Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов
Владельцы патента RU 2416815:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ставропольский государственный аграрный университет" (RU)
Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам формирования опорного напряжения, и может быть использовано при создании малошумящих источников стабильного напряжения постоянного тока. Техническим результатом является снижение уровня низкочастотных шумов. Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов содержит источник опорного напряжения, конвертор положительного сопротивления, повторитель напряжения, причем повторитель напряжения содержит операционный усилитель, а конвертор положительного сопротивления содержит конденсатор, резистор и операционный усилитель. 12 ил.
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 источник опорного напряжения, базирующийся на операции термостатирования опорного элемента. Для реализации данного устройства использован нагреватель, управляемый температурным датчиком (Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Сов. радио, 1979. - 368 с., см. стр.243-244).
Недостатком данного устройства является большая потребляемая нагревателем мощность, медленное вхождение в рабочий режим, значительный уровень шумов.
Известен источник опорного напряжения с использованием «стабилитрона с напряжением запрещенной зоны» - электронной схемы, выполняющей функции стабилитрона. Для реализации данного устройства осуществляют генерацию напряжения с температурным коэффициентом положительным и равным по абсолютной величине отрицательному температурному коэффициенту опорного элемента, выполненному на базе биполярного транзистора (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1997 г. - 704 с., см. стр.355-356).
Недостатком данного устройства является повышенный уровень шумов.
Известно устройство формирования опорного напряжения, содержащее источник опорного напряжения и конденсатор, выполняющий роль фильтра низких частот ((http://www.datasheetarchive.com/MAX872-datasheet. html), (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1997 г. - 704 с., см. стр.361)).
Недостатком данного устройства является значительный уровень низкочастотных шумов.
Неэффективность фильтра низких частот обусловлена невозможностью использования конденсаторов большой емкости в цепи фильтрации в силу ограниченности емкостной нагрузки источника опорного напряжения.
Кроме того, величина емкости конденсатора связана с его линейными размерами, что значительно снижает возможность использования конденсаторов большой емкости в случае микроминиатюризации изделия.
Известны устройства реализации искусственных емкостей, значения которых могут достигать значительных величин (Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Пер. с франц. - Л.: Энергия, 1974 г. - 216 с., см. стр.141-143), однако в силу шунтирующего воздействия выходного сопротивления источников опорного напряжения на входные цепи искусственных емкостей, применение последних в составе источников стабильного напряжения постоянного тока не нашло широкого применения.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к снижению уровня низкочастотных шумов.
Технический результат достигается тем, что в устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, содержащее источник опорного напряжения, введены конвертор положительного сопротивления и повторитель напряжения, положительный полюс источника питания подключен к входу источника опорного напряжения, третьему входу конвертора положительного сопротивления и второму входу повторителя напряжения; первый выход источника опорного напряжения подключен к первым входам конвертора положительного сопротивления и повторителя напряжения; второй выход источника опорного напряжения подключен ко второму входу конвертора положительного сопротивления; отрицательный полюс источника питания подключен к четвертому входу конвертора положительного сопротивления и третьему входу повторителя напряжения; выход повторителя напряжения служит выходом устройства, причем конвертор положительного сопротивления содержит конденсатор, резистор и операционный усилитель, выход которого подключен ко второму входу конвертора положительного сопротивления и второму контакту резистора, первый контакт которого подключен ко второму контакту конденсатора и инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого заземлен, входы операционного усилителя положительной и отрицательной полярности питания подключены, соответственно, к третьему и четвертому входам конвертора положительного сопротивления, а повторитель напряжения содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с выходом операционного усилителя и выходом повторителя напряжения, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к первому входу повторителя напряжения, входы операционного усилителя положительной и отрицательной полярности питания подключены, соответственно, ко второму и третьему входам повторителя напряжения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена функциональная схема конвертора положительного сопротивления и схема его замещения.
На фиг.2 представлена эквивалентная схема замещения сопротивления резистора конвертора положительного сопротивления дифференциальным выходным сопротивлением источника опорного напряжения.
На фиг.3 представлена эквивалентная схема сопряжения источника опорного напряжения и конвертора положительного сопротивления.
На фиг.4 представлена эквивалентная схема устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.
На фиг.5 представлена функциональная схема устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.
На фиг.6 представлена модель для анализа выходных параметров источника опорного напряжения, выполненная в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12.
