А (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, сопровождающийся импульсными помехами.
Известен источник опорного напряжения, SU 421002 A (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, фиг.1.
Фазовый сдвиг цепи обратной связи порождает динамическую ошибку замкнутой системы регулирования.
Фазовый сдвиг цепи обратной связи обусловлен самой структурой цепи.
НЧ
1) RC-фильтр 4 является НЧ звеном второго порядка с постоянной времени τ и ФЧХ вида (1):
7
ВЧ
2) Конденсатор С с внутренним сопротивлением стабилизатора 1 (в точке подключения конденсатора 7) образуют RC-фильтр, являющийся ВЧ звеном с постоянной времени τ и ФЧХ вида (2):
3) В целом, цепь обратной связи характеризуется ФЧХ вида (3)
Этим же выражением будет описываться и ФЧХ регулирующего воздействия, причем, прежде всего, его НЧ часть спектра. Так как, в силу эффекта ослабления ВЧ колебаний на выходе НЧ звена (RC-фильтра 4), по мере увеличения частоты шумовой составляющей выходного сигнала стабилизатора 1, значимость ВЧ составляющей в спектре регулирующего воздействия будет возрастать. И ФЧХ ВЧ части спектра регулирующего воздействия будет описываться выражением (2).
Так как
8
9
где R, R - сопротивление гасящих резисторов 8 и 9 (как правило не более 350 Ом).
7
ВЧ
8
9
-4
При величине емкости конденсатора C=2,2 мкФ, имеем: τ=3,85·10 с. То есть граничная частота ВЧ звена составляет 2597,43 рад/с или 413,389 Гц (нормируемый диапазон шума источников опорного напряжения [0,1÷10] Гц (http://www.datasheetarchive.com/MAX872-datasheet.htm) и сдвиг фазы регулирующего воздействия на частоте 10 Гц составит 1,547 рад (88,637°). Кроме того, ВЧ шумовой сигнал с выхода стабилизатора 1, по цепи обратной связи, транслируется практически без какого-либо ослабления (в усилителе 5 осуществляется вычитание из выходного сигнала стабилизатора 1 постоянной составляющей, формируемой фильтром 4), а возможно даже и с усилением, так как коэффициент передачи усилителя 5 должен быть больше единицы (в силу ослабления, вносимого ВЧ звеном в НЧ часть спектра регулирующего воздействия). В точке приложения регулирующего воздействия (резисторы R, R) возникнет динамическая ошибка замкнутой системы регулирования, приводящая к увеличению мощности ВЧ шумов и возникновению импульсных помех на выходе источника опорного напряжения.
В то же время, для успешного сглаживания ВЧ шумов (шумов с частотой колебаний более 10 Гц), (RC-фильтром 4), необходимо выполнение условия
Величина сдвига фазы регулирующего воздействия в нормируемом диапазоне частот приведена в таблице 1.
Таблица 1
τ<sub>НЧ</sub>, с
φ [°], при f=0,1 Гц
φ [°], при f=10 Гц
1
57,8
-0,47
10
9
-1,3
В выходном сигнале источника опорного напряжения будет иметь место уменьшение уровня шумов в области низких и инфранизких частот, но на фоне сохранения (неизменности) уровня высокочастотных шумов.
Недостатком данного устройства является значительный уровень шумов.
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, являющегося системой разомкнутого цикла, содержащее стабилизатор, выход которого подключен к первому контакту конденсатора, введен вычитатель, первый вход которого подключен ко второму контакту конденсатора, второй вход подключен к выходу стабилизатора, а выход является выходом устройства, причем: 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; 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.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена структурная схема устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.
На фиг.2 представлена функциональная схема вычитателя.
На фиг.3 представлена модель устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, выполненная в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12.
На фиг.4 представлены временные диаграммы выходного напряжения блока питания устройства.
На фиг.5 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала стабилизатора.
2
4
5
6
7
На фиг.6 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов для случая C1=1 мкФ и R1=R2=R3=R4=500 кОм.
2
4
5
6
7
На фиг.7 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов для случая С1=2,2 мкФ и R1=R2=R3=R4=500 кОм.
Осуществление изобретения
Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, фиг.1, содержит стабилизатор 1, конденсатор 2, вычитатель 3, причем выход стабилизатора 1 непосредственно и через конденсатор 2 соединен, соответственно, со вторым и первым входами вычитателя 3, выход которого является выходом устройства формирования опорного напряжения.
Вычитатель 3, фиг.2, содержит четыре резистора 4-7 и операционный усилитель 8, причем: выход операционного усилителя 8 служит выходом вычитателя 3; неинвертирующий вход операционного усилителя 8 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора 4 и второго резистора 5; инвертирующий вход операционного усилителя 8 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора 6 и четвертого резистора 7; первые контакты первого резистора 4 и третьего резистора 6 являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя 3; второй контакт второго резистора 5 заземлен; второй контакт четвертого резистора 7 подключен к выходу операционного усилителя 8.
Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов работает следующим образом.
Анализ работы устройства проведем с опорой на модель, фиг.3, 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 R5); электроизмерительных приборов (ХММ1, ХММ2, U3); осциллографов (XSC1, XSC2).
Временные диаграммы выходного напряжения блока питания устройства приведены на фиг.4.
C
Выходной сигнал стабилизатора 1, например, в случае использования ИМС МАХ6250 (http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX6225 - MAX6250.pdf), содержит шумовую составляющую U, выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 2 (С1), (фиг.5).
Выделенная шумовая составляющая и выходной сигнал стабилизатора 1 поступают на входы вычитателя 3, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.
в
Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени цепи вычитателя 3 τ, являющейся, по сути, RC-фильтром высоких частот с ФЧХ вида
где
2
где C1 - емкость конденсатора 2;
4
R1 - сопротивление первого резистора 4;
5
R2 - сопротивление второго резистора 5;
и постоянной времени цепи стабилизатора 1
вых.ст
где R - выходное сопротивление стабилизатора 1.
в
ст
4
5
При этом на τ, τ, R1 и R2 накладываются условия:
6
где R3 - сопротивление третьего резистора 6;
7
R4 - сопротивление четвертого резистора 7.
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) приводит к уменьшению шумов во всем спектре частот.
2
4
5
6
7
На фиг.6 представлена временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов для случая C1=1 мкФ и R1=R2=R3=R4=500 кОм.
2
4
5
6
7
На фиг.7 представлена временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов для случая С1=2,2 мкФ и R1=R2=R3=R4=500 кОм.
Как следует из анализа фиг.6, 7, имеет место снижение уровня шумовой составляющей выходного сигнала стабилизатора 1 в 2000 и 5000 раз, соответственно. Выходное сопротивление устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов определяется, при этом, выходным сопротивлением операционного усилителя 8, вычитателя 3 и не зависит от величины емкости конденсатора 2. Так как в основе схемы вычитателя 3 лежит схема инвертирующего усилителя, то имеет место инверсия выходного сигнала стабилизатора 1.