Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов

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 шумов за счет базирования на принципах систем разомкнутого цикла. Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов содержит стабилизатор, преобразователь, конденсатор, вычитатель, причем вычитатель содержит четыре резистора и операционный усилитель, а преобразователь содержит конденсатор, четыре резистора и операционный усилитель. 1 з.п. ф-лы, 10 ил., 2 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройствам формирования опорного напряжения, и может быть использовано при создании источников стабильного напряжения постоянного тока.

Уровень техники

Известно устройство формирования опорного напряжения базирующееся на операциях: 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 устройства 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.

Известно устройство формирования опорного напряжения на базе мало-шумящего 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 принципа работы данного устройства (US 4795961 A (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, сопровождающийся импульсными помехами.

Известно устройство формирования опорного напряжения на базе источника опорного напряжения, SU 421002 (Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт научного приборостроения), 25.03.1974 (2 л)), в основе принципа работы которого лежит система 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 источника опорного напряжения 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.

1) RC-фильтр 4 является многозвенным (n звенным) с постоянной времени звеньев τ_НЧ.i, и ФЧХ вида (1):

$$\varphi \left(w\right)=-{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}arctg\left(w\cdot {\tau }_{НЧ.i}\right)}\left(1\right)$$

2) Процесс формирования разностного сигнала и его инвертирование усилителем 5 полагаем без существенной временной задержки (без сдвига фазы). Инвертирование обеспечивает режим отрицательной обратной связи.

3) Конденсатор 7 с внутренним сопротивлением источника опорного напряжения 1 (в точке подключения конденсатора 7) образуют RC-фильтр являющийся ВЧ звеном с постоянной времени τ_ВЧ и ФЧХ вида (2):

$$\varphi \left(w\right)=\frac{\pi }{2}-arctg\left(w\cdot {\tau }_{ВЧ}\right)\left(2\right)$$

4) В целом, цепь обратной связи, а значит и регулирующее воздействие характеризуется ФЧХ вида (3):

$$\varphi \left(w\right)=\frac{\pi }{2}-arctg\left(w\cdot {\tau }_{ВЧ}\right)-{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}arctg\left(w\cdot {\tau }_{НЧ.i}\right)}\left(3\right)$$

Так как

$${\tau }_{ВЧ}=C_7\cdot \frac{\left(R_9+R_{вн.ип}\right)\cdot \left(R_8+R_{вых.ц.н}\right)}{R_9+R_{вн.ип}+R_8+R_{вых.ц.н}},\left(4\right)$$

где R₈, R₉ - сопротивление гасящих резисторов 8 и 9 (как правило, не более 350 Oм);

R_вн.ип - внутреннее сопротивление источника питания (как правило, не более 100 Oм);

R_вых.ц.н - выходное сопротивление цепи нагрузки источника опорного напряжения (порядка 500 Ом в области инфранизких частот и десятки Ом в области высоких частот, принимаем 100 Ом);

С₇ - емкость конденсатора 7 (как правило, не более 2,2 мкФ), имеем:

τ_ВЧ=4,95·10^-4с.

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 (http://www.datasheetarchive.com/MAX872-datasheet.htm)).

В случае установления резистора 6 с сопротивлением порядка 1 МОм, равного суммарному сопротивлению резисторов фильтра 4, и использованию 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, таблица 1:

Таблица 1
Число звеньев, n	φ, [°], при f=0,1 Гц	φ, [°], при f=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 ограниченна значением емкостной нагрузки источника опорного напряжения.

Недостатком данного устройства является значительный уровень шумов сопровождающийся импульсными помехами.

Известно устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (патент RU 2422874 С1), базирующееся на принципах систем разомкнутого цикла и содержащее стабилизатор 1, конденсатор 2, вычитатель 3, при этом вычитатель 3 содержит четыре резистора 4÷7 и операционный усилитель 8 (фиг.1÷2, описания патента RU 2422874 С1).

Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени цепи вычитателя 3 τ_в (фиг.3, описания патента RU 2422874 С1) являющейся, по сути, RC-фильтром высоких частот с ФЧХ вида:

$$\varphi \left(w\right)=\frac{\pi }{2}-arctg\left(w\cdot {\tau }_{в}\right),\left(5\right)$$

$${\tau }_{в}=С1_2\cdot \left(R{1}_4+R{2}_5\right),\left(6\right)$$

где C1₂ - емкость конденсатора 2;

R1₄ - сопротивление первого резистора 4;

R2₅ - сопротивление второго резистора 5.

При этом на τ_в, R1₄ и R2₅ накладываются условия:

$$\begin{array}{l}{\tau }_{в}\to \infty \hfill \\ R{1}_4=R{2}_5=R{3}_6=R{4}_7\hfill \end{array}\}\left(7\right)$$

где R3₆ - сопротивление третьего резистора 6;

R4₅ - сопротивление четвертого резистора 7.

Так как выполнение условия (7) (а именно: τ_в→∞), в случае использования элементов с типовыми параметрами (С1₂=2,2 мкФ; R1₄=R2₅=R3₆=R4₇=500 кОм) неосуществимо, 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

Недостатком данного устройства является значительный уровень инфранизких частот на выходе источника опорного напряжения, при одновременно высоких требованиях к постоянной времени цепи вычитателя (τ_в≥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 устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, базирующееся на принципах систем разомкнутого цикла и содержащее стабилизатор, конденсатор, вычитатель, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к второму и первому контактам конденсатора, а выход является выходом устройства, при этом 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; 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, введен преобразователь, вход и выход которого подключены, соответственно, к выходу стабилизатора и параллельно соединенным первому контакту конденсатора и второму входу вычитателя, причем преобразователь содержит конденсатор, четыре резистора и операционный усилитель, выход которого служит выходом преобразователя; 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; вход преобразователя соединен непосредственно и через конденсатор с первыми контактами третьего резистора и первого резистора; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства

формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.

На фиг.2 представлена функциональная схема вычитателя.

На фиг.3 представлена функциональная схема преобразователя.

На фиг.4 представлена модель устройства 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.

На фиг.8 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования опорного напряжения для случая C1₁₀=C2₃=0,5 мкФ и R1₁₁=R2₁₂=R3₁₃=R4₁₄=R5₅=R6₆=R7₇=R8₈=500 кОм.

На фиг.9 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала прототипа, для случая С1₂=0,5 мкФ и R1₄=R2₅=R3₆=R4₇=500 кОм.

На фиг.10 представлен график шумовой составляющей выходного сигнала прототипа, для случая C1₂=10 мкФ и R1₄=R2₅=R3₆=R4₇=500 кОм.

Осуществление изобретения

Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, фиг.1, содержит стабилизатор 1, преобразователь 2, разделительный конденсатор 3, вычитатель 4, причем, выход стабилизатора 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 формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.

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 формирования 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); сопротивления нагрузки устройства (резистор R9); электроизмерительных приборов (ХММ1, ХММ2, U3); осциллографов (XSC1, XSC2, XSC3).

Временные диаграммы выходного напряжения блока питания устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов приведены на фиг.5.

Выходной сигнал стабилизатора, например, в случае использования ИМС МАХ6250 (http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX6225 - MAX6250.pdf), содержит шумовую составляющую U₁ (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 стабилизатора 1, причем, на ряду 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 стабилизатора 1, возникающего в силу прохождения сигнала через фильтр высоких частот образованного конденсатором 10, первым резистором 11 и вторым резистором 12 (фиг.3, 4):

$${\tau }_{зап}\left(w\right)=\frac{d{\varphi }_{пр}\left(w\right)}{dw}=-\frac{{\tau }_{в.пр}}{{\left({\tau }_{в.пр}\cdot w\right)}^2},\left(8\right)$$

где φ_пр(w) - сдвиг фазы вносимый фильтром высоких частот:

$${\varphi }_{пр}\left(w\right)=\frac{\pi }{2}-arctg\left(w\cdot {\tau }_{в.пр}\right),\left(9\right)$$

τ_в.пр - постоянная времени фильтра высоких частот преобразователя 2:

$${\tau }_{в.пр}=C{1}_{10}\cdot \left(R{1}_{11}+R{2}_{12}\right)<\mathrm{1,}\left(10\right)$$

C1₁₀ - емкость конденсатора 10;

R1₁₁ - сопротивление первого резистора 11;

R2₁₂ - сопротивление второго резистора 12.

