МАЛОШУМЯЩИЙ СТАБИЛИЗАТОР ТОКА С ВЫСОКОЙ ЛИНЕЙНОСТЬЮ
LOW-NOISE HIGH-LINEARITY CURRENT STABILISER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании прецизионных источников тока питания измерительных устройств и датчиков.
Токовая запитка с двухпроводной схемой подключения датчика используется во множестве измерительных устройств. Однако недостатком большинства схем является низкая линейность и шумы, что ограничивает динамический диапазон датчика.
Известен стабилизатор постоянного тока, содержащий двухтактный регулирующий элемент, выполненный на первом транзисторе n-p-n-типа и втором транзисторе p-n-p-типа, эмиттеры которых соединены с первыми выводами соответственно первого и второго резисторов, а коллекторы соответственно через третий и четвертый резисторы подключены к выводам для подключения первого и второго источников питания, на третьем транзисторе p-n-p-типа и четвертом транзисторе n-p-n-типа, базы которых подключены к коллекторам соответственно первого и второго транзисторов, на пятом транзисторе p-n-p-типа и шестом транзисторе n-p-n-типа, эмиттеры которых соединены с первыми выводами соответственно первого и второго резистивных датчиков тока, и на пятом и шестом резисторах, операционный усилитель, выход которого подключен к входу двухтактного регулирующего элемента, выходом соединенного с выводом для подключения нагрузки, и цифроаналоговый преобразователь, входы которого соединены с выводами для подключения источника цифрового сигнала, введены суммирующий усилитель, резистор обратной связи, седьмой резистор и четыре резистивных делителя напряжения, а двухтактный регулирующий элемент снабжен третьим и четвертым резистивными датчиками тока, причем неинвертирующий вход суммирующего усилителя через седьмой резистор подключен к общей шине, а инвертирующий вход через резистор обратной связи соединен с выходом суммирующего усилителя, подключенным к входу аналогового сигнала цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующим входом подключенного к общей шине, при этом базы первого и второго транзисторов двухтактного регулирующего элемента соединены с общей шиной, вторые выводы первого и второго резисторов соединены между собой и их общая точка использована в качестве входа двухтактного регулирующего элемента, коллекторы третьего и четвертого транзисторов подключены к общей шине, а эмиттеры соответственно через пятый и шестой резисторы соединены с выводами для подключения первого и второго источников питания, к которым подключены вторые выводы соответственно первого и второго резистивных датчиков тока, первые выводы третьего и четвертого резистивных датчиков тока соединены с эмиттерами соответственно третьего и четвертого транзисторов и соответственно через первый и второй резистивные делители напряжения подключены к вторым выводам первого и второго резистивных датчиков тока, вторые выводы третьего и четвертого резистивных датчиков тока соединены с базами соответственно пятого и шестого транзисторов и соответственно через третий и четвертый резистивные делители напряжения подключены к эмиттерам этих транзисторов, коллекторы пятого и шестого транзисторов соединены между собой и их общая точка использована в качестве выхода двухтактного регулирующего элемента, средние точки первого и второго резистивных делителей напряжения подключены к инвертирующему входу суммирующего усилителя, а средние точки третьего и четвертого резистивных делителей напряжения - к неинвертирующему (см. патент РФ №2024916, G05F 1/56, 1994 г.).
Недостатком указанного стабилизатора является сложность конструкции.
Наиболее близким к предложенному является стабилизатор постоянного тока, содержащий первый биполярный транзистор одного типа проводимости, база и эмиттер которого соответственно через стабилитрон и первый резистор подключены к первой выходной шине, второй и третий биполярные транзисторы другого типа проводимости, причем база и коллектор второго транзистора подключены соответственно к коллектору и базе первого транзистора, а эмиттер второго транзистора через второй резистор соединен с второй выходной шиной устройства, база и коллектор третьего транзистора подключены соответственно к коллектору и эмиттеру первого транзистора, а эмиттер третьего транзистора через третий резистор соединен с второй выходной шиной (см. патент РФ №2024918, G05F 1/56, 1994 г).
Недостатком данного стабилизатора постоянного тока является недостаточная линейность и высокий уровень шума.
Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение линейности и снижение уровня шумов стабилизатора тока.
