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 однополярный малошумящий источник 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 осуществления действий данного устройства (US 4795961А (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 устройства является значительный уровень шумов, обусловленный тем, что стремление к уменьшению уровня шумов в области низких и инфранизких частот сопровождается повышением вероятности возникновения импульсных помех, в виду некорреллированности составляющих шума в сигналах, снимаемых с коллекторов транзисторов 52, 62, и служащих основой для формирования выходного напряжения источника.
Известен однополярный источник опорного напряжения, SU 421002 А (Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт научного приборостроения), 25.03.1974 (2 л)), который, согласно процесса осуществления действий, 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).
Недостатком данного устройства является значительный уровень шумов, обусловленный тем, что фазовый сдвиг в цепи обратной связи порождает динамическую ошибку замкнутой системы регулирования и приводит к противоречию: стремление к уменьшению уровня шумов в области низких и инфранизких частот приводит к сохранению (неизменности) уровня высокочастотных шумов.
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.
Известно устройство формирования двухполярного опорного напряжения, содержащее два разнополярных источника опорного напряжения и два конденсатора, выполняющих роль двух фильтров низких частот (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1997 г. - 704 с., см. стр.370).
Недостатком данного устройства является значительный уровень низкочастотных шумов.
Неэффективность фильтров низких частот обусловлена невозможностью использования конденсаторов большой емкости в цепях фильтрации в силу ограниченности емкостной нагрузки источников опорного напряжения.
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 два конденсатора и источник опорного напряжения, выход которого подключен к первому контакту первого конденсатора, введены инвертор и два вычитателя, первые входы первого и второго вычитателей подключены, соответственно, ко вторым контактам первого и второго конденсаторов, первый контакт второго конденсатора подключен к выходу инвертора, вторые входы первого и второго вычитателей подключены, соответственно, непосредственно и через инвертор, к выходу источника опорного напряжения, выходы вычитателей являются выходами устройства.
Каждый вычитатель содержит четыре резистора и операционный усилитель: выход операционного усилителя служит выходом вычитателя; неинвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора и второго резистора, образующих с конденсатором высокочастотный фильтр, служащий входной цепью вычитателя; 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 вычитателя; 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.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена структурная схема устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.
На фиг.2 представлены функциональные схемы вычитателей.
На фиг.3 представлена функциональная схема инвертора.
На фиг.4 представлена модель устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, 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.
2
7
8
9
10
На фиг.7 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала первого вычитателя (выходного сигнала отрицательной полярности устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов) для случая C1=1 мкФ и R1=R2=R3=R4=500 кОм.
2
7
8
9
10
На фиг.8 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала первого вычитателя (выходного сигнала отрицательной полярности устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов) для случая C1=2,2 мкФ и R1=R2=R3=R4=500 кОм.
На фиг.9 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала инвертора.
5
16
17
18
19
На фиг.10 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала второго вычитателя (выходного сигнала положительной полярности устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов) для случая C2=1 мкФ и R8=R9=R10=R11=500 кОм.
5
16
17
18
19
На фиг.11 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала второго вычитателя (выходного сигнала положительной полярности устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов) для случая C2=2,2 мкФ и R8=R9=R10=R11=500 кОм.
На фиг.12 представлены временные диаграммы выходных сигналов устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.
Осуществление изобретения
Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, фиг.1, содержит источник опорного напряжения 1, конденсаторы 2 и 5, вычитатели 3 и 6, инвертор 4, причем выход источника опорного напряжения 1 подключен непосредственно к первому контакту первого конденсатора 2, второму входу вычитателя 3 и через инвертор 4 к первому контакту второго конденсатора 5, второму входу вычитателя 6; первые входы первого вычитателя 3 и второго вычитателя 6 подключены, соответственно, ко вторым контакам первого конденсатора 2 и второго конденсатора 5; выходы вычитателей 3 и 6 являются выходами устройства.
Вычитатель 3 содержит четыре резистора 7÷10 и операционный усилитель 11: выход операционного усилителя 11 служит выходом вычитателя 3; неинвертирующий вход операционного усилителя 11 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора 7 и второго резистора 8; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора 9 и четвертого резистора 10; первые контакты первого резистора 7 и третьего резистора 9 являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя 3; второй контакт второго резистора 8 заземлен; второй контакт четвертого резистора 10 подключен к выходу операционного усилителя 11.
Вычитатель 6 содержит четыре резистора 16÷19 и операционный усилитель 20: выход операционного усилителя 20 служит выходом вычитателя 6; неинвертирующий вход операционного усилителя 20 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого резистора 16 и второго резистора 17; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего резистора 18 и четвертого резистора 19; первые контакты первого резистора 16 и третьего резистора 18 являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя 6; второй контакт второго резистора 17 заземлен; второй контакт четвертого резистора 19 подключен к выходу операционного усилителя 20.
Инвертор 4 содержит три резистора 12÷14 и операционный усилитель 15: выход операционного усилителя 15 служит выходом инвертора 4; 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.
Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов 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); сопротивлений нагрузки устройства (резисторы R12, R13); электроизмерительных приборов (XMM1, XMM2, XMM3, VI, V2); осциллографов (XSC1, XSC2, XSC3).
