RU2675796C1 - Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов - Google Patents
Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2675796C1 RU2675796C1 RU2017146512A RU2017146512A RU2675796C1 RU 2675796 C1 RU2675796 C1 RU 2675796C1 RU 2017146512 A RU2017146512 A RU 2017146512A RU 2017146512 A RU2017146512 A RU 2017146512A RU 2675796 C1 RU2675796 C1 RU 2675796C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- operational amplifier
- output
- resistor
- input
- resistors
- Prior art date
Links
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 title 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 53
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 21
- 101150060629 def gene Proteins 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 3
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
- G05F3/02—Regulating voltage or current
- G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам формирования опорного напряжения, и может быть использовано при создании малошумящих источников стабильного напряжения постоянного тока. Технический результат - снижение уровня шумов в инфранизкочастотном диапазоне. Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов содержит: источник опорного напряжения, два преобразователя, два конденсатора, инвертор, два вычитателя, содержащие по четыре резистора и по два операционный усилителя, а преобразователи содержат по конденсатору, по четыре резистора и по два операционных усилителя. 9 ил., 4 табл.
Description
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 2549509, МПК G05F 3/08, 2015).
Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов содержит источник опорного напряжения, два преобразователя, два конденсатора, два вычитателя, инвертор, причем выход источника опорного напряжения подключен через первый преобразователь к первому контакту первого конденсатора, второму входу первого вычитателя и через инвертор и второй преобразователь к первому контакту второго конденсатора, второму входу второго вычитателя; первые входы первого и второго вычитателей подключены, соответственно, ко вторым контактам первого и второго конденсаторов; выходы вычитателей являются выходами устройства.
Каждый вычитатель содержит по четыре резистора и операционному усилителю: выход операционного усилителя служит выходом вычитателя; неинвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого и второго резистора; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего и четвертого резистора; первые контакты первого и третьего резистора являются, соответственно, первыми и вторыми входами вычитателей; второй контакт резистора второго 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 и третьего резистора; второй контакт третьего резистора подключен к выходу операционного усилителя; первый контакт второго резистора является входом инвертора.
Каждый преобразователь, содержит конденсатор, четыре резистора и операционный усилитель, причем выход операционного усилителя служит выходом преобразователя; неинвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, первого и второго резистора; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего и четвертого резистора; вход преобразователя соединен непосредственно и через конденсатор с первыми контактами третьего и первого резистора; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя.
Схема устройства формирования двухполярного опорного напряжения по выходу «+» и по выходу «-» в некоторой степени симметрична.
При этом в силу симметрии и идентичности отдельных структур устройства, можно выделить, по каждому из выходов, по две ступени подавления шумовой составляющей выходного напряжения источника опорного напряжения.
Функции первых ступеней выполняют преобразователи, а вторых ступеней - конденсатор с вычитателем.
Подавление шумовой составляющей по каждому из выходов, в значительной мере, определяется постоянными времени фильтров высоких частот ступеней подавления шумовой составляющей прототипа 
образованных:
- по выходу «+»:
конденсатором С1, первым и вторым резисторами R1, R2 первого преобразователя - 
;
конденсатором С2, первым и вторым резисторами R5, R6 первого вычитателя - 
;
- по выходу «-»:
конденсатором С3, первым и вторым резисторами R13, R14 второго преобразователя - 
;
конденсатором С4, первым и вторым резисторами R17, R18 второго вычитателя - 
.
С учетом равенства емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов:
При этом на 
, для успешного подавления шумов, накладывается условие:
В идеале
Так как для прототипа выполнение условия (2), а тем более условия (3), технически затруднено (увеличение номиналов элементов, с целью увеличения 
, приведет к неустойчивой работе операционных усилителей входящих в состав схем преобразователей и 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: С1=С2=С3=С4=0,22 мкФ; R1=R2=R8=R9=R13=R14=R17=R18=500 кОм; (
), показало частотную зависимость коэффициента подавления шума прототипа 
, таблица 1.
