Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов
SHAPING DEVICE OF BIPOLAR REFERENCE VOLTAGE WITH 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
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 С1, 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://pdf1.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),
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://pdf1.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 изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к снижению уровня шумов.
Технический результат достигается тем, что в устройство формирования двухполярного опорного напряжения содержащее источник опорного напряжения, инвертор, два конденсатора, при этом: выход источника опорного напряжения подключен непосредственно к первому контакту первого конденсатора и, через инвертор, к первому контакту второго конденсатора, введены два масштабирующих повторителя напряжения и два масштабирующих вычитателя, при этом: вторые контакты конденсаторов, через масштабирующие повторители напряжения, подключены к первым входам масштабирующих вычитателей; выходы первого и второго масштабирующих вычитателей являются выходами устройства, соответственно, «-» и «+»; вторые входы первого и второго масштабирующих вычитателей подключены, соответственно, ко входу и выходу инвертора.
Первый и второй масштабирующие повторители напряжения содержат по три резистора и операционному усилителю, при этом: неинвертирующий вход операционного усилителя, через первый резистор, соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, второго и третьего резистора; первый контакт второго резистора заземлен; второй контакт третьего резистора подключен к выходу операционного усилителя, служащего выходом масштабирующего повторителя напряжения.
Первый и второй масштабирующие вычитатели содержат по четыре резистора и операционному усилителю, при этом: выход операционного усилителя служит выходом масштабирующего 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 масштабирующих вычитателей; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя.
Инвертор содержит три резистора и операционный усилитель, при этом: 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.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.
На фиг. 2 и 5 представлены функциональные схемы, соответственно, первого и второго масштабирующих повторителей напряжения.
На фиг. 3 и 6 представлены функциональные схемы, соответственно, первого и второго масштабирующих вычитателей.
На фиг. 4 представлена функциональная схема инвертора.
На фиг. 7 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 изобретения
Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, фиг. 1, содержит источник опорного напряжения (ИОН) 1, конденсаторы 2 и 6, масштабирующие повторители напряжения 3 и 7, масштабирующие вычитатели 4 и 8, инвертор 5, причем: выход источника опорного напряжения 1 подключен непосредственно к первому контакту первого конденсатора 2, второму входу масштабирующего вычитателя 4 и, через инвертор 5, к первому контакту второго конденсатора 6, второму входу масштабирующего вычитателя 8; второй контакт первого конденсатора 2 соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения 3, выход которого подключен к первому входу масштабирующего вычитателя 4; второй контакт второго конденсатора 6 соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения 7, выход которого подключен к первому входу масштабирующего вычитателя 8.
Масштабирующий повторитель напряжения 3, фиг. 2, содержит три резистора 9÷11 и операционный усилитель 12, причем: неинвертирующий вход операционного усилителя 12, через резистор 9, соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения 3; инвертирующий вход операционного усилителя 12 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 10 и резистора 11; первый контакт резистора 10 заземлен; второй контакт резистора 11 подключен к выходу операционного усилителя 12, служащего выходом масштабирующего повторителя напряжения 3.
Масштабирующий вычитатель 4, фиг. 3, содержит четыре резистора 13÷16 и операционный усилитель 17, при этом: выход операционного усилителя 17 служит выходом масштабирующего вычитателя 4; неинвертирующий вход операционного усилителя 17 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора 13 и второго резистора 14; инвертирующий вход операционного усилителя 17 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора 15 и четвертого резистора 16; первые контакты первого резистора 13 и третьего резистора 15 являются, соответственно, первым и вторым входами масштабирующего вычитателя 4; второй контакт второго резистора 14 заземлен; второй контакт четвертого резистора 16 подключен к выходу операционного усилителя 17.
Инвертор 5, фиг. 4, содержит три резистора 18÷20 и операционный усилитель 21, при этом: выход операционного усилителя 21 служит выходом инвертора 5; неинвертирующий вход операционного усилителя 21, через первый резистор 18, заземлен; инвертирующий вход операционного усилителя 21 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, второго резистора 19 и третьего резистора 20; второй контакт третьего резистора 20 подключен к выходу операционного усилителя 21; первый контакт второго резистора 19 является входом масштабирующего инвертора 4.
