Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области электротехники, в частности к устройствам формирования опорного напряжения и может быть использована при создании малошумящих источников стабильного напряжения постоянного тока.
Уровень техники
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.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (патент RU 2428736, МПК G05F 3/08, 2011).
Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов содержит источник опорного напряжения, два конденсатора, два вычитателя, инвертор, причем: выход источника опорного напряжения подключен непосредственно к первому контакту первого конденсатора, второму входу первого вычитателя и через инвертор к первому контакту второго конденсатора, второму входу второго вычитателя; первые входы первого вычитателя и второго вычитателя подключены, соответственно, ко вторым контакам первого конденсатора и второго конденсатора; выходы первого и второго вычитателей являются выходами устройства.
Первый и второй вычитатели содержат по четыре резистора и операционному усилителю: 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 вычитателей; 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.
ФВЧ.прот
Схема устройства формирования двухполярного опорного напряжения по выходу «+» и по выходу «-» в некоторой степени симметрична. Подавление шумовой составляющей по каждому из выходов, в значительной мере, определяется постоянными времени фильтров высоких частот прототипа τ образованных:
- по выходу «-» первым конденсатором C1, первым и вторым резисторами R1, R2 первого вычитателя;
- по выходу «+» вторым конденсатором С2, первым и вторым резисторами R8, R9 второго вычитателя,
ШС.прот
а значит фазовый сдвиг шумовой составляющей по каждому из выходов прототипа ϕ(ω), где ω - текущая частота, выделенной шумовой составляющей будет определяться зависимостью
ФВЧ.прот
При этом на τ, для успешного подавления шумов, накладывается условие:
ФВЧ.прот
1
2
1
2
8
9
ФВЧ.прот
ШС.прот
ПШ.прот
Так как выполнение условия (3) технически неосуществимо (увеличение номиналов элементов, с целью увеличения τ, приведет к неустойчивой работе операционных усилителей вычитателей), а значит, будет неполное подавление шумовой составляющей (в области инфранизких частот), или иначе говоря, будет узкополосная компенсация шумовой составляющей выходных напряжений «-» и «+» источника опорного напряжения, в силу возникающего фазового сдвига. В частности, моделирование процесса формирования двухполярного 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=С=1 мкФ; R=R=R=R=500 кОм; (τ=1 с), показало частотную зависимость как фазового сдвига шумовой составляющей прототипа ϕ(ω), так и коэффициента подавления шума прототипа K(ω), таблица 1.
ш.прот
Мгновенный уровень выходного напряжения «-» и «+» шума устройства прототипа U определяется выражением:
ш.ИОН
где U - мгновенный уровень шума источника опорного напряжения (ИОН);
ш.ОУ.выч
U - мгновенный уровень шума операционного усилителя (ОУ) вычитателя;
ш.ОУ.инв
U(ω) - мгновенный уровень шума ОУ инвертора.
Исследования показали возможность понижения шума ИОН (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/AD584.pdf);
- ARD292 (chrome-extension://oemmndcbldboiebfnladdacbdfmadadm/http:// all-components.ru/pdf/ad/adr290.pdf)),
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.
ФВЧ
ФВЧ
Недостатком устройства прототипа является значительный уровень шумовой составляющей инфранизкочастотного диапазона, при одновременно высоких требованиях к величине емкости конденсаторов (в идеале, для постоянных времени τ желательно выполнение условия: τ>>1 с).
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к снижению уровня шумов.
Технический результат достигается тем, что в устройство формирования двухполярного опорного напряжения содержащее источник опорного напряжения, инвертор, два конденсатора, два вычитателя, при этом: выход источника опорного напряжения подключен непосредственно к первому контакту первого конденсатора, второму входу первого вычитателя и, через инвертор, к первому контакту второго конденсатора, второму входу второго вычитателя; выходы первого и второго вычитателей являются выходами устройства, соответственно, «-» и «+», введены два повторителя напряжения: выход первого повторителя напряжения подключен к первому входу первого вычитателя, а вход первого повторителя напряжения соединен со вторым контактом первого конденсатора; выход второго повторителя напряжения подключен к первому входу второго вычитателя, а вход второго повторителя напряжения соединен со вторым контактом второго конденсатора.
Первый и второй вычитатели содержат по четыре резистора и операционному усилителю: 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 вычитателей; 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.
Первый и второй повторители напряжения содержат операционный усилитель, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя подключен ко входу повторителя напряжения, инвертирующий вход операционного усилителя соединен с выходом операционного усилителя и выходом повторителя напряжения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.
На фиг. 2 представлены функциональные схемы повторителей напряжения.
На фиг. 3 представлены функциональные схемы вычитателей.
На фиг. 4 представлена функциональная схема инвертора.
На фиг. 5 представлена модель устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов выполненная в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12.