Мгновенный уровень выходного напряжения «-» и «+» шума устройства прототипа Uш. прот определяется выражением:
где Uш.ИОН - мгновенный уровень шума источника опорного напряжения (ИОН);
Uш.OУ.выч - мгновенный уровень шума операционного усилителя (ОУ) вычитателя;
Uш.ОУ.инв(ω) - мгновенный уровень шума ОУ инвертора.
Исследования показали возможность понижения шума ИОН, в частности, ИМС МАХ874 с выходным шумовым напряжением 90 мкВ (пик-пик) в полосе частот 0.1÷10 Гц (http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73832/MAXIM/MAX872.html), 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.
Недостатком устройства прототипа является значительный уровень шумовой составляющей инфранизкочастотного диапазона, при одновременно высоких требованиях к величине емкости конденсаторов (в идеале, для постоянных времени 
желательно выполнение условия: 
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к снижению уровня шумов в инфранизкочастотного диапазоне.
Технический результат достигается тем, что в устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов содержащее источник опорного напряжения, два преобразователя, два конденсатора, два вычитателя, инвертор, причем выход источника опорного напряжения подключен через первый преобразователь к первому контакту первого конденсатора, второму входу первого вычитателя и через инвертор и второй преобразователь к первому контакту второго конденсатора, второму входу второго вычитателя; выходы вычитателей являются выходами устройства, соответственно, «+» и «-», при этом: 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 и второго резистора; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, третьего и четвертого резистора; первые контакты первого и третьего резистора являются, соответственно, первыми и вторыми входами вычитателей; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя, а 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 и третьего резистора; второй контакт третьего резистора подключен к выходу операционного усилителя; первый контакт второго резистора является входом инвертора, при этом, преобразователи содержат: по конденсатору, по четыре резистора и по операционному усилителю, 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 и четвертого резистора; вход преобразователя соединен с первыми контактами конденсатора и третьего резистора; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя, введены по операционному усилителю в каждый преобразователь, а именно - инвертирующие входы введенных операционных усилителей соединяются со своими выходами и первыми контактами первых резисторов, а неинвертирующие входы введенных операционных усилителей подключаются ко вторым контактам конденсаторов, и два повторителя напряжения, выходы которых подключаются к первым входам вычитателей, а входы к вторым контактам конденсаторов, при этом, повторители напряжения содержат по операционному усилителю, неинвертирующий вход которого подключен ко входу повторителя напряжения, а инвертирующий вход операционного усилителя соединен с выходом операционного усилителя и выходом повторителя напряжения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.
На фиг. 2 и 6 представлены функциональные схемы преобразователей.
На фиг. 3 и 7 представлены функциональные схемы повторителей напряжения.
На фиг. 4 и 8 представлены функциональные схемы вычитателей.
На фиг. 5 представлена функциональная схема инвертора.
На фиг. 9 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, преобразователи 2 и 7, конденсаторы 3 и 8, повторители напряжения 4 и 9, вычитатели 5 и 10, инвертор 6, причем: выход источника опорного напряжения 1 подключен через преобразователь 2 к первому контакту конденсатора 3, второму входу вычитателя 5 и через инвертор 6, и преобразователь 7, к первому контакту конденсатора 8, второму входу вычитателя 10; второй контакт конденсатора 3, через повторитель напряжения 4, подключен к первому входу вычитателя 5; второй контакт конденсатора 8, через повторитель напряжения 9, подключен к первому входу вычитателя 10; выходы вычитателей 5 и 10 являются выходами устройства, соответственно, «+» и «-».
Преобразователь 2, фиг. 2, содержит конденсатор 11, четыре резистора 13÷16, два операционных усилителя 12 и 17, причем: выход операционного усилителя 17 служит выходом преобразователя 2; неинвертирующий вход операционного усилителя 17 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 13 и резистора 14; инвертирующий вход операционного усилителя 17 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 15 и резистора 16; вход преобразователя 2 соединен непосредственно с первым контактом резистора 15 и, через конденсатор 11, с неинвертирующим входом операционного усилителя 12; второй контакт резистора 14 заземлен; второй контакт резистора 16 подключен к выходу операционного усилителя 17; инвертирующий вход операционного усилителя 12 соединен с выходом операционного усилителя 12 и с первым контактом резистора 13.
