RU2676755C1 - Reference voltage with a reduced noise level generation device - Google Patents

Reference voltage with a reduced noise level generation device Download PDF

Info

Publication number
RU2676755C1
RU2676755C1 RU2018100699A RU2018100699A RU2676755C1 RU 2676755 C1 RU2676755 C1 RU 2676755C1 RU 2018100699 A RU2018100699 A RU 2018100699A RU 2018100699 A RU2018100699 A RU 2018100699A RU 2676755 C1 RU2676755 C1 RU 2676755C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
operational amplifier
resistor
output
subtractor
Prior art date
Application number
RU2018100699A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Николаевич Бондарь
Мария Сергеевна Жаворонкова
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет"
Priority to RU2018100699A priority Critical patent/RU2676755C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2676755C1 publication Critical patent/RU2676755C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-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
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating 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

FIELD: electrical equipment.SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical equipment, in particular to the reference voltage generation devices, and can be used during the stable DC voltage low-noise sources development. Reference voltage with the reduced noises level generation device contains stabilizer, capacitor, scaling voltage repeater, voltage divider, a voltage repeater, subtractor, at that, the scaling voltage repeater contains three resistors and an operational amplifier; repeater voltage divider contains two resistors; repeater voltage repeater contains the operational amplifier; the subtractor contains four resistors and repeater operational amplifier.EFFECT: technical result, which can be achieved with the present invention is in the generated reference voltage noise level reduction and the polarity bringing to the used stabilizer output voltage polarity.1 cl, 6 dwg, 4 tbl

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройствам формирования опорного напряжения, и может быть использовано при создании малошумящих источников стабильного напряжения постоянного тока.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular, to devices for generating a reference voltage, and can be used to create low-noise sources of stable DC voltage.

Уровень техникиState of the art

Известно устройство формирования опорного напряжения содержащее источник опорного напряжения и конденсатор, выполняющий роль фильтра низких частот ((https://www.datasheetarchive.com/MAX872-datesheet.html), (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1997 г. - 704 с., см. стр. 361)).A device for generating a reference voltage containing a reference voltage source and a capacitor that acts as a low-pass filter ((https://www.datasheetarchive.com/MAX872-datesheet.html), (Horowitz P., Hill W. The art of circuitry. - M. : World, 1997 - 704 p., See p. 361)).

Недостатком данного устройства является значительный уровень шумов, прежде всего, низкочастотныхThe disadvantage of this device is a significant level of noise, especially low-frequency

Неэффективность фильтра низких частот обусловлена невозможностью использования конденсаторов большой емкости в цепи фильтрации в силу ограниченности емкостной нагрузки источника опорного напряжения.The inefficiency of the low-pass filter is due to the inability to use large capacitors in the filter circuit due to the limited capacitive load of the reference voltage source.

Известен мало-шумящий 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 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).Known low-noise voltage source (low-noise voltage reference), the output signal of which is the difference voltage of two signals previously subjected to low-pass filtering and generated by a zener diode with a forbidden voltage. The basis of the process of implementing the actions of this device (US 4795961 A (Unitrode corporation), 01/03/1989 (5 L))) is the combined cycle system (Ivashchenko NN Automatic regulation. Theory and elements of systems. M., "Engineering" , 1973, 606 pp. - p. 9). At the same time, the feedback signal (the output of the device, the voltage divider 84, the base of transistors 52, 62) acts as a regulatory action.

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.The disadvantage of this device is a significant noise level due to the fact that the desire to reduce noise in the low and infra-low frequencies is accompanied by an increase in the likelihood of impulse noise, due to the uncorrelated noise components in the signals taken from the collectors of transistors 52, 62 and serving as the basis for the formation of the output voltage source.

Известен источник опорного напряжения, SU 421002А (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).A well-known reference voltage source, SU 421002A (All-Union Scientific Research and Design Institute of Scientific Instrument Making), 03/25/1974 (2 l), which, according to the process of implementing actions, is a closed loop system (Ivashchenko NN Automatic regulation. Theory and elements of systems. M., "Mechanical Engineering", 1973, 606 pp. - p. 9). In this case, the feedback signal (capacitor 7, amplifier 5, resistor 6, RC filter 4, acts as the regulatory action), and the output voltage of the stabilizer 1 is used as the control action.