Осуществление полезной модели
Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, фиг. 1, содержит источник опорного напряжения (ИОН) 1, конденсаторы 2 и 6, повторители напряжения 3 и 7, вычитатели 4 и 8, инвертор 5, причем: выход источника опорного напряжения 1 подключен непосредственно к первому контакту первого конденсатора 2, второму входу вычитателя 4 и, через инвертор 5, к первому контакту второго конденсатора 6, второму входу вычитателя 8; второй контакт первого конденсатора 2 соединен со входом повторителя напряжения 3, выход которого подключен к первому входу вычитателя 4; второй контакт второго конденсатора 6 соединен со входом повторителя напряжения 7, выход которого подключен к первому входу вычитателя 8.
Повторитель напряжения 3, фиг. 2.а, содержит операционный усилитель 9, причем: неинвертирующий вход операционного усилителя 9 служит входом повторителя напряжения 3; выход операционного усилителя 9 служит выходом повторителя напряжения 3; инвертирующий вход операционного усилителя 9 соединен с выходом операционного усилителя 9.
Вычитатель 4, фиг. 3.а, содержит четыре резистора 10÷13 и операционный усилитель 14, при этом: выход операционного усилителя 14 служит выходом вычитателя 4; неинвертирующий вход операционного усилителя 14 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора 10 и второго резистора 11; инвертирующий вход операционного усилителя 14 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора 12 и четвертого резистора 13; первые контакты первого резистора 10 и третьего резистора 12 являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя 4; второй контакт второго резистора 11 заземлен; второй контакт четвертого резистора 13 подключен к выходу операционного усилителя 14.
Инвертор 5, фиг. 4, содержит три резистора 15÷17 и операционный усилитель 18, при этом: выход операционного усилителя 18 служит выходом инвертора 5; 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.
Повторитель напряжения 7, фиг. 2.б, содержит операционный усилитель 19, причем: неинвертирующий вход операционного усилителя 19 служит входом повторителя напряжения 7; выход операционного усилителя 19 служит выходом повторителя напряжения 7; инвертирующий вход операционного усилителя 19 соединен с выходом операционного усилителя 19.
Вычитатель 8, фиг. 3.б, содержит четыре резистора 120÷23 и операционный усилитель 24, при этом: выход операционного усилителя 24 служит выходом вычитателя 8; неинвертирующий вход операционного усилителя 24 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора 20 и второго резистора 21; инвертирующий вход операционного усилителя 24 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора 22 и четвертого резистора 23; первые контакты первого резистора 20 и третьего резистора 22 являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя 8; второй контакт второго резистора 21 заземлен; второй контакт четвертого резистора 23 подключен к выходу операционного усилителя 24.
Устройство формирования двухполярного 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); сопротивлений нагрузки устройства (резисторы R12 и R13); электроизмерительных приборов (ХММ1, ХММ2, ХММ3, ХММ4, Amp1, Amp2); осциллографов (XSC1, XSC2).
ИОН
C
Выходной сигнал ИОН 1 U, фиг. 1, содержит шумовую составляющую U, выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 2 (С1, фиг. 5) и поступающую на вход повторителя напряжения 3.
Повторитель напряжения 3 выполнен по схеме неинвертирующего усилителя со стопроцентной обратной связью и характеризуется параметрами:
вх.ОУ9
ОУ9
где R, K - входное (дифференциальное) сопротивление и коэффициент усиления операционного усилителя (ОУ) 9;
вх.ПН3
ПН3
R, K - входное сопротивление и коэффициент усиления (передачи) повторителя напряжения 3.
Выделенная шумовая составляющая, с выхода повторителя напряжения 3, и выходной сигнал источника опорного напряжения 1 поступают на входы вычитателя 4, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.
ПН3
Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени цепи повторителя напряжения 3 τ (образованной конденсатором 2 и входным сопротивлением повторителя напряжения 3), являющейся, по сути, RC-фильтром высоких частот. Что обеспечивает фазовый сдвиг шумовой составляющей  по выходу «-», в соответствии с выражением (6)
где
2
где С1 - емкость конденсатора 2;
- постоянная времени фильтра высоких частот устройства по выходу «-».
При этом на  накладывается условие:
На сопротивления резисторов вычитателя 4 накладывается условие
10
11
l2
13
где R1, R2, R3, R4 - 1÷4 резисторы (элементы 10÷13) вычитателя 4, с сопротивлением 50 кОм, фиг. 5.
Мгновенный уровень выходного напряжения шума устройства по выходу «-»  определяется выражением:
ш.ОУ.ПН3
где U - мгновенный уровень шума операционного усилителя 9 повторителя напряжения 3;
ш.ОУ.выч 4
U - мгновенный уровень шума операционного усилителя 14 вычитателя 4;
- коэффициента подавления шума устройства по выходу «-» .
В силу целесообразности использования одного и того же типа операционного усилителя в составе схем повторителя напряжения 3 и вычитателя 4, выражение (10) примет вид:
ш.ОУ
где U - мгновенный уровень шума операционного усилителя используемого в составе схем повторителя напряжения 3 и вычитателя 4.
вх.ОУ.