На фиг.7 представлена модель для анализа выходных параметров источника опорного напряжения с подключенным низкочастотным фильтром, выполненная в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12.
На фиг.8 представлена модель для анализа выходных параметров устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, выполненная в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12.
На фиг.9 представлены временные диаграммы выходного напряжения блока питания устройства.
На фиг.10 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала источника опорного напряжения.
На фиг.11 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.
На фиг.12 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала источника опорного напряжения с подключенным низкочастотным фильтром.
Осуществление изобретения
В основе принципа работы предлагаемого устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов лежат следующие концепции.
Конвертор положительного сопротивления (фиг.1) обеспечивает увеличение емкости конденсатора С в соответствии с выражением:
Однако наряду с формированием эквивалентной (искусственной) емкости C/, данная схема формирует паразитное активное сопротивление R2.
Использование в качестве сопротивления резистора R2 конвертора положительного сопротивления, выходного дифференциального сопротивления источника опорного напряжения ΔRвых.ИОН (фиг.2) устраняет две проблемы:
1) шунтирующее воздействие выходного сопротивления источника опорного напряжения на входную цепь конвертора положительного сопротивления;
2) шунтирующее воздействие эквивалентного активного сопротивления конвертора положительного сопротивления на выходное сопротивление источника опорного напряжения.
В результате решения указанных проблем, эквивалентная схема примет вид, показанный на фиг.3.
В силу стабилизирующих свойств, дифференциальное выходное сопротивление источника опорного напряжения мало (ΔRвых.ИОН→0), а значит, величина эквивалентной емкости C/ может достигать сотен тысяч мкФ, при величине емкости конденсатора C, составляющей всего лишь десятки нФ. Тем самым, решая проблему микроминиатюризации устройства.
Значение выходного сопротивления операционного усилителя конвертора положительного сопротивления Rвых.ОУ, а значит, не оказывает существенного влияния на выходные параметры источника опорного напряжения, так как имеет место соотношение:
где Rвн.ИОН - внутреннее сопротивление источника опорного напряжения.
Введение в состав схемы формирования опорного напряжения повторителя напряжения (ПН) (фиг.4) повышает нагрузочную способность устройства, приближая его параметры к параметрам идеального источника напряжения.
Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (фиг.5) содержит источник опорного напряжения 1, конвертор положительного сопротивления 2, повторитель напряжения 3, причем: положительный полюс источника питания подключен к входу источника опорного напряжения 1, третьему входу конвертора положительного сопротивления 2 и второму входу повторителя напряжения 3; первый выход источника опорного напряжения 1 подключен к первым входам конвертора положительного сопротивления 2 и повторителя напряжения 3; второй выход источника опорного напряжения 1 подключен ко второму входу конвертора положительного сопротивления 2; отрицательный полюс источника питания подключен к четвертому входу конвертора положительного сопротивления 2 и третьему входу повторителя напряжения 3; выход повторителя напряжения 3 служит выходом устройства.
Конвертор положительного сопротивления 2 (фиг.5) содержит конденсатор 4, резистор 5 и операционный усилитель 6, причем: выход операционного усилителя 6 подключен ко второму входу конвертора положительного сопротивления 2 и второму контакту резистора 5; первый контакт резистора 5 подключен ко второму контакту конденсатора 4 и инвертирующему входу операционного усилителя 6; неинвертирующий вход операционного усилителя 6 заземлен; входы операционного усилителя 6 положительной и отрицательной полярности питания подключены, соответственно, к третьему и четвертому входам конвертора положительного сопротивления 2.
Повторитель напряжения 3 (фиг.5) содержит операционный усилитель 7, причем: инвертирующий вход операционного усилителя 7 соединен с выходом операционного усилителя 7 и выходом повторителя напряжения 3; неинвертирующий вход операционного усилителя 7 подключен к первому входу повторителя напряжения 3; входы операционного усилителя 7 положительной и отрицательной полярности питания подключены, соответственно, ко второму и третьему входам повторителя напряжения 3.
Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов работает следующим образом.
Анализ работы устройства проведем с опорой на модели, фиг.6, 7 и 8, выполненные в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12.
Отличительной особенностью модели (фиг.6) является наличие: блока питания устройства (Blok_Pitania); добавочного сопротивления источника опорного напряжения (ION) (резистор R3); сопротивления нагрузки источника опорного напряжения (резистор R4); электроизмерительных приборов (ХММ1, U1); осциллографов (XSC1, XSC2), и отсутствие: конвертора положительного сопротивления; повторителя напряжения, то есть модель (фиг.6) позволяет оценить параметры собственно источника опорного напряжения.