Преобразователь 7, фиг. 6, содержит конденсатор 28, четыре резистора 30÷33, два операционных усилителя 29 и 34, причем: выход операционного усилителя 34 служит выходом преобразователя 7; неинвертирующий вход операционного усилителя 34 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 30 и резистора 31; инвертирующий вход операционного усилителя 34 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 32 и резистора 33; вход преобразователя 7 соединен непосредственно с первым контактом резистора 32 и, через конденсатор 28, с неинвертирующим входом операционного усилителя 29; второй контакт резистора 31 заземлен; второй контакт резистора 33 подключен к выходу операционного усилителя 34; инвертирующий вход операционного усилителя 29 соединен с выходом операционного усилителя 29 и с первым контактом резистора 30.
Повторитель напряжения 4, фиг. 3, содержит операционный усилитель 18, причем: неинвертирующий вход операционного усилителя 18 служит входом повторителя напряжения 4; выход операционного усилителя 18 служит выходом повторителя напряжения 4; инвертирующий вход операционного усилителя 18 соединен с выходом операционного усилителя 18.
Повторитель напряжения 9, фиг. 7, содержит операционный усилитель 35, причем: неинвертирующий вход операционного усилителя 35 служит входом повторителя напряжения 9; выход операционного усилителя 35 служит выходом повторителя напряжения 9; инвертирующий вход операционного усилителя 35 соединен с выходом операционного усилителя 35.
Вычитатель 5, фиг. 4, содержит четыре резистора 19÷22 и операционный усилитель 23, при этом: выход операционного усилителя 23 служит выходом вычитателя 5; неинвертирующий вход операционного усилителя 23 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 19 и резистора 20; инвертирующий вход операционного усилителя 23 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 21 и резистора 22; первые контакты резистора 19 и резистора 21 являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя 5; второй контакт резистора 20 заземлен; второй контакт резистора 22 подключен к выходу операционного усилителя 23.
Вычитатель 10, фиг. 8, содержит четыре резистора 36÷39 и операционный усилитель 40, при этом: выход операционного усилителя 40 служит выходом вычитателя 10; неинвертирующий вход операционного усилителя 40 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 36 и резистора 37; инвертирующий вход операционного усилителя 40 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 38 и резистора 39; первые контакты резистора 36 и резистора 38 являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя 10; второй контакт резистора 37 заземлен; второй контакт резистора 39 подключен к выходу операционного усилителя 40.
Инвертор 6, фиг. 5, содержит три резистора 24÷26 и операционный усилитель 27, при этом: выход операционного усилителя 27 служит выходом инвертора 6; неинвертирующий вход операционного усилителя 24, через резистор 24, заземлен; инвертирующий вход операционного усилителя 27 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 25 и резистора 26; второй контакт резистора 26 подключен к выходу операционного усилителя 27; первый контакт резистора 24 является входом инвертора 6.
В качестве особенностей схемных решений преобразователей 2 и 7 следует отметить:
- на операционных усилителях 12 и 29 выполнены схемы повторения напряжения на операционных усилителях 12 и 29;
- на операционных усилителях 17, 23 и резисторах 13÷16, 30÷33 выполнены схемы вычитания напряжения на операционных усилителях 17 и 23.
Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов работает следующим образом.
Анализ работы устройства проведем с опорой на модель, фиг. 9, 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 R20 и R21); электроизмерительных приборов (ХММ1, ХММ2, ХММ3, ХММ4, Amp1, Amp2); осциллографов (XSC1, XSC2).
Выходной сигнал ИОН 1 UИОН, фиг. 1, содержит шумовую составляющую UC, выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 11 (С1, фиг. 9) и поступающую на вход схемы повторения напряжения на операционном усилителе (СПН на ОУ) 12.
СПН на ОУ 12 выполнен по схеме неинвертирующего усилителя со стопроцентной обратной связью и характеризуется параметрами:
где Rвx.OУ12, KOУ12 - входное (дифференциальное) сопротивление и коэффициент усиления операционного усилителя (ОУ) 12;
Rвx.СПН на OУ12, KСПН на OУ12 - входное сопротивление и коэффициент усиления (передачи) СПН на ОУ 12.