2) вычитания из сигнала стабилизатора 1 задержанной огибающей его шумовой составляющей.

При этом на величину сопротивления резисторов преобразователя 2 накладывается условие:

$$R{1}_{11}=R{2}_{12}=R{3}_{13}=R{4}_{14},\left(11\right)$$

В силу непериодичности и несинусоидальности формы огибающей шумовой составляющей сигнала стабилизатора 1 и частотозависимости группового запаздывания:

$$\begin{array}{l}{\tau }_{вап}\left(w\to 0\right)\to \infty \hfill \\ {\tau }_{зап}\left(w\to \infty \right)\to 0\hfill \end{array}\},\left(12\right)$$

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 (С2), (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:

$$R{5}_5=R{6}_6=R{7}_7=R{8}_8,\left(13\right)$$

где R5₅, R6₆, R7₇, R8₈ - сопротивление первого резистора 5, второго резистора 6, третьего резистора 7, четвертого резистора 8.

Постоянная времени цепи τ_в вычитателя 4, являющаяся, по сути, RC-фильтром высоких частот, t_в=τ_вч, определятся зависимостью:

$${\tau }_{в}=C{2}_3\cdot \left(R{5}_5+R{6}_6\right)<\mathrm{1,}\left(14\right)$$

где С2₃ - емкость разделительного конденсатора 2.

В силу предварительного преобразования спектра шумовой составляющей выходного сигнала стабилизатора 1, условие (14) легко выполнимо (в случае прототипа τ_вч≥1 (в идеале, >>1)).

Временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов в случае С1₁₀=С2₃=0,5 мкФ и R1₁₁=R2₁₂=R3₁₃=R4₁₄=R5₅=R6₆=R7₇=R8₈=500 кОм представлена на фиг.8.

Временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала прототипа, реализуемого при тех же параметрах блока питания и источника опорного напряжения, в случае C1₂=0,5 мкФ и R1₄=R2₅=R3₆=R4₇=500 кОм представлена на фиг.9.

Временная диаграмма шумовой составляющей выходного сигнала прототипа, реализуемого при тех же параметрах блока питания и источника опорного напряжения, в случае C1₂=10 мкФ и R1₄=R2₅=R3₆=R4₇=500 кОм представлена на фиг.10.

Как следует из анализа фиг.8, 9, имеет место снижение уровня шумовой составляющей выходного сигнала стабилизатора 1 в 20000 и 1500 раз, соответственно. То есть введение преобразователя 2 в состав схемы устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов приводит к снижению уровня шумов (по отношению к прототипу) более 13,3 раза.

Как следует из анализа фиг.8, 10, введение преобразователя 2 в состав схемы устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов приводит к существенному снижению требований к постоянной времени цепи высокочастотных звеньев (по отношению к прототипу) более 20 раз.

1. Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, базирующееся на принципах систем разомкнутого цикла и содержащее стабилизатор, конденсатор, вычитатель, первый и второй входы которого подключены соответственно к второму и первому контактам конденсатора, а выход является выходом устройства, при этом 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; 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, введен преобразователь, причем вход и выход которого подключены соответственно к выходу стабилизатора и параллельно соединенным первому контакту конденсатора и второму входу вычитателя.

2. Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов по п.1, отличающееся тем, что преобразователь содержит конденсатор, четыре резистора и операционный усилитель, выход которого служит выходом преобразователя; 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; вход преобразователя соединен непосредственно и через конденсатор с первыми контактами третьего резистора и первого резистора; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя.