Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов
DEVICE FOR FORMING REFERENCE VOLTAGE WITH A 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
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 421002А (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 2496132, МПК G05F 3/08, 20.10.2013).
Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов содержит стабилизатор, преобразователь, разделительный конденсатор, вычитатель, причем выход стабилизатора соединен со входом преобразователя, выход которого, непосредственно и через разделительный конденсатор, соединен, соответственно, с первым и вторым входами вычитателя, выход которого является выходом устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.
Преобразователь, содержит конденсатор, четыре резистора и операционный усилитель: выход операционного усилителя служит выходом преобразователя; неинвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого и второго резистора; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего и четвертого резистора; вход преобразователя соединен непосредственно и через конденсатор с первыми контактами третьего и первого резистора; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя.
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 и второго резистора; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего и четвертого резистора; первые контакты первого и третьего резистора являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя.
При этом следует отметить, что преобразователь формирует первую ступень подавления шумовой составляющей стабилизатора, а разделительный конденсатор и вычитатель формируют вторую ступень подавления шумовой составляющей стабилизатора.
Степень подавления шумовой составляющей, в значительной мере, определяется постоянными времени фильтров высоких частот ступеней подавления шумовой составляющей прототипа  образованных:
- конденсатором С1, первым и вторым резисторами R1, R2 преобразователя - ;
- разделительным конденсатором С2, первым и вторым резисторами R5, R6 вычитателя - .
С учетом равенства емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов:
При этом на , для успешного подавления шумов, накладывается условие:
В идеале
1
2
1
2
3
4
5
6
7
8
ПШ
прот
=
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 параметрами: С=С0,22 мкФ; R=R=R=R=R=R=R=Я=500 кОм; (), показало частотную зависимость коэффициента подавления шума прототипа К.(ω), таблица 1.
ш.прот
Мгновенный уровень выходного напряжения шума устройства прототипа U определяется выражением:
ш.стаб
где U - мгновенный уровень шума стабилизатора;
ш.ОУ.выч
U - мгновенный уровень шума операционного усилителя (ОУ) вычитателя.
Исследования показали возможность понижения шума стабилизатора, в частности, ИМС МАХ874 с выходным шумовым напряжением 90 мкВ (пик-пик) в полосе частот 0.1÷10 Гц (http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73832/MAXIM/MAX872.html), при использовании в качестве ОУ вычитателей и инвертора 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 конденсаторов (в идеале, для постоянных времени  желательно выполнение условия:).
Раскрытие изобретения
Технический результат достигается тем, что в устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов содержащее стабилизатор, преобразователь, разделительный конденсатор, вычитатель, причем выход стабилизатора подключен через преобразователь к первому контакту разделительного конденсатора, второму входу вычитателя; выход вычитателя является выходом устройства, при этом, 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 и второго резистора; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего и четвертого резистора; первые контакты первого и третьего резистора являются, соответственно, первым и вторым входом вычитателя; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя, а преобразователь содержит: конденсатор, четыре резистора и операционный усилитель, выход которого служит выходом преобразователя; 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 и четвертого резистора; вход преобразователя соединен с первыми контактами конденсатора и третьего резистора; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя, введены операционный усилитель в преобразователь, а именно - инвертирующий вход введенного операционного усилителя соединяется со своим выходом и первым контактом первого резистора, а неинвертирующий вход введенного операционного усилителя подключается к второму контакту конденсатора, и повторитель напряжения, выход которого подключается к первому входу вычитателя, а вход к второму контакту разделительного конденсатора, при этом, повторитель напряжения содержит операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен ко входу повторителя напряжения, а инвертирующий вход операционного усилителя соединен с выходом операционного усилителя и выходом повторителя напряжения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.
На фиг. 2 представлена функциональная схема преобразователя.
На фиг. 3 представлена функциональная схема повторителя напряжения.
На фиг. 4 представлена функциональная схема вычитателя.
На фиг. 5 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, преобразователь 2, разделительный конденсатор 3, повторитель напряжения 4, вычитатель 5, причем: выход стабилизатора 1 подключен через преобразователь 2 к первому контакту разделительного конденсатора 3, второму входу вычитателя 5; второй контакт разделительного конденсатора 3, через повторитель напряжения 4, подключен к первому входу вычитателя 5; выход вычитателя 5 является выходом устройства.