Выделенная шумовая составляющая, с выхода СПН на ОУ 12, и выходной сигнал источника опорного напряжения 1 поступают на входы схемы вычитания напряжения на операционном усилителе (СВН на ОУ) 17, осуществляющей компенсацию (подавление) шумовой составляющей.
При этом следует отметить, что посредством преобразователя 2 формируется первая ступень подавления шумовой составляющей ИОН 1 по выходу «+».
Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени цепи СПН на ОУ 12 τСПН на ОУ12 (образованной конденсатором 11 и входным сопротивлением СПН на ОУ 12), являющейся, по сути, RC-фильтром высоких частот. При этом фазовый сдвиг шумовой составляющей ИОН 1 по выходу «+», вносимый первой ступенью подавления шумовой составляющей ИОН 1 
, определяется выражением (6)
где 
где С111 - емкость конденсатора С1, фиг. 9 (элемента 11, фиг. 2);
При этом на 
накладывается условие:
На сопротивления резисторов СВН на ОУ 17 накладывается условие
где R113, R214, R315,R416 - резисторы R1÷R4 (элементы 13÷16 преобразователя 2, фиг. 2), с сопротивлением 50 кОм, фиг. 9.
Мгновенный уровень выходного напряжения шумовой составляющей на выходе преобразователя 2, а по сути, первой ступени подавления шумовой составляющей по выходу «+» 
определяется выражением:
где U ш.ОУ.СПН на ОУ12 - мгновенный уровень шума операционного усилителя 12 СПН на ОУ 12 преобразователя 2;
Uш.ОУ.СВН на ОУ17 - мгновенный уровень шума операционного усилителя 17 СВН на ОУ 17 преобразователя 2;
В силу целесообразности использования одного и того же типа операционного усилителя в составе СПН на ОУ 12 и СВН на ОУ 17, выражение (10) примет вид:
где 
- мгновенный уровень шума операционного усилителя используемого в составе СПН на ОУ 12 и СВН на ОУ 17 (преобразователя 2).
Учитывая значительное входное сопротивление операционного усилителя 12 используемого в СПН на ОУ 12 (например, ИМС ОР07С, с параметрами Rвх.OУ=8÷33 МОм, KОУ=100÷120 дБ (105÷106) (http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73497/MAXIM/OP07CCSA.html), входное сопротивление СПН на ОУ 12 Rвх.СПН на ОУ12 значительно превышает 1 ГОм (даже с учетом токов утечки), что несомненно позволяет снизить требования к величине емкости конденсатора C1 (элемент 11) до приемлемой величины, как в случае микроминиатюрного исполнения устройства, так и в целях повышения стабильности его работы, что, однако, не способствует, в полной мере, выполнению условия (8), а значит и полному подавлению шумовой составляющей в выходном напряжении ИОН 1 по выходу «+».
Дальнейшее подавление шумовой составляющей по выходу «+» осуществляется посредством конденсатора 3, повторителя напряжения 4 и вычитателя 5 (структура совокупности данных элементов идентична структуре преобразователя 2, фиг. 9), выполняющих функцию второй ступени подавления шумовой составляющей в выходном напряжении ИОН 1 по выходу «+».
С учетом, что структура второй ступени подавления шумовой составляющей в выходном напряжении ИОН 1 повторяет структуру первой ступени подавления шумовой составляющей и использования однотипных операционных усилителей, мгновенный уровень выходного напряжения шумовой составляющей на выходе вычитателя 5, а по сути, второй ступени подавления шумовой составляющей по выходу «+» 
определяется выражением:
где 
- коэффициент подавления шума второй ступенью подавления шумовой составляющей.
В силу идентичности структур ступеней подавления шумовой составляющей, правомерно:
где 
- коэффициент подавления шума ИОН 1 по выходу «+».
Мгновенный уровень выходного напряжения шума ИОН 1 по выходу «+» 
определяется выражением:
где 
- мгновенный уровень шума операционных усилителей используемых в составе схем блоков устройства по выходу «+».
Выражение (14) справедливо при выполнении условий (15)÷(18).