ОУ
вх.ПН3
5
6
Учитывая значительное входное сопротивление операционного усилителя 9 используемого в схеме повторителя напряжения 3 (например, ИМС ОР07С, с параметрами К=8÷33 МОм, K=100÷120 дБ (10÷10) (http://pdfl.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73497/MAXIM/OP07CCSA.html), входное сопротивление повторителя напряжения 3 R R значительно превышает 1 ГОм (даже с учетом токов утечки). Что, в свою очередь, несмотря на неполное выполнение условия (8), но с учетом выполнения условия (12)
способствует лучшему подавлению шумовой составляющей (особенно в области инфранизких частот) в сигнале по выходу «-» устройства формирования опорного напряжения полезной модели по сравнению с прототипом.
Инвертор 5 осуществляет инвертирование выходного сигнала источника опорного напряжения 1 с коэффициентом передачи равным единице. Сопротивления резисторов инвертора 5 задаются согласно условию:
17
где R7 - сопротивление первого резистора 17, инвертора 5;
l6
R6 - сопротивление второго резистора 16, инвертора 5;
17
R7 - сопротивление третьего резистора 17, инвертора 5.
инв
C2
Выходной сигнал инвертора 5 U, фиг. 1, содержит шумовую составляющую U, выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 6 (С2, фиг. 5) и поступающую на вход повторителя напряжения 7.
Повторитель напряжения 7 выполнен по схеме неинвертирующего усилителя со стопроцентной обратной связью и характеризуется параметрами:
вх.ОУ19
ОУ19
где R, K - входное (дифференциальное) сопротивление и коэффициент усиления операционного усилителя 19;
вх.ПН7
ПН7
R, K - входное сопротивление и коэффициент усиления (передачи) повторителя напряжения 7.
Выделенная шумовая составляющая, с выхода повторителя напряжения 7, и выходной сигнал инвертора 5 поступают на входы вычитателя 8, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.
ПН7
Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени цепи повторителя напряжения 7 τ (образованной конденсатором 6 и входным сопротивлением повторителя напряжения 7), являющейся, по сути, RC-фильтром высоких частот. Что обеспечивает фазовый сдвиг шумовой составляющей  по выходу «+», в соответствии с выражением (15)
где
6
где С2 - емкость конденсатора 6;
- постоянная времени фильтра высоких частот устройства по выходу «+».
При этом на  накладывается условие:
На сопротивления резисторов вычитателя 8 накладывается условие
20
21
22
23
где R8, R9, R10, R11 - 1÷4 резисторы (элементы 20÷23) вычитателя 8, с сопротивлением 50 кОм, фиг. 5.
Мгновенный уровень выходного напряжения шума устройства по выходу «+»  определяется выражением:
ш.ОУ.ПН7
где U - мгновенный уровень шума операционного усилителя 19 повторителя напряжения 7;
ш.ОУ.выч 8
U - мгновенный уровень шума операционного усилителя 24 вычитателя 8;
ш.ОУ.инв
U(ω) - мгновенный уровень шума операционного усилителя 18 инвертора 5;
- коэффициента подавления шума устройства по выходу «+» .
В силу целесообразности использования одного и того же типа операционного усилителя в составе схем инвертора 5, повторителя напряжения 7 и вычитателя 8, выражение (19) примет вид:
ш.ОУ
где U - мгновенный уровень шума операционного усилителя используемого в составе схем инвертора 5, повторителя напряжения 7 и вычитателя 8.
вх.ОУ
ОУ
вх.ПН7
5
6
Учитывая значительное входное сопротивление операционного усилителя 19 используемого в схеме повторителя напряжения 7 (например, ИМС ОР07С, с параметрами R=8÷33 МОм, K=100÷120 дБ (10÷10) (http://pdfl.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73497/MAXIM/OP07CCSA.html), входное сопротивление повторителя напряжения 7 R значительно превышает 1 ГОм (даже с учетом токов утечки). Что, в свою очередь, несмотря на неполное выполнение условия (17), но с учетом выполнения условия (21)
способствует лучшему подавлению шумовой составляющей (особенно в области инфранизких частот) в сигнале по выходу «+» устройства формирования двухполярного опорного напряжения полезной модели по сравнению с прототипом.
вх.ПН
2
6
ФВЧ
ФВЧ
Моделирование процесса формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (выполненное в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12), с использованием в составе схем инвертора 5, повторителей напряжения 3 и 7, вычитателей 4 и 8 ОУ ИМС ОР07С (R=≈1 ГОм) и конденсаторов 2 и 6 емкостью С1=С2=0,1 мкФ (τ=100 с), а так же 0,01 мкФ (τ=10 с), показало
2
6
Исследования показали возможность понижения шума ИОН (в частности, ИМС МАХ872, ADR584, ARD292 при использовании в качестве ОУ ИМС ОР07С, и конденсаторов 2 и 6 с емкостью С1=С2=0,1 мкФ, таблица 4.
Как следует из анализа данных таблиц 1÷4, предлагаемое устройство обеспечивает наиболее значительное снижение уровня шумовой составляющей выходных сигналов в инфранизкочастотном диапазоне, при одновременном снижении требований к величине емкости конденсатора 2 и 6.