Указанный результат достигается тем, что малошумящий стабилизатор тока с высокой линейностью, содержащий два биполярных транзистора различного типа проводимости, стабилитрон и три резистора, дополнительно снабжен двумя полевыми транзисторами с p-n-переходом и каналом n-типа, вторым стабилитроном, четвертым и пятым резисторами и двумя конденсаторами, первый из которых включен между земляной шиной и шиной питания, а второй - параллельно первому стабилитрону, база первого биполярного транзистора n-p-n - типа через параллельно соединенные конденсатор и стабилитрон соединена с эмиттером второго биполярного транзистора, коллектор первого биполярного транзистора соединен с шиной питания и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с катодом первого стабилитрона, анод которого соединен с эмиттером второго биполярного транзистора и катодом второго стабилитрона, анод которого вместе с коллектором второго биполярного транзистора и первым выводом первого резистора подключен к земляной шине, причем второй вывод первого резистора соединен с объединенными базой второго биполярного транзистора и истоком первого полевого транзистора, затвор которого через второй резистор подключен к выходной шине и первым выводам пятого и третьего резисторов, вторые выводы которых подключены к затвору и истоку второго полевого транзистора, сток которого соединен с эмиттером первого биполярного транзистора, исток второго полевого транзистора объединен со стоком первого полевого транзистора.
На чертеже приведена схема предлагаемого стабилизатора тока, который содержит первый и второй полевые транзисторы 1 и 2, биполярные транзисторы 3, 4, первый и второй стабилитроны 5 и 6, конденсаторы 7, 8, пять резисторов 9-13, шину питания 14, земляную шину 15 и выходную шину 16.
Источник питания подключают к шине питания 14, нагрузку включают между выходной шиной 16 и земляной шиной 15. Шина питания 14 соединена с коллектором биполярного транзистора 3, эмиттер которого через последовательно включенные цепи сток - исток полевых транзисторов 1, 2 соединен с базой биполярного транзистора 4. База биполярного транзистора 3 через параллельно соединенные конденсатор 8 и стабилитрон 5 соединена с эмиттером биполярного транзистора 4, параллельно которому включен стабилитрон 6. Стабилитроны 5, 6 ограничивают уровень напряжения сток - исток входных полевых транзисторов 1, 2.
При возрастании (падении) напряжения на затворе полевого транзистора 2 вследствие уменьшения (увеличения) сопротивления нагрузки имеет место точно такое же по величине уменьшение (увеличение) сопротивления цепи биполярный транзистор 3 - каскад малошумящих полевых транзисторов 1, 2, компенсирующее изменение тока в нагрузке.
Аналогичным образом при возрастании (падении) питающего напряжения возрастает (падает) сопротивление упомянутой цепи, обеспечивая стабилизацию тока в нагрузке.
Малошумящие приборы (в частности, специализированные малошумящие полевые транзисторы) обычно имеют ограничение на допустимые напряжения питания, либо для обеспечения низких утечек и собственно малошумного режима требуется пониженное напряжение питания. Предложенное техническое решение допускает использование низковольтных малошумящих приборов в высоковольтной схеме, обеспечивая при этом как низкий уровень шума (например, 0,001 мкВ/√Гц), так и чрезвычайно высокую линейность.
Стабилитрон 5 и транзистор 3 обеспечивают наиболее благоприятный, в том числе в отношении минимизации шума режим работы полевых транзисторов 1 и 2, одновременно стабилитрон 6 защищает биполярный транзистор 4 от пробоя. Устойчивость работы стабилизатора в условиях воздействия радиопомех обеспечивают резисторы 10 и 13.
Транзисторы 3,4, полевой транзистор 1 и стабилитрон 5 образуют стабилизатор напряжения сток - затвор полевого транзистора 2. Стабилитрон 6 защищает схему от перенапряжения, после его отпирания линейность падает, но схема сохраняет работоспособность.
Резисторы 10 и 13 используются для подавления ВЧ радиопомех, их размещают на выводах затворов транзисторов 1 и 2, так что они образуют RC-цепь с входными емкостями транзисторов. Полевой транзистор 1 образует повторитель для упомянутого стабилизатора. Как показали проведенные испытания, предлагаемый стабилизатор тока является помехоустойчивым, малошумящим и высоколинейным.