Преобразователь 2, фиг. 2, содержит конденсатор 6, четыре резистора 8÷11, два операционных усилителя 7 и 12, причем: выход операционного усилителя 12 служит выходом преобразователя 2; неинвертирующий вход операционного усилителя 12 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 8 и резистора 9; инвертирующий вход операционного усилителя 12 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 10 и резистора 11; вход преобразователя 2 соединен непосредственно и, через конденсатор 6, с неинвертирующим входом операционного усилителя 7 и первым контактом резистора 10; второй контакт резистора 9 заземлен; второй контакт резистора 11 подключен к выходу операционного усилителя 12; инвертирующий вход операционного усилителя 7 соединен с выходом операционного усилителя 7 и с первым контактом резистора 8.
Повторитель напряжения 4, фиг. 3, содержит операционный усилитель 13, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя 13 подключен ко входу повторителя напряжения 4, инвертирующий вход операционного усилителя 13 соединен с выходом операционного усилителя 13 и выходом повторителя напряжения 4.
Вычитатель 5, фиг. 4, содержит четыре резистора 14÷17 и операционный усилитель 18, причем: выход операционного усилителя 18 служит выходом вычитателя 5; неинвертирующий вход операционного усилителя 18 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 14 и резистора 15; инвертирующий вход операционного усилителя 18 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 16 и резистора 17; первые контакты резистора 14 и резистора 16 являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя 5; второй контакт резистора 15 заземлен; второй контакт резистора 17 подключен к выходу операционного усилителя 18.
В качестве особенности схемного решения преобразователя 2 следует отметить:
- на операционном усилителе 7 выполнена схема повторения напряжения на операционном усилителе 7;
- на операционном усилителе 12 и резисторах 8÷11 выполнена схема вычитания напряжения на операционном усилителе 12.
Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов работает следующим образом.
Анализ работы устройства проведем с опорой на модель, фиг. 5, 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 R9); электроизмерительных приборов (ХММ1, ХММ2, Amp1); осциллографов (XSC1, XSC2).
стаб
Выходной сигнал стабилизатора 1 U, фиг. 1, содержит шумовую составляющую, выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 6 (С1, фиг. 5) и поступающую на вход схемы повторения напряжения на операционном усилителе (СПН на ОУ) 7.
СПН на ОУ 7 выполнен по схеме неинвертирующего усилителя со стопроцентной обратной связью и характеризуется параметрами:
вх.ОУ7
ОУ7
где R, K - входное (дифференциальное) сопротивление и коэффициент усиления операционного усилителя (ОУ) 7;
вх.СПН наОУ7
СПН на ОУ7
R, K - входное сопротивление и коэффициент усиления (передачи) СПН на ОУ 7.
Выделенная шумовая составляющая, с выхода СПН на ОУ 7, и выходной сигнал стабилизатора 1 поступают на входы схемы вычитания напряжения на операционном усилителе (СВН на ОУ) 12, осуществляющей компенсацию (подавление) шумовой составляющей.
При этом следует отметить, что посредством преобразователя 2 формируется первая ступень подавления шумовой составляющей стабилизатора 1.
СПН на ОУ7
Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени цепи СПН на ОУ 7 τ (образованной конденсатором 6 и входным сопротивлением СПН на ОУ 7), являющейся, по сути, RC-фильтром высоких частот. При этом фазовый сдвиг шумовой составляющей стабилизатора 1, вносимый первой ступенью подавления шумовой составляющей стабилизатора 1 (ω) определяется выражением (6)
где
6
где С1 - емкость конденсатора С1, фиг. 5 (элемента 6, фиг. 2);
- постоянная времени фильтра высоких частот первой ступени подавления шумовой составляющей стабилизатора 1.
При этом на  накладывается условие:
На сопротивления резисторов СВН на ОУ 12 накладывается условие
8
9
l0
11
где R1, R2, R3, R4 - резисторы R1÷R4 (элементы 8÷11 преобразователя 2, фиг. 2), с сопротивлением 50 кОм, фиг. 5.
Мгновенный уровень выходного напряжения шумовой составляющей на выходе преобразователя 2, а по сути, первой ступени подавления шумовой составляющей стабилизатора 1  определяется выражением:
ш.ОУ.СПН на ОУ7
где U - мгновенный уровень шума операционного усилителя 7 СПН на ОУ 7 преобразователя 2;
ш.ОУ.СВН на ОУ12
U - мгновенный уровень шума операционного усилителя 12 СВН на ОУ 12 преобразователя 2;
- коэффициент подавления шума первой ступенью подавления шумовой составляющей стабилизатора 1.