Масштабирующий повторитель напряжения 7, фиг. 5, содержит три резистора 22÷24 и операционный усилитель 25, причем: неинвертирующий вход операционного усилителя 25, через резистор 22, соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения 7; инвертирующий вход операционного усилителя 25 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 23 и резистора 24; первый контакт резистора 23 заземлен; второй контакт резистора 24 подключен к выходу операционного усилителя 25, служащего выходом масштабирующего повторителя напряжения 7.
Масштабирующий вычитатель 8, фиг. 6, содержит четыре резистора 26÷29 и операционный усилитель 30, при этом: выход операционного усилителя 30 служит выходом масштабирующего вычитателя 8; неинвертирующий вход операционного усилителя 30 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора 26 и второго резистора 27; инвертирующий вход операционного усилителя 30 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора 28 и четвертого резистора 29; первые контакты первого резистора 26 и третьего резистора 28 являются, соответственно, первым и вторым входами масштабирующего вычитателя 8; второй контакт второго резистора 27 заземлен; второй контакт четвертого резистора 29 подключен к выходу операционного усилителя 30.
Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов работает следующим образом.
Анализ работы устройства проведем с опорой на модель, фиг. 7, 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
ш.ИОН
Выходной сигнал ИОН 1 U, фиг. 1, содержит шумовую составляющую U(ω) 1 выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 2 (С1, фиг. 7) и поступающую на вход масштабирующего повторителя напряжения 3.
Масштабирующий повторитель напряжения 3 выполнен по схеме неинвертирующего усилителя характеризуемого параметрами:
вх.ОУ
ОУ
где R, K - входное (дифференциальное) сопротивление и коэффициент усиления операционного усилителя (ОУ) 12;
вх.МПН3
МПН3
R, K - входное сопротивление и коэффициент усиления (передачи) масштабирующего повторителя напряжения 3;
9
10
11
R1, R2, R3 - 1÷3 резисторы (элементы 9÷11) масштабирующего повторителя напряжения 3, фиг. 2, с сопротивлением 50 кОм, фиг. 7.
ш.МПН3
Мгновенный уровень шума U(ω), на выходе масштабирующего повторителя напряжения 3, описывается выражением (6);
ш.ОУ.МПН3
где U(ω) - мгновенный уровень шума ОУ 8 масштабирующего повторителя напряжения 3.
10
11
Согласно принятым значениям сопротивлений резисторов R2, R3, имеет место соотношение:
Выделенная и преобразованная шумовая составляющая, с выхода масштабирующего повторителя напряжения 3, и выходной сигнал ИОН 1 поступают на входы масштабирующего вычитателя 4, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.
Масштабирующий вычитатель 4 выполнен по схеме вычитателя - усилителя, на элементы которого накладывается условие:
13
14
15
16
14
15
16
13
где R4, R5, R6, R7 - 1÷4 резисторы (элементы 13÷16) масштабирующего вычитателя 4, фиг. 3, с сопротивлением 50 кОм у резисторов R5, R6, R7 и 150 кОм (с учетом выражения (7)) у резистора R4, фиг. 7.
Мгновенный уровень выходного напряжения шума устройства (масштабирующего вычитателя 4) по выходу «-» , определяется выражением:
ш.ОУ.выч.4
где U - мгновенный уровень шума ОУ 17 масштабирующего вычитателя 4;
- коэффициента подавления шума устройства по выходу «-».
В силу целесообразности использования одного и того же типа операционного усилителя в составе схем масштабирующего повторителя напряжения 3 и масштабирующего вычитателя 4, а также с учетом выражения (7), выражение (9) примет вид:
ш.ОУ
где U - мгновенный уровень шума ОУ используемого в составе схем масштабирующего повторителя напряжения 3 и масштабирующего вычитателя 4.
2
вх.МПН3
Степень подавления шумовой составляющей по выходу «-» устройства, в значительной мере, определяется постоянной времени фильтра высоких частот , образованного конденсатором 2 (С1) и входным сопротивлением R масштабирующего повторителя напряжения 3. При этом фазовый сдвиг шумовой составляющей  ИОН1, по выходу «-», определяется выражением (11)
где
а на  накладывается условие:
вх.ОУ
ОУ
вх.МПН3
5
6
Учитывая значительное входное сопротивление операционного усилителя 12 используемого в схеме масштабирующего повторителя напряжения 3 (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 масштабирующего повторителя напряжения 3 R значительно превышает 1 ГОм (даже с учетом токов утечки). Что, в свою очередь, обеспечивает выполнение условий как (13), так и (14)
И способствует лучшему подавлению шумовой составляющей (особенно в области инфранизких частот) в выходном сигнале предлагаемого устройства 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:
18
где R8 - первый резистор (элементы 18) инвертора 5, фиг. 4, с сопротивлением 25 кОм, фиг. 7.
