СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
METHOD TO GENERATE REFERENCE VOLTAGE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам формирования опорного напряжения, и может быть использовано при создании источников стабильного напряжения постоянного тока.
Уровень техники
Известен способ формирования опорного напряжения, включающий операции: стабилизации выходного напряжения; последующей фильтрации выходного напряжения ((http://www.datasheetarchive.com/MAX872-datasheet.html), (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1997 г. - 704 с., см. стр.361)).
Недостатком данного способа и устройства его реализации является значительный уровень низкочастотных шумов.
Неэффективность операции фильтрации обусловлена невозможностью использования конденсаторов большой емкости в цепи фильтрации в силу ограниченности емкостной нагрузки источника опорного напряжения.
Известен способ формирования опорного напряжения на базе малошумящего источника 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 реализации данного способа (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 способа является значительный уровень шумов, сопровождающийся импульсными помехами.
Известен способ формирования опорного напряжения на базе источника опорного напряжения, SU 421002 (Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт научного приборостроения), 25.03.1974 (2 л)), который, согласно процесса реализации способа, 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, описание изобретения к AC SU 421002.
Фазовый сдвиг цепи обратной связи порождает динамическую ошибку замкнутой системы регулирования.
Фазовый сдвиг цепи обратной связи обусловлен самой структурой цепи.
НЧ.i
1. RC-фильтр 4 является многозвенным (n-звенным) с постоянной времени звеньев τ и ФЧХ вида (1):
2. Процесс формирования разностного сигнала и его инвертирование усилителем 5 полагаем без существенной временной задержки (без сдвига фазы). Инвертирование обеспечивает режим отрицательной обратной связи.
ВЧ
3. Конденсатор 7 с внутренним сопротивлением стабилизатора 1 (в точке подключения конденсатора 7) образуют RC-фильтр, являющийся ВЧ звеном с постоянной времени τ и ФЧХ вида (2):
4. В целом, цепь обратной связи, а значит и регулирующее воздействие, характеризуется ФЧХ вида (3):
Так как
8
9
где R, R - сопротивление гасящих резисторов 8 и 9 (как правило не более 350 Ом);
вн.ип
R - внутреннее сопротивление источника питания (как правило не более 100 Ом);
вых.ц.н
R - выходное сопротивление цепи нагрузки источника опорного напряжения (порядка 500 Ом в области инфранизких частот и десятки Ом в области высоких частот, принимаем 100 Ом);
7
ВЧ
-4
С - емкость конденсатора 7 (как правило не более 2,2 мкФ), имеем: τ=4,95·10 с.
http://www.datasheetarchive.com/MAX872-datasheet.htm
То есть граничная частота ВЧ звена составляет 2020,202 рад/с или 321,525 Гц (нормируемый диапазон шума источников опорного напряжения [0,1÷10] Гц) ().
В случае установления резистора 6 с сопротивлением порядка 1 МОм, равным суммарному сопротивлению резисторов фильтра 4, и использования в звеньях фильтра 4 конденсаторов с емкостью 2,2 мкФ, величина сдвига фазы регулирующего воздействия в нормируемом диапазоне частот, в зависимости от числа звеньев фильтра 4, составит, согласно таблице 1:
Таблица 1
Число звеньев, n
φ, [°], при f=0,1 Гц
φ, [°], при=0,15 Гц
φ, [°], при f=10 Гц
1
35,87
25,72
-1,37
2
20,68
-2,09
-90,12
3
15,77
-13,98
-178,05
4
13,73
-19,63
-265,15
Из анализа полученных результатов можно сделать вывод о некотором уменьшении уровня шумов лишь в узком интервале нормируемого диапазона частот, прежде всего инфранизкого (в окрестностях 0,15 Гц), так как только для него выполняются условия формирования отрицательной обратной связи. В силу возникновения положительной обратной связи в значительной области нормируемого диапазона частот, процесс подавления инфранизких частот на выходе источника опорного напряжения сопровождается возникновением импульсных помех.
Что касается области средних и высоких частот (более 10 Гц), то степень подавления шумов в значительной степени определяется емкостью конденсатора 3, величина которой ограничена значением емкостной нагрузки источника опорного напряжения.
Недостатком данного способа является значительный уровень шумов, сопровождающийся импульсными помехами.
Известен способ формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (патент РФ №2422874), базирующийся на принципах систем разомкнутого цикла и включающий операции:
1) стабилизации выходного напряжения;
2) выделения шумовой (переменной) составляющей выходного напряжения по средством фильтра высокой частоты;
3) компенсации шумовой (переменной) составляющей в стабилизированном напряжении.