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.The disadvantage of this device is a significant noise level due to the fact that the phase shift in the feedback circuit generates a dynamic error of the closed-loop control system and leads to a contradiction: the desire to reduce the noise level in the low and infra-low frequencies leads to the preservation (invariance) of the high-frequency noise level.

Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (патент RU 2422874, МПК G05F 3/08, 27.06.2011).The closest analogue is the prototype of the claimed technical solution is a device for generating a reference voltage with a low noise level (patent RU 2422874, IPC G05F 3/08, 06/27/2011).

Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов содержит стабилизатор, конденсатор, вычитатель, при этом выход стабилизатора непосредственно и через конденсатор, соединен, соответственно, с первым и вторым входами вычитателя, выход которого является выходом устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.The device for generating a reference voltage with a reduced noise level contains a stabilizer, a capacitor, a subtracter, while the output of the stabilizer directly and through a capacitor is connected, respectively, to the first and second inputs of the subtractor, the output of which is the output of the device for forming a reference voltage with a reduced noise level.

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.The subtractor contains four resistors and an operational amplifier: the output of the operational amplifier serves as the output of the subtractor; the non-inverting input of the operational amplifier is connected to the second and first contacts, respectively, of the first resistor and second resistor; the inverting input of the operational amplifier is connected to the second and first contacts, respectively, of the third resistor and fourth resistor; the first contacts of the first resistor and the third resistor are, respectively, the first and second inputs of the subtractor; the second contact of the second resistor is grounded; the second contact of the fourth resistor is connected to the output of the operational amplifier.

Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени фильтра высоких частот прототипа τФВЧ.прот образованного конденсатором C1, первым и вторым резисторами R1, R2 вычитателя, а значит фазовый сдвиг шумовой составляющей прототипа ϕШС.прот(ω), где ω - текущая частота, выделенной шумовой составляющей будет определяться зависимостьюThe degree of suppression of the noise component is largely determined by the time constant of the high-pass filter of the prototype τ HPF.prot formed by the capacitor C1, the first and second subtractor resistors R1, R2, which means the phase shift of the noise component of the prototype ϕ SH.S.prot (ω), where ω is the current the frequency allocated by the noise component will be determined by the dependence

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

При этом на τФВЧ.прот, R1 и R2 накладываются условия:At the same time on τ HPF.prot , R 1 and R 2 the conditions are imposed:

Figure 00000003
Figure 00000003

где R3, R4 - сопротивление третьего и четвертого резисторов вычитателя.where R 3 , R 4 - the resistance of the third and fourth resistors of the subtractor.

Так как выполнение условия (3) (а именно: τФВЧ.прот >>1 с), технически неосуществимо (увеличение номиналов элементов, с целью увеличения τФВЧ.прот, приведет к неустойчивой работе как операционного усилителя вычитателя, так и стабилизатора), а значит, будет неполное подавление шумовой составляющей (в области инфранизких частот), или иначе говоря, будет узкополосная компенсация шумовой составляющей выходного напряжения стабилизатора, в силу возникающего фазового сдвига. В частности, моделирование процесса формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (выполненное в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12), в случае использования элементов с предельно допустимыми параметрами: С1=1 мкФ; R1=R2=R3=R4=500 кОм; (τФВЧ.прот =1 с), показало частотную зависимость как фазового сдвига шумовой составляющей прототипа ϕШС.прот(ω), так и коэффициента подавления шума прототипа KПШ.прот(ω), таблица 1.Since the fulfillment of condition (3) (namely: τ HPF.prot >> 1 s) is technically unfeasible (an increase in the nominal values of the elements, in order to increase τ HPF.prot , will lead to unstable operation of both the operational amplifier of the subtractor and the stabilizer), which means that there will be incomplete suppression of the noise component (in the region of infra-low frequencies), or in other words, there will be narrow-band compensation of the noise component of the output voltage of the stabilizer, due to the occurring phase shift. In particular, modeling the process of forming the reference voltage with a reduced noise level (performed in the Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12 program), in the case of using elements with maximum permissible parameters: C 1 = 1 μF; R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = 500 kOhm; (τ HPF.prot = 1 s), showed the frequency dependence of both the phase shift of the noise component of the prototype ϕ SH.S.prot (ω) and the noise suppression coefficient of the prototype K PSh.prot (ω), table 1.

