Многоканальный источник тока для задания рабочих режимов в двухкубитных и многокубитных системах
MULTICHANNEL CURRENT SOURCE FOR SETTING OPERATING MODES IN TWO-QUBIT AND MULTI-QUBIT SYSTEMS

Предлагаемое изобретение относится к автоматизированным системам специального назначения для обеспечения смещения рабочих точек квантовых многокубитных систем постоянным или переменным током. Изобретение может быть использовано для разработки прецизионных источников тока для смещения рабочих точек сверхпроводящих структур, электрохимии, питания первичных измерительных преобразователей в автоматизированных системах управления, измерения и контроля и т.п.
Известен прецизионный источник тока [KITHLEY Model 224 Programmable Current Source], который предполагает использование 13-битного цифроаналогового преобразователя (ЦАП), преобразователя ток-напряжение на базе резистивного делителя, усилителя напряжения с фиксированным коэффициентом, усилителя-интегратора ошибки формирования тока на выходе устройства, образцовых резисторов. Представляющее способ устройство работает по принципу прямого цифроаналогового преобразования опорного напряжения в напряжение на образцовом резисторе, определяемое заданием по току. Указанный прецизионный источник тока обеспечивает приведенную погрешность значения тока 0.05% в поддиапазонах 10 мкА, 100 мкА, 1 мА и 10 мА и погрешность 0.1% в поддиапазоне 100 мА. Разрешающая способность указанного прецизионного источника тока соответствует 0.05% от максимального по модулю значению в заданном поддиапазоне.
Недостатками описанного прибора являются:
- высокая погрешность формируемого тока, которая определяется точностью формирования напряжения на выходе 13-битного ЦАП и точностью подбора и подстройки образцовых резисторов;
- низкая разрешающая способность, которая не позволяет компенсировать погрешность формирования заданного тока за счет избыточности разрешающей способности;
- высокий уровень синфазных шумов и сетевых помех на выходе высоковольтного усилителя преобразователя напряжение - ток;
- один выходной канал на устройство затрудняет работу с набором структур и заставляет использовать несколько устройств, что увеличивает габариты и энергопотребление экспериментальной установки, а также усложняет автоматизацию эксперимента.
В наибольшей степени требованиям систем автоматического управления соответствует источник стабильного тока [патент RU №2523916, Н03М 1/66, приоритет 21.03.2013], который был взят за прототип одного канала многоканального источника.
В схеме прототипа в качестве опорного элемента используется не источник опорного напряжения (ИОН), не имеющий температурной стабильности и радиационной стойкости, а входящий в модуль тактирования автогенератор, стабилизированный кварцевым резонатором. Он совместно с регистром кода частоты заменяет используемый в известных решениях ИОН (стабилитрон).
Недостатками решения-прототипа являются высокая погрешность установки и низкая разрешающая способность. На погрешность установки выходного тока в прототипе влияет точность подбора номиналов резисторов, используемых в качестве переключаемых последовательных шунтов. Разрешающую способность в прототипе определяет число входов мультиплексора, лежащего в основе частотно-импульсного модулятора (ЧИМ). Такой подход ведет к тому, что для обеспечения разрешающей способности, например, 1% требуется реализовать мультиплексор с количеством входов 100, что делает аппаратное решение громоздким, повышает потребляемую мощность и снижает надежность.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является разработка многоканального источника с повышенной разрешающей способностью и низкой погрешностью.
Поставленная задача достигается тем, что для задания рабочих режимов в двухкубитных и многокубитных системах использован многоразрядный цифроаналоговый преобразователь с числом эффективных разрядов не менее 20, выход которого подключен к инструментальному усилителю, первый каскад которого представляет схему вычитателя напряжения обратной связи, снимаемого с выхода нагрузки, второй каскад которого использует повторитель напряжения с высокой нагрузочной способностью на выходе и высокоомный повторитель напряжения в цепи обратной связи и прецизионного токового шунта на входе. Цифроаналоговый преобразователь содержит прецизионный источник опорного напряжения с низким температурным коэффициентом. Цифроаналоговый преобразователь используется в качестве регулирующего элемента. Повторитель напряжения с высокой нагрузочной способностью, включенный на выходе второго каскада инструментального усилителя используется в качестве формирователя выходного тока совместно с резистором - токовым шунтом.
На фиг. 1 приведена структурная схема многоканального источника тока для задания рабочих режимов в двухкубитных и многокубитных системах.
На фиг. 2 приведена структурная схема одного канала многоканального источника тока для задания рабочих режимов в двухкубитных и многокубитных системах.