в
Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени цепи вычитателя 3 τ (фиг.1÷3, описания изобретения к патенту №2422874), 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.
в
4
5
При этом на τ, R1 и R2 накладываются условия:
6
где R3 - сопротивление третьего резистора 6;
5
R4 - сопротивление четвертого резистора 7.
в
2
4
5
6
7
Так как выполнение условия (7), а именно: τ→∞, в случае использования элементов с типовыми параметрами (С1=2,2 мкФ; R1=R2=R3=R4=500 кОм), неосуществимо, то имеет место неполное подавление шумовой составляющей (в области инфранизких частот), или иначе говоря, имеет место узкополосная компенсация шумовой составляющей выходного напряжения, в силу возникающего фазового сдвига, таблица 2.
Таблица 2
φ, [°], при f=0,1 Гц
φ, [°], при f=0,15 Гц
φ, [°], при f=10 Гц
φ, [°], при f=100 Гц
35,883
25,747
0,414
0,041
в
Недостатком данного способа является значительный уровень инфранизких частот на выходе источника опорного напряжения, при одновременно высоких требованиях к постоянной времени цепи вычитателя (τ≥1 (в идеале, >>1)).
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к снижению уровня шумов.
Технический результат достигается тем, что в способ формирования опорного напряжения, с пониженным уровнем шумов, базирующийся на принципах систем разомкнутого цикла и включающий операции стабилизации выходного напряжения, выделения шумовой (переменной) составляющей выходного напряжения посредством фильтра высокой частоты, компенсации шумовой (переменной) составляющей в стабилизированном напряжении, введена операция преобразования спектра стабилизированного выходного напряжения, осуществляемая до выделения шумовой (переменной) составляющей выходного напряжения посредством фильтра высокой частоты.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства, реализующего способ формирования опорного напряжения.
На фиг.2 представлена функциональная схема вычитателя.
На фиг.3 представлена функциональная схема преобразователя.
На фиг.4 представлена модель устройства, реализующего способ формирования опорного напряжения, выполненная в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12.
На фиг.5 представлены временные диаграммы выходного напряжения блока питания устройства.
На фиг.6 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала источника опорного напряжения.
На фиг.7 представлен график преобразованной шумовой составляющей выходного сигнала источника опорного напряжения.
10
3
11
12
13
14
5
6
7
8
На фиг.8 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала устройства реализации способа формирования опорного напряжения для случая С1=С2=0,5 мкФ и R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R8=500 кОм.
2
4
5
6
7
На фиг.9 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала прототипа, для случая С1=0,5 мкФ и R1=R2=R3=R4=500 кОм.
2
4
5
6
7
На фиг.10 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала прототипа, для случая С1=10 мкФ и R1=R2=R3=R4=500 кОм.
Осуществление изобретения
Сущность предлагаемого способа заключается в выполнении следующих операций:
1) стабилизация выходного напряжения;
2) преобразование спектра стабилизированного выходного напряжения;
3) выделение шумовой (переменной) составляющей преобразованного выходного напряжения посредством фильтра высокой частоты;
4) компенсация шумовой (переменной) составляющей выходного напряжения.
Устройство реализации способа формирования опорного напряжения, фиг.1, содержит источник опорного напряжения 1, преобразователь 2, разделительный конденсатор 3, вычитатель 4, причем, выход источника опорного напряжения 1 соединен со входом преобразователя 2, выход которого, непосредственно и через разделительный конденсатор 3, соединен, соответственно, с первым и вторым входами вычитателя 4, выход которого является выходом устройства реализации способа формирования опорного напряжения.
Вычитатель 4, фиг.2, содержит четыре резистора 5÷8 и операционный усилитель 9, причем: выход операционного усилителя 9 служит выходом вычитателя 4; неинвертирующий вход операционного усилителя 9 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора 5 и второго резистора 6; инвертирующий вход операционного усилителя 9 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора 7 и четвертого резистора 8; первые контакты первого резистора 5 и третьего резистора 7 являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя 4; второй контакт второго резистора 6 заземлен; второй контакт четвертого резистора 8 подключен к выходу операционного усилителя 9.
Преобразователь 2, фиг.3, содержит конденсатор 10, четыре резистора 11÷14 и операционный усилитель 15, причем: выход операционного усилителя 15 служит выходом преобразователя 2; неинвертирующий вход операционного усилителя 15 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора 11 и второго резистора 12; инвертирующий вход операционного усилителя 15 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора 13 и четвертого резистора 14; вход преобразователя 2 соединен непосредственно и через конденсатор 10 с первыми контактами третьего резистора 13 и первого резистора 11; второй контакт второго резистора 12 заземлен; второй контакт четвертого резистора 14 подключен к выходу операционного усилителя 15.