В силу целесообразности использования одного и того же типа операционного усилителя в составе СПН на ОУ 7 и СВН на ОУ 12, выражение (10) примет вид:
где  - мгновенный уровень шума операционного усилителя используемого в составе СПН на ОУ 7 и СВН на ОУ 12
(преобразователя 2).
вх.ОУ
ОУ
вх.СПН на ОУ7
5
6
Учитывая значительное входное сопротивление операционного усилителя 7 используемого в СПН на ОУ 7 (например, ИМС ОР07С, с параметрами R=8÷33 МОм, K=100÷120 дБ (10÷10) (http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73497/MAXIM/OP07CCSA.html), входное сопротивление СПН на ОУ 7 R значительно превышает 1 ГОм (даже с учетом токов утечки), что несомненно позволяет снизить требования к величине емкости конденсатора C1 (элемент 6) до приемлемой величины, как в случае микроминиатюрного исполнения устройства, так и в целях повышения стабильности его работы, что, однако, не способствует, в полной мере, выполнению условия (8), а значит и полному подавлению шумовой составляющей в выходном напряжении стабилизатора 1.
Дальнейшее подавление шумовой составляющей стабилизатора 1 осуществляется посредством разделительного конденсатора 3, повторителя напряжения 4 и вычитателя 5 (структура совокупности данных элементов идентична структуре преобразователя 2, фиг. 5), выполняющих функцию второй ступени подавления шумовой составляющей в выходном напряжении стабилизатора 1.
С учетом, что структура второй ступени подавления шумовой составляющей в выходном напряжении стабилизатора 1 повторяет структуру первой ступени подавления шумовой составляющей и использования однотипных операционных усилителей, мгновенный уровень выходного напряжения шумовой составляющей на выходе вычитателя 5, а по сути, второй ступени подавления шумовой составляющей стабилизатора 1  определяется выражением:
где  - коэффициент подавления шума второй ступенью подавления шумовой составляющей стабилизатора 1.
- мгновенный уровень шума операционных усилителей 13 и 18 используемых в составе схем повторителя напряжения 4 и вычитателя 5.
В силу идентичности структур ступеней подавления шумовой составляющей стабилизатора 1, правомерно:
ПШ
где K - коэффициент подавления шума стабилизатора 1.
ш
Мгновенный уровень выходного напряжения шума на выходе устройства U определяется выражением:
ш.ОУ
где U - мгновенный уровень шума операционных усилителей используемых в составе схем блоков устройства.
Выражение (14) справедливо при выполнении условий (15)÷(18).
3
где С2 - емкость конденсатора С2, фиг. 5, (элемента 3, фиг. 1);
вх.ОУ13
ОУ13
где R, K - входное (дифференциальное) сопротивление и коэффициент усиления ОУ 13;
вх.ПН4
ПН4
R, K - входное сопротивление и коэффициент усиления (передачи) повторителя напряжения 4.
- постоянная времени фильтра высоких частот второй ступени подавления шумовой составляющей стабилизатора 1.
14
l5
l6
17
где R5, R6, R7, R8 - резисторы R5÷R8 (элементы 14÷17 вычитателя 5, фиг. 4), с сопротивлением 50 кОм, фиг. 5.
ФВЧ
Моделирование процесса формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (выполненное в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12), с использованием ОУ ИМС ОР07С, а так же конденсаторов C1, С2 (элементов 6, 3) емкостью 0,01 мкФ (τ=10 с), показало
Исследования показали возможность понижения шума стабилизатора, в частности, ИМС МАХ874 с выходным шумовым напряжением 90 мкВ (пик-пик) в полосе частот 0.1÷10 Гц (http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73832/MAXIM/ MAX872.html), при использовании в качестве ОУ ИМС ОР07С, с эквивалентным входным шумом 0,38 мкВ (пик-пик) в полосе частот 0.1÷10 Гц (http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73497/MAXIM/OP07CCSA.html), и конденсаторов C1, С2 (элементов 6, 3) емкостью 0,01 мкФ, таблица 4.
Как следует из анализа данных таблиц 1÷4, предлагаемое устройство обеспечивает более значительное снижение уровня шумовой составляющей инфранизкочастотного диапазона выходного сигнала стабилизатора, в сравнении с прототипом, при одновременном снижении требований к величине емкости конденсаторов C1, С2 (элементов 6, 3).