На фиг. 3 приведена функциональная схема преобразователя напряжение-ток одного канала многоканального источника тока для задания рабочих режимов в двухкубитных и многокубитных системах источника тока.
l
n
Структурная схема многоканального источника тока для задания рабочих режимов в двухкубитных и многокубитных системах (фиг. 1) содержит контроллер 1, источник питания 2 и n каналов (3-3) источника тока, где n требуемое количество каналов.
Сетевое напряжение питания источника преобразуется источником питания 2, реализованным по схеме трансформаторного изолированного понижающего преобразователя, в постоянные напряжения питания контроллера и каналов источника.
i
Структурная схема одного из каналов многоканального источника тока для задания рабочих режимов в двухкубитных и многокубитных системах источника тока на фиг. 2 обведена пунктиром и обозначена 3. Канал управляется и контролируется контроллером 1 и питается напряжениями, формируемыми на выходе источника питания 2. Структура канала включает цифроаналоговый преобразователь 4, преобразователь напряжение-ток 5, изолятор 6, изолятор 7, разъем подключения нагрузки 8, изолятор 9, оконный компаратор напряжения 10, изолирующий преобразователь 11.
Источник питания 2, реализованный по схеме трансформаторного изолированного понижающего преобразователя обеспечивает питание контроллера 1 и других узлов. Для питания цифроаналогового преобразователя 4 и преобразователя напряжение - ток 5 используется дополнительный изолирующий преобразователь 11. Связь контроллера с другими узлами гальванически изолирована изоляторами 6, 7 и 9 на базе магниторезистивных и оптических изоляторов. Основа предлагаемого источника тока - преобразователь напряжение-ток 5 на базе операционного усилителя и переключаемого механическими реле набора резисторов токового шунтирования. Реле переключения номиналов токового шунта для выбора различных поддиапазонов управляется контроллером. Преобразуемое в ток нагрузки напряжение формируется на выходе цифроаналогового преобразователя 4. Оконный компаратор напряжения 10 определяет моменты выхода напряжения на выходе преобразователя напряжение - ток 5 источника тока за границы высоковольтного питания и, соответственно, с помощью изолированного канала, включающего изолятор 6, и контроллера 1 извещает оператора о выходе сопротивления нагрузки за указанные пределы.
M
H
H
Функциональная схема преобразователя напряжение-ток одного канала многоканального источника показана на фиг. 3 и обведена пунктирной линией. Дифференциальный выход цифроаналогового преобразователя 4 подключен к неинвертирующим входам операционных усилителей первого (ОУ1) 12 и второго (ОУ2) 13, прецизионные резисторы R2 и R3 отрицательных обратных связей подключены одним выводом к выходу операционного усилителя, а другим - к инвертирующему входу, прецизионный резистор R1 подключен к инвертирующим входам ОУ1 и ОУ2, прецизионные резисторы R4 и R5 подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя три (ОУЗ) 14 одним выводом и к выходам ОУ1 и ОУ2 соответственно другим, прецизионный резистор R6 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя ОУЗ одним выводом и к усилителю четыре (У4) 15 другим, прецизионный резистор R7 подключен к выходу усилителя пять (У5) 16 одним выводом и к инвертирующему входу ОУЗ вторым, вход У4 подключен к резистору нагрузки R, вход У5 подключен к выходу ОУЗ, прецизионный резистор R8 подключен к выходу У5 одним выводом и, к резистору нагрузки R и оконному компаратору напряжения 10 вторым, второй вывод R подключен к обратному проводу.
Основа предлагаемого источника тока реализуется на базе инструментального операционного усилителя [см. стр. 466, рис. 25.3 в книге Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982. - 512 с.] по модифицированной схеме, использующей повторитель напряжения на последовательном шунте. В отличие от прототипа, в предлагаемой схеме шум на выходе источника связан только с шумом инструментального усилителя, цифроаналогового преобразователя и источника опорного напряжения.
Кроме того, предлагаемый источник реализуется по схеме преобразователь напряжение-ток с формирователем напряжения на базе цифроаналогового преобразователя с разрешающей способностью много большей чем, требуемая от источника погрешность. В отличие от прототипа, начальный разброс номиналов резисторов, определяющих систематическую погрешность источника, компенсируется контроллером при сопоставлении задания по току на выходе источника с фактическими значениями, регистрируемыми образцовыми приборами.
Высокая разрешающая способность цифроаналогового преобразователя, лежащего в основе источника, позволяет снизить влияние дифференциальной нелинейности передаточной характеристики собственно цифроаналогового преобразователя на разрешающую способность источника.
Усилитель У4 используется как повторитель напряжения на нагрузке.