19
20
R9, R10 - второй и третий резисторы (элементы 19 и 20) инвертора 5, фиг. 4, с сопротивлением 50 кОм, фиг. 7.
инв
Выходной сигнал инвертора 5 U, фиг. 1, содержит шумовую составляющую, выделяемую с помощью конденсатора 6 (С2, фиг. 7) и поступающую на вход масштабирующего повторителя напряжения 7.
Масштабирующий повторитель напряжения 7 выполнен по схеме не-инвертирующего усилителя характеризуемого параметрами:
вх.ОУ
ОУ
где R, K - входное (дифференциальное) сопротивление и коэффициент усиления операционного усилителя (ОУ) 25;
вх.МПН7
МПН7
R, K - входное сопротивление и коэффициент усиления (передачи) масштабирующего повторителя напряжения 7;
22
23
24
R11, R12, R13 - 1÷3 резисторы (элементы 22÷24) масштабирующего повторителя напряжения 7, фиг. 5, с сопротивлением 50 кОм, фиг. 7.
ш.МПН7
Мгновенный уровень шума U(ω), на выходе масштабирующего повторителя напряжения 7, описывается выражением (17);
ш.ОУ.МПН7
где U(ω) - мгновенный уровень шума ОУ 25 масштабирующего повторителя напряжения 7;
ш.ОУ.инв
U(ω) - мгновенный уровень шума ОУ 21 инвертора 5.
23
24
Согласно принятым значениям сопротивлений резисторов R12, R13, имеет место соотношение:
Выделенная и преобразованная шумовая составляющая, с выхода масштабирующего повторителя напряжения 7, и выходной сигнал инвертора 5 поступают на входы масштабирующего вычитателя 8, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.
Масштабирующий вычитатель 8 выполнен по схеме вычитателя - усилителя, на элементы которого накладывается условие:
26
27
28
29
27
28
29
26
где R14, R15, R16, R17 - 1÷4 резисторы (элементы 26÷29) масштабирующего вычитателя 8, фиг. 6, с сопротивлением 50 кОм у резисторов R15, R16, R17 и 150 кОм (с учетом выражения (18)) у резистора R14, фиг. 7.
Мгновенный уровень выходного напряжения шума устройства (масштабирующего вычитателя 8) по выходу «+» , определяется выражением:
ш.ОУ.выч.8
где U - мгновенный уровень шума ОУ 30 масштабирующего вычитателя 4;
- коэффициента подавления шума устройства по выходу «+».
В силу целесообразности использования одного и того же типа операционного усилителя в составе схем масштабирующего повторителя напряжения 7 и масштабирующего вычитателя 8, а также с учетом выражения (18), выражение (20) примет вид:
ш.ОУ
где U - мгновенный уровень шума ОУ используемого в составе схем масштабирующего повторителя напряжения 7 и масштабирующего вычитателя 8.
6
вх.МПН7
Степень подавления шумовой составляющей по выходу «+» устройства, в значительной мере, определяется постоянной времени фильтра высоких частот , образованного конденсатором 6 (С2) и входным сопротивлением R масштабирующего повторителя напряжения 7. При этом фазовый сдвиг шумовой составляющей  ИОН1, по выходу «+», определяется выражением (22)
где
а на  накладывается условие:
вх.ОУ
ОУ
вх.МПН7
5
6
Учитывая значительное входное сопротивление операционного усилителя 25 используемого в схеме масштабирующего повторителя напряжения 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 масштабирующего повторителя напряжения 7 R значительно превышает 1 ГОм (даже с учетом токов утечки). Что, в свою очередь, обеспечивает выполнение условий как (22), так и (23)
И способствует лучшему подавлению шумовой составляющей (особенно в области инфранизких частот) в выходном сигнале предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.
вх.МПН
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, масштабирующих повторителей напряжения 3 и 7, масштабирующих 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, 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.