Отличительной особенностью модели (фиг.7) от модели (фиг.6) является наличие конденсатора C2, то есть модель (фиг.7) позволяет оценить степень подавления шумовой составляющей выходного сигнала источника опорного напряжения в зависимости от емкости конденсатора фильтра.
Отличительной особенностью модели (фиг.8) является наличие: блока питания устройства (Blok_Pitania); сопротивления нагрузки устройства (резистор R4); электроизмерительных приборов (ХММ1, U1); осциллографов (XSC1, XSC2), конвертора положительного сопротивления (операционного усилителя A1, резистора R1, конденсатора C1), повторителя напряжения (операционного усилителя A2), то есть модель (фиг.8) позволяет оценить параметры предлагаемого устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.
Временные диаграммы выходного напряжения блока питания устройства приведены на фиг.9.
Выходной сигнал источника опорного напряжения, например, в случае использования ИМС МАХ6250 (http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX6225-MAX6250.pdf), содержит шумовую составляющую (фиг.10). Временная диаграмма шумовой составляющей, фиг.10, получена с помощью модели фиг.6. При этом величина добавочного сопротивления источника опорного напряжения (резистор R3, фиг.6) соответствует величине 13,85 Ом выходного импеданса операционного усилителя A1, фиг.8, (6, фиг.5) конвертора положительного сопротивления 2, фиг.5.
Шумовая составляющая выходного сигнала источника опорного напряжения X2 ION (фиг.8) подвергается сглаживанию (фиг.11) фильтром, образованным искусственной емкостью (емкостью, эквивалентной входному сопротивлению конвертора положительного сопротивления 2 (фиг.5), реализованного на базе операционного усилителя A1 (6, фиг.5), резистора R1 (5, фиг.5) и конденсатора C1 (4, фиг.5) с использованием дифференциального выходного сопротивления источника опорного напряжения X2 ION (фиг.8).
Сравнительный анализ шумовой составляющей (фиг.12) на выходе фильтра низких частот (конденсатор C2, фиг.7) с шумовой составляющей (фиг.11) на выходе предлагаемого устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов позволяет сделать вывод о величине эквивалентной емкости конвертора положительного сопротивления 2 (фиг.5). А именно, данная величина составляет порядка 1,1 Ф, то есть в принципе не может быть реализована на базе дискретных конденсаторов.
Как следует из анализа фиг.10 и 11, устройство обеспечивает снижение уровня шумовой составляющей выходного сигнала источника опорного напряжения X2 ION (фиг.8) в 40 раз.
Выходное сопротивление устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов определяется выходным сопротивлением операционного усилителя A2 (7, повторителя напряжения 3, фиг.5) и не зависит от величины эквивалентной емкости конвертора положительного сопротивления 2 (фиг.5).
Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, содержащее источник опорного напряжения, отличающееся тем, что в устройство введены конвертор положительного сопротивления и повторитель напряжения, причем положительный полюс источника питания подключен к входу источника опорного напряжения, третьему входу конвертора положительного сопротивления и второму входу повторителя напряжения; первый выход источника опорного напряжения подключен к первым входам конвертора положительного сопротивления и повторителя напряжения; второй выход источника опорного напряжения подключен ко второму входу конвертора положительного сопротивления; отрицательный полюс источника питания подключен к четвертому входу конвертора положительного сопротивления и третьему входу повторителя напряжения; выход повторителя напряжения служит выходом устройства; а конвертор положительного сопротивления содержит конденсатор, резистор и операционный усилитель, при этом выход операционного усилителя подключен ко второму входу конвертора положительного сопротивления и второму контакту резистора, первый контакт которого подключен ко второму контакту конденсатора и инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого заземлен; входы операционного усилителя положительной и отрицательной полярности питания подключены соответственно к третьему и четвертому входам конвертора положительного сопротивления; а повторитель напряжения содержит операционный усилитель, при этом инвертирующий вход операционного усилителя соединен с выходом операционного усилителя и выходом повторителя напряжения; неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к первому входу повторителя напряжения; входы операционного усилителя положительной и отрицательной полярности питания подключены соответственно ко второму и третьему входам повторителя напряжения.