Figure 00000004
Figure 00000004

Мгновенный уровень выходного напряжения шума устройства прототипа Uш.прот определяется выражением:The instantaneous noise output voltage level of the prototype device U W. prot is determined by the expression:

Figure 00000005
Figure 00000005

где Uш.cт - мгновенный уровень шума стабилизатора;where U W. ct is the instantaneous noise level of the stabilizer;

Uш.ОУ.выч - мгновенный уровень шума операционного усилителя (ОУ) вычитателя.U sh.OU. habit - instant noise level of the operational amplifier (op-amp) of the subtractor.

Исследования показали возможность понижения шума стабилизатора (в частности, ИМС:Studies have shown the possibility of reducing the noise of the stabilizer (in particular, IC:

- МАХ872 (https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73832/MAXIM/MAX872.html);- MAX872 (https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73832/MAXIM/MAX872.html);

- ADR584 (chrome-extension:https://oemmndcbldboiebfnladdacbdfmadadm/https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD584.pdf),- ADR584 (chrome-extension: // oemmndcbldboiebfnladdacbdfmadadm / http: //www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD584.pdf),

при использовании в качестве ОУ вычитателя ИМС ОР07С, с эквивалентным входным шумом 0,38 мкВ (пик-пик) в полосе частот 0.1÷10 Гц (https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73497/MAXIM/OP07CCSA.html), таблица 2.when using as an op-amp subtractor, IC OR07C, with an equivalent input noise of 0.38 μV (peak-to-peak) in the frequency band 0.1 ÷ 10 Hz (https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73497/MAXIM/ OP07CCSA.html), table 2.

Figure 00000006
Figure 00000006

Недостатками устройства прототипа являются:The disadvantages of the prototype device are:

- значительный уровень шумовой составляющей инфранизкочастотного диапазона, при одновременно высоких требованиях к величине емкости конденсатора (в идеале, для постоянной времени τФВЧ желательно выполнение условия: τФВЧ >>1 с);- a significant level of the noise component of the infra-low-frequency range, while at the same time high requirements for the capacitor value (ideally, for the time constant τ HPF it is desirable to fulfill the condition: τ HPF >> 1 s);

- инверсия полярности формируемого опорного напряжения относительно полярности выходного напряжения используемого стабилизатора.- inversion of the polarity of the generated reference voltage relative to the polarity of the output voltage of the used stabilizer.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к снижению уровня шумов и приведению полярности формируемого опорного напряжения к полярности выходного напряжения используемого стабилизатора.The technical result that can be achieved using the present invention is to reduce the noise level and bring the polarity of the generated reference voltage to the polarity of the output voltage of the stabilizer used.

Технический результат достигается тем, что в устройство формирования опорного напряжения содержащее стабилизатор, конденсатор, вычитатель, при этом выход стабилизатора подключен к первому контакту конденсатора и первому входу вычитателя, выход которого служит выходом устройства, введены, последовательно соединенные, масштабирующий повторитель напряжения, делить напряжения и повторитель напряжения, причем второй контакт конденсатора соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения, второй вход вычитателя соединен с выходом повторителя напряжения.The technical result is achieved by the fact that in the device for generating a reference voltage containing a stabilizer, capacitor, subtractor, while the output of the stabilizer is connected to the first contact of the capacitor and the first input of the subtractor, the output of which serves as the output of the device, introduced, connected in series, a scaling voltage follower, divide the voltage and a voltage follower, the second contact of the capacitor connected to the input of the scaling voltage follower, the second input of the subtractor connected to the output m of the voltage follower.