где С23 - емкость конденсатора С2, фиг. 5, (элемента 3, фиг. 1);
где Rвх.ОУ18, KOУ18 - входное (дифференциальное) сопротивление и коэффициент усиления ОУ 18;
Rвх.ПН4, KПН4 - входное сопротивление и коэффициент усиления (передачи) повторителя напряжения 4.
где R519, R620, R721,R822 - резисторы R5÷R8 (элементы 19÷22 вычитателя 5, фиг. 4), с сопротивлением 50 кОм, фиг. 9.
Инвертор 6 осуществляет инвертирование выходного сигнала ИОН 1 с коэффициентом передачи равным единице. Сопротивления резисторов инвертора 6 задаются согласно условию:
где R924 - резистор R9 (элемент 19 инвертора 6, фиг. 5), с сопротивлением 50 кОм, фиг. 9;
R1025, R1126 - резисторы R10, R11 (элементы 25, 26 инвертора 6, фиг. 5), с сопротивлением 50 кОм, фиг. 9.
Выходной сигнал инвертора 6 Uинв, фиг. 1, содержит шумовую составляющую UC3, выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 28, (С3, фиг. 9) фиг. 7 и поступающую на вход СПН на ОУ 29.
СПН на ОУ 29 выполнен по схеме неинвертирующего усилителя со стопроцентной обратной связью и характеризуется параметрами:
где Rвх.ОУ29, KОУ29 - входное (дифференциальное) сопротивление и коэффициент усиления операционного усилителя 29;
Rвх.СПН на ОУ29, KСПH на ОУ29 - входное сопротивление и коэффициент усиления (передачи) СПН на ОУ 29.
Выделенная шумовая составляющая, с выхода СПН на ОУ 29, и выходной сигнал инвертора 6 поступают на входы СВН на ОУ 34, осуществляющей компенсацию (подавление) шумовой составляющей.
При этом следует отметить, что посредством преобразователя 7 формируется первая ступень подавления шумовой составляющей ИОН 1 по выходу «-».
Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени цепи СПН на ОУ 29 τСПН на ОУ29 (образованной конденсатором 28 и входным сопротивлением СПН на ОУ 29), являющейся, по сути, RC-фильтром высоких частот. При этом фазовый сдвиг шумовой составляющей ИОН 1 по выходу «-», вносимый первой ступенью подавления шумовой составляющей ИОН 1 
, определяется выражением (21)
где 
где С37 - емкость конденсатора С3, фиг. 9 (элемента 28, фиг. 6);
При этом на 
накладывается условие:
На сопротивления резисторов СВН на ОУ 34 накладывается условие
где R1230, R1331, R1432, R1533 - резисторы R12÷R15 (элементы 30÷33 преобразователя 7, фиг. 6), с сопротивлением 50 кОм, фиг. 9.
Мгновенный уровень выходного напряжения шумовой составляющей на выходе преобразователя 7, а по сути, первой ступени подавления шумовой составляющей по выходу «-» 
определяется выражением:
где Uш.ОУ.инв(ω) - мгновенный уровень шума ОУ 27 инвертора 6;
Uш.ОУ. СПН на ОУ 29 - мгновенный уровень шума операционного усилителя 29 СПН на ОУ 29 преобразователя 7;
Uш.ОУ.СВН на ОУ34 - мгновенный уровень шума операционного усилителя 34 СВН на ОУ 34 преобразователя 7;
В силу целесообразности использования одного и того же типа операционного усилителя в составе СПН на ОУ 29 и СВН на ОУ 34 выражение (25) примет вид:
где 
- мгновенный уровень шума операционного усилителя используемого в составе СПН на ОУ 29 и СВН на ОУ 23 (преобразователя 7).