Устройство реализации способа формирования опорного напряжения работает следующим образом.
Анализ работы устройства проведем с опорой на модель, фиг.4, 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, U3); осциллографов (XSC1, XSC2, XSC3).
Временные диаграммы выходного напряжения блока питания устройства реализации способа формирования опорного напряжения приведены на фиг.5.
1
Выходной сигнал источника опорного напряжения, например, в случае использования ИМС МАХ6250 http://www.datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX6225 - MAX6250.pdf), содержит шумовую составляющую U (фиг.6), нижний порог спектрального состава которой соответствует области инфранизких частот (порядка 0,1 Гц).
Преобразователь 2 снижает уровень, но прежде всего сужает спектральную полосу шумовой составляющей сигнала источника опорного напряжения 1, причем, наряду со снижением верхней границы, осуществляется повышение нижней границы спектральной полосы шумовой составляющей сигнала источника опорного напряжения 1 (фиг.7). Данный эффект обеспечивается в силу алгоритма работы преобразователя 2:
1) группового запаздывания огибающей шумовой составляющей сигнала источника опорного напряжения 1, возникающего в силу прохождения сигнала через фильтр высоких частот, образованного конденсатором 10, первым резистором 11 и вторым резистором 12 (фиг.3, 4)
пр
где φ(w) - сдвиг фазы, вносимый фильтром высоких частот
в.пр
τ - постоянная времени фильтра высоких частот преобразователя 2
10
С1 - емкость конденсатора 10;
11
R1 - сопротивление первого резистора 11;
12
R2- сопротивление второго резистора 12;
2) вычитания из сигнала источника опорного напряжения 1 задержанной огибающей его шумовой составляющей.
При этом на величину сопротивления резисторов преобразователя 2 накладывается условие:
В силу непериодичности и несинусоидальности формы огибающей шумовой составляющей сигнала источника опорного напряжения 1 и частотозависимости группового запаздывания
инфранизкочастотные и низкочастотные фрагменты огибающей шумовой составляющей будут подвергаться дроблению и частичному подавлению, а высокочастотные составляющие - подавлению (фиг.7).
Шумовая составляющая сигнала преобразователя 2 выделяется с помощью конденсатора 3 (C2), (фиг.4).
Выделенная шумовая составляющая и выходной сигнал преобразователя 2 поступают на входы вычитателя 4, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.
На величину сопротивления резисторов вычитателя 4 накладывается условие:
5
6
7
8
где R5, R6, R7, R8 - сопротивление первого резистора 5, второго резистора 6, третьего резистора 7, четвертого резистора 8.
в
в
вч
Постоянная времени цепи τ вычитателя 4, являющаяся, по сути, RC-фильтром высоких частот, τ=τ, определяется зависимостью
3
где C2 - емкость разделительного конденсатора 2.
вч
В силу предварительного преобразования спектра шумовой составляющей выходного сигнала источника опорного напряжения 1, условие (14) легко выполнимо (в случае прототипа τ≥1 (в идеале, >>1)).
10
3
11
12
13
14
5
6
7
8
Временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала устройства, реализующего способ формирования опорного напряжения в случае С1=С2=0,5 мкФ и R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R8=500 кОм, представлена на фиг.8.
2
4
5
6
7
Временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала прототипа, реализуемого при тех же параметрах блока питания и источника опорного напряжения, в случае C1=0,5 мкФ и R1=R2=R3=R4=500 кОм, представлена на фиг.9.
2
4
5
6
7
Временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала прототипа, реализуемого при тех же параметрах блока питания и источника опорного напряжения, в случае C1=10 мкФ и R1=R2=R3=R4=500 кОм, представлена на фиг.10.
Как следует из анализа фиг.8, 9, имеет место снижение уровня шумовой составляющей выходного сигнала источника опорного напряжения 1 в 20000 и 1500 раз, соответственно. То есть введение операции преобразования спектра стабилизированного выходного напряжения приводит к снижению уровня шумов (по отношению к прототипу) более чем в 13,3 раза.
Как следует из анализа фиг.8, 10, введение операции преобразования спектра стабилизированного выходного напряжения приводит к существенному снижению требований к постоянной времени цепи высокочастотных звеньев (по отношению к прототипу) более чем в 20 раз.