Временные диаграммы выходного напряжения блока питания устройства приведены на фиг.5.
C1
Выходной сигнал источника опорного напряжения, например, в случае использования ИМС MAX6250 (http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX6225-MAX6250.pdf), содержит шумовую составляющую U, выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 2 (C1) (фиг.6).
Выделенная шумовая составляющая и выходной сигнал источника опорного напряжения поступают на входы вычитателя 3, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.
в3
Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени цепи вычитателя 3τ, являющейся, по сути, RC-фильтром высоких частот с ФЧХ вида
где
2
где C1 - емкость первого конденсатора 2;
7
R1 - сопротивление первого резистора 7, вычитателя 3;
8
R2 - сопротивление второго резистора 8, вычитателя 3;
и постоянной времени цепи источника опорного напряжения 1
вых.ион
в3
ион
где R - выходное сопротивление источника опорного напряжения 1. При этом на τ, τ и сопротивления резисторов вычитателя 3 накладываются условия:
9
где R3 - сопротивление третьего резистора 9, вычитателя 3;
10
R4 - сопротивление четвертого резистора 10, вычитателя 3.
Невыполнение условия (4) приводит к неполному подавлению шумовой составляющей в выходном сигнале устройства формирования двухполярного опорного напряжения.
2
7
8
При этом следует отметить, что в предлагаемом устройстве нет противоречий между стремлением к уменьшению уровня инфранизких и ультравысоких частот. Увеличение постоянной времени RC-цепи (RC-фильтра ВЧ на базе конденсатора C1 и резисторов R1, R2) приводит к уменьшению шумов во всем спектре частот.
2
7
8
9
10
На фиг.7 представлена временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов для случая C1=1 мкФ и R1=R2=R3=R4=500 кОм.
2
7
8
9
10
На фиг.8 представлена временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов для случая C1=2,2 мкФ и R1=R2=R3=R4=500 кОм.
Как следует из анализа фиг.7, 8, имеет место снижение уровня шумовой составляющей выходного сигнала источника опорного напряжения 1 в 2000 и 4000 раз соответственно. Так как в основе схемы вычитателя 3 лежит схема инвертирующего усилителя, имеет место инверсия выходного сигнала источника опорного напряжения 1, фиг 12, кривая 2. Выходное сопротивление устройства формирования двухполярного опорного напряжения по выходу «-» (выходу сигнала отрицательной полярности) определяется, при этом выходным сопротивлением операционного усилителя 11 вычитателя 3 и не зависит от величины емкости конденсатора 2.
Инвертор 4 осуществляет инвертирование выходного сигнала источника опорного напряжения 1 с коэффициентом передачи, равным единице. Сопротивления резисторов инвертора 4 задаются согласно условию:
12
где R5 - сопротивление первого резистора 12, инвертора 4;
13
R6 - сопротивление второго резистора 13, инвертора 4;
14
R7 - сопротивление третьего резистора 14, инвертора 4.
C2
Выходной сигнал инвертора 4 содержит шумовую составляющую U, выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 5 (С2) (фиг.9).
Выделенная шумовая составляющая и выходной сигнал инвертора 4 поступают на входы вычитателя 6, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.
Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени цепи вычитателя 6, являющейся, по сути, RC-фильтром высоких частот с ФЧХ вида
где
5
где C2 - емкость конденсатора 5;
16
R8 - сопротивление первого резистора 16, вычитателя 6;
17
R9 - сопротивление второго резистора 17, вычитателя 6;
и постоянной времени цепи инвертора 4
вых.инв
где R - выходное сопротивление инвертора 4.
в6
инв
При этом на τ, τ и сопротивления резисторов вычитателя 6 накладываются условия:
18
где R10 - сопротивление третьего резистора 18, вычитателя 6;
19
R11 - сопротивление четвертого резистора 19, вычитателя 6.
Невыполнение условия (9) приводит к неполному подавлению шумовой составляющей в выходном сигнале устройства формирования опорного напряжения.
5
16
17
При этом следует отметить, что в предлагаемом устройстве нет противоречий между стремлением к уменьшению уровня инфранизких и ультравысоких частот. Увеличение постоянной времени RC-цепи (RC-фильтра ВЧ на базе конденсатора С2 и резисторов R8,R9) приводит к уменьшению шумов во всем спектре частот.
5
16
17
18
19
На фиг.10 представлена временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов для случая C2=1 мкФ и R8=R9=R10=R11=500 кОм.
5
16
17
18
19
На фиг.11 представлена временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов для случая C2=2,2 мкФ и R8=R9=R10=R11=500 кОм.
Как следует из анализа фиг.10, 11, имеет место снижение уровня шумовой составляющей выходного сигнала инвертора 4 в 2000 и 4000 раз соответственно. Так как в основе схемы вычитателя 6 лежит схема инвертирующего усилителя, имеет место инверсия выходного сигнала инвертора 4, фиг 12, кривая 1. Выходное сопротивление устройства формирования двухполярного опорного напряжения по выходу «+» (выходу сигнала положительной полярности) определяется, при этом выходным сопротивлением операционного усилителя 20 вычитателя 6 и не зависит от величины емкости конденсатора 5.