Учитывая значительное входное сопротивление операционного усилителя 29 используемого в СПН на ОУ 29 (например, ИМС ОР07С, с параметрами Rвх.ОУ=8÷33 МОм, KOУ=100÷120 дБ (105÷106) (http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73497/MAXIM/OP07CCSA.html входное сопротивление СПН на ОУ 29 Rвх.СПН на QУ29 значительно превышает 1 ГОм (даже с учетом токов утечки), что несомненно позволяет снизить требования к величине емкости конденсатора С3 (элемент 28) до приемлемой величины, как в случае микроминиатюрного исполнения устройства, так и в целях повышения стабильности его работы, что, однако, не способствует, в полной мере, выполнению условия (23), а значит и полному подавлению шумовой составляющей в выходном напряжении ИОН 1 по выходу «-».
Дальнейшее подавление шумовой составляющей по выходу «-» осуществляется посредством конденсатора 8, повторителя напряжения 9 и вычитателя 10 (структура совокупности данных элементов идентична структуре преобразователя 7, фиг. 9), выполняющих функцию второй ступени подавления шумовой составляющей в выходном напряжении ИОН 1 по выходу «-».
С учетом, что структура второй ступени подавления шумовой составляющей в выходном напряжении ИОН 1 повторяет структуру первой ступени подавления шумовой составляющей и использования однотипных операционных усилителей, мгновенный уровень выходного напряжения шумовой составляющей на выходе вычитателя 10, а по сути, второй ступени подавления шумовой составляющей по выходу «-» 
определяется выражением:
где 
- коэффициент подавления шума второй ступенью подавления шумовой составляющей по выходу «-».
В силу идентичности структур ступеней подавления шумовой составляющей, правомерно:
где 
- коэффициент подавления шума ИОН 1 по выходу «-».
Мгновенный уровень выходного напряжения шума ИОН 1 по выходу «-» 
определяется выражением:
где 
- мгновенный уровень шума операционных усилителей используемых в составе схем блоков устройства по выходу «-».
Выражение (29) справедливо при выполнении условий (30)÷(33).
где С48 - емкость конденсатора С4, фиг. 9, (элемента 8, фиг. 1);
где Rвх.ОУ35, KOУ35 - входное (дифференциальное) сопротивление и коэффициент усиления ОУ 35;
Rвx.ПН9, KПН9 - входное сопротивление и коэффициент усиления (передачи) повторителя напряжения 9.
где R1636, R1737, R1838, R1939 - резисторы R16÷R19 (элементы 36÷39 вычитателя 10, фиг. 8), с сопротивлением 50 кОм, фиг. 9.
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 ОУ ИМС ОР07С, а так же конденсаторов C1, С2, С3, С4 (элементов 11, 3, 28, 4) емкостью 0,01 мкФ (τФВЧ=10 с), показало
Исследования показали возможность понижения шума ИОН, в частности, ИМС МАХ874 с выходным шумовым напряжением 90 мкВ (пик-пик) в полосе частот 0.1÷10 Гц (http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73832/МАХIМ/MAX872.html), при использовании в качестве ОУ 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), и конденсаторов C1, С2, С3, С4 (элементов 11, 3, 28, 4) емкостью 0,01 мкФ, таблица 4.
Как следует из анализа данных таблиц 1÷4, предлагаемое устройство обеспечивает более значительное снижение уровня шумовой составляющей инфранизкочастотного диапазона выходного сигнала ИОН в сравнении с прототипом, при одновременном снижении требований к величине емкости конденсаторов C1, С2, С3, С4 (элементов 11, 3, 28, 4).