н
Устройство работает следующим образом. В основе схемы лежит модифицированная схема Хауленда на базе инструментального усилителя на ОУ1, ОУ2 и ОУ3, «опорное» напряжение которого формируется с помощью повторителя напряжения У4, пропорционального выходному току и сопротивлению последовательного шунта (прецизионного резистора) R8. Коэффициент, связывающий дифференциальное напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя ЦАП с током нагрузки на R определяется следующим образом:
Выражение справедливо для случая, когда R2=R3, R4=R5 и R6=R7.
Из выражения, также видно, что ток нагрузки не зависит от сопротивления нагрузки.
ref
Напряжение U на выходе У4 является «опорным» для схемы вычитания на ОУЗ, для которой справедливо выражение:
+
где U и U_ - напряжения на выходах ОУ1 и ОУ2 соответственно.
Из выражения видно, что за счет обратной связи процесс регулирования напряжения на выходе ОУЗ остановится в тот момент, когда оно достигнет значения, при котором напряжение на резисторе R8, повторяемое усилителем У4, будет равно:
Таким образом, задавшись коэффициентом усиления на ОУ1 и ОУ2, коэффициентом усиления при вычитании на ОУЗ (2) и сопротивлением R8, получим ток нагрузки согласно выражению (1).
Для изменения диапазонов рабочих токов на выходе схемы используется набор сопротивлений, включаемых в схему в качестве R8.
Усилитель У5 используется для повышения нагрузочной способности операционного усилителя ОУЗ при формировании токов выше 10 мА.
Возможность компенсации разброса номиналов всех перечисленных выше резисторов с помощью измерения систематических погрешностей образцовыми средствами измерения и последующей их компенсации обеспечивается за счет высокой разрешающей способности ЦАП. Эффективность такой компенсации определяется количеством точек на передаточной характеристике источника, в которых фактический ток на выходе источника сравнивается с заданием. Количество таких точек и возможность использования различных способов аппроксимации ошибки формирования задания определяется только программным обеспечением контроллера в составе источника.
Уровень шума и помех на выходе источника определяется качеством подавления помех в цепях питания цифроаналогового преобразователя. Важную роль при этом играют рабочие токи изоляторов. Традиционные оптические изоляторы создают значительные помехи по цепям питания по причине того, что повышение быстродействия схемы изоляции достигается снижением сопротивлений резисторов на входах и выходах таких приборов и, соответственно, повышением сквозных токов при формировании соответствующих уровней. Снижение уровня помех в цепях питания, общих для цифроаналогового преобразователя и изоляторов обеспечивается за счет применения магнито-резистивных преобразователей. Такие преобразователи позволяют формировать изолируемые уровни с малыми сквозными токами на высоких скоростях. Высокие скорости работы изолятора позволяют повысить эффективность подавления помех в цепях питания традиционными схемами включения блокировочных конденсаторов.
Типовые схемы фильтрации напряжения питания не позволяют избавиться от переменной широкополосной синфазной составляющей напряжения на выходе схемы выпрямления и фильтрации импульсного источника питания. В то же время переменная синфазная составляющая выходного напряжения в сложных эквивалентных схемах питаемых цепей преобразуется в дифференциальную составляющую с коэффициентами, определяемыми отношениями паразитных емкостей цепей питания относительно обратного провода, корпуса и т.д. Эффективность снижения уровня синфазной составляющей повышается за счет снижения паразитной емкости, связывающей первичные и вторичные цепи изолирующих преобразователей напряжений питания. Такой подход заставляет повышать число изолирующих преобразователей, емкости первичных и вторичных цепей которых уменьшаются при последовательном их соединении.
Предлагаемое устройство, реализованное на современной элементной базе, обеспечивает формирование постоянного тока с погрешностью 0.01% относительно поддиапазона и разрешающей способностью 0.001% относительно поддиапазона в нагрузке с сопротивлением:
от 0 до 100 Ом в поддиапазоне 0 ÷ ±100 мА;
от 0 до 1 кОм в поддиапазоне 0÷ ±10 мА;
от 0 до 10 кОм в поддиапазоне 0÷ ±1 мА;
от 0 до 100 кОм в поддиапазоне 0÷ ±100 мкА;
от 0 до 1 МОм в поддиапазоне 0÷ ±10 мкА;
от 0 до 10 МОм в поддиапазоне 0÷ ±1 мкА.
Техническим результатом применения изобретения является повышение разрешающей способности и снижение погрешности значения тока, формируемого источником за счет использования схемы с прецизионными резисторами с фиксированными номиналами, цифроаналогового преобразователя с высокой разрешающей способностью, схемы повторителя напряжения на нагрузке, обеспечивающей максимальную линеаризацию обратной связи схемы преобразования напряжение - ток.