Claims (1)
- Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, содержащее источник опорного напряжения, два преобразователя, два конденсатора, два вычитателя, инвертор, причем выход источника опорного напряжения подключен через первый преобразователь к первому контакту первого конденсатора, второму входу первого вычитателя и через инвертор и второй преобразователь к первому контакту второго конденсатора, второму входу второго вычитателя; выходы вычитателей являются выходами устройства соответственно «+» и «-», при этом: 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 и второго резисторов; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам соответственно третьего и четвертого резисторов; первые контакты первого и третьего резисторов являются соответственно первыми и вторыми входами вычитателей; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя, а 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 и третьего резисторов; второй контакт третьего резистора подключен к выходу операционного усилителя; первый контакт второго резистора является входом инвертора, при этом преобразователи содержат: по конденсатору, по четыре резистора и по операционному усилителю, 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 и четвертого резистора; вход преобразователя соединен с первыми контактами конденсатора и третьего резистора; второй контакт второго резистора заземлен; второй контакт четвертого резистора подключен к выходу операционного усилителя, отличающееся тем, что в устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов введены по операционному усилителю в каждый преобразователь, а именно инвертирующие входы введенных операционных усилителей соединяются со своими выходами и первыми контактами первых резисторов, а неинвертирующие входы введенных операционных усилителей подключаются ко вторым контактам конденсаторов, и два повторителя напряжения, выходы которых подключаются к первым входам вычитателей, а входы к вторым контактам конденсаторов, при этом повторители напряжения содержат по операционному усилителю, неинвертирующий вход которого подключен к входу повторителя напряжения, а инвертирующий вход операционного усилителя соединен с выходом операционного усилителя и выходом повторителя напряжения.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017146512A RU2675796C1 (ru) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017146512A RU2675796C1 (ru) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2675796C1 true RU2675796C1 (ru) | 2018-12-25 |
Family
ID=64753621
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017146512A RU2675796C1 (ru) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2675796C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2428736C1 (ru) * | 2010-05-04 | 2011-09-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ставропольский государственный аграрный университет" | Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов |
| EP2639666A1 (en) * | 2012-03-16 | 2013-09-18 | ST-Ericsson SA | Low-noise reference voltages distribution circuit |
| RU2549509C1 (ru) * | 2014-02-10 | 2015-04-27 | ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "Дельта" | Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов |
| US9285820B2 (en) * | 2012-02-03 | 2016-03-15 | Analog Devices, Inc. | Ultra-low noise voltage reference circuit |
-
2017
- 2017-12-27 RU RU2017146512A patent/RU2675796C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2428736C1 (ru) * | 2010-05-04 | 2011-09-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ставропольский государственный аграрный университет" | Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов |
| US9285820B2 (en) * | 2012-02-03 | 2016-03-15 | Analog Devices, Inc. | Ultra-low noise voltage reference circuit |
| EP2639666A1 (en) * | 2012-03-16 | 2013-09-18 | ST-Ericsson SA | Low-noise reference voltages distribution circuit |
| RU2549509C1 (ru) * | 2014-02-10 | 2015-04-27 | ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "Дельта" | Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Senani et al. | New lossy/loss-less synthetic floating inductance configuration realized with only two CFOAs | |
| Ranjan et al. | Active comb filter using operational transconductance amplifier | |
| RU2422874C1 (ru) | Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов | |
| RU2675796C1 (ru) | Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов | |
| RU2669375C1 (ru) | Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов | |
| RU179294U1 (ru) | Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов | |
| RU2428736C1 (ru) | Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов | |
| RU2672474C1 (ru) | Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов | |
| RU2549509C1 (ru) | Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов | |
| RU2676755C1 (ru) | Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов | |
| RU2496132C1 (ru) | Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов | |
| RU2671856C1 (ru) | Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов | |
| RU178694U1 (ru) | Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов | |
| Unuk et al. | DVCC+ based immittance function simulators including grounded passive elements only | |
| RU2744648C1 (ru) | Генератор гиперхаотических колебаний | |
| RU2710295C1 (ru) | Активный RC-фильтр нижних частот | |
| ABUELMA'ATTI et al. | New CFOA-Based Lossless Floating Inductor and Capacitance/Resistance Multipliers for Low Frequency Applications. | |
| Kumngern et al. | Voltage-mode lowpass, highpass, bandpass biquadratic filter using OTRAs | |
| RU2642338C1 (ru) | Неинвертирующий усилитель переменного тока | |
| Yener et al. | Examination of a memristor-based low-pass filter topology | |
| RU2410833C2 (ru) | Схема усилителя фотодиода | |
| Abdullah et al. | A biopotential amplifier with dynamic capacitor matching for improved CMRR | |
| Sotner et al. | Discussion on two solutions of inductance simulators using single controlled gain voltage differencing current conveyor and the most important parasitic effects | |
| Stănescu et al. | Designing and testing of a second order active RC low-pass filter with different quality factors | |
| RU2682924C1 (ru) | Фильтр нижних частот с гальванической развязкой |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191228 |