Масштабирующий повторитель напряжения содержит три резистора и операционный усилитель: неинвертирующий вход операционного усилителя, через первый резистор, соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения; инвертирующий вход операционного усилителя подключен ко второму и первому контактам, соответственно, второго и третьего резистора; первый контакт второго резистора заземлен; второй контакт третьего резистора подключен к выходу операционного усилителя, служащего выходом масштабирующего повторителя напряжения.The scaling voltage follower contains three resistors and an operational amplifier: a non-inverting input of the operational amplifier, through the first resistor, connected to the input of the scaling voltage follower; the inverting input of the operational amplifier is connected to the second and first contacts, respectively, of the second and third resistor; the first contact of the second resistor is grounded; the second contact of the third resistor is connected to the output of the operational amplifier, which serves as the output of the scaling voltage follower.

Делить напряжения содержит два резистора: вход делителя напряжения подключен к первому контакту первого резистора; второй контакт первого резистора и первый контакт второго резистора, соединены с выходом делителя напряжения, второй контакт второго резистора заземлен.Voltage sharing contains two resistors: the input of the voltage divider is connected to the first contact of the first resistor; the second contact of the first resistor and the first contact of the second resistor are connected to the output of the voltage divider, the second contact of the second resistor is grounded.

Повторитель напряжения содержит операционный усилитель, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя подключен ко входу повторителя напряжения, инвертирующий вход операционного усилителя соединен с выходом операционного усилителя и выходом повторителя напряжения.The voltage follower contains an operational amplifier, while the non-inverting input of the operational amplifier is connected to the input of the voltage follower, the inverting input of the operational amplifier is connected to the output of the operational amplifier and the output of the voltage follower.

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.The subtractor contains four resistors and an operational amplifier: the output of the operational amplifier serves as the output of the subtractor; the non-inverting input of the operational amplifier is connected to the second and first contacts, respectively, of the first resistor and second resistor; the inverting input of the operational amplifier is connected to the second and first contacts, respectively, of the third resistor and fourth resistor; the first contacts of the first resistor and the third resistor are, respectively, the first and second inputs of the subtractor; the second contact of the second resistor is grounded; the second contact of the fourth resistor is connected to the output of the operational amplifier.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов.In FIG. 1 is a functional diagram of a device for generating a reference voltage with a reduced noise level.

На фиг. 2 представлена функциональная схема масштабирующего повторителя напряжения.In FIG. 2 is a functional diagram of a scaling voltage follower.

На фиг. 3 представлена функциональная схема делителя напряжения.In FIG. 3 shows a functional diagram of a voltage divider.

На фиг. 4 представлена функциональная схема повторителя напряжения.In FIG. 4 is a functional diagram of a voltage follower.

На фиг. 5 представлена функциональная схема вычитателя.In FIG. 5 is a functional diagram of a subtractor.

На фиг. 6 представлена модель устройства формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов выполненная в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12.In FIG. Figure 6 shows a model of a device for generating a voltage reference with reduced noise level made in the Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12 program.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, фиг.1, содержит стабилизатор 1, конденсатор 2, масштабирующий повторитель напряжения 3, делитель напряжения 4, повторитель напряжения 5, вычитатель 6, причем, выход стабилизатора 1 непосредственно соединен со вторым входом масштабирующего вычитателя 4, а через последовательно соединенные конденсатор 2, масштабирующий повторитель напряжения 3, делитель напряжения 4, повторитель напряжения 5, соединен с первым входом вычитателя 6, выход которого является выходом устройства.The device for generating a reference voltage with a reduced noise level, Fig. 1, contains a stabilizer 1, a capacitor 2, a scaling voltage follower 3, a voltage divider 4, a voltage follower 5, a subtractor 6, wherein the output of the stabilizer 1 is directly connected to the second input of the scaling subtractor 4, and through a series-connected capacitor 2, a scaling voltage follower 3, a voltage divider 4, a voltage follower 5, is connected to the first input of the subtractor 6, the output of which is the output of the device .

Масштабирующий повторитель напряжения 3, фиг. 2, содержит три резистора 7÷9 и операционный усилитель 10, причем: неинвертирующий вход операционного усилителя 10, через резистор 7, соединен со входом масштабирующего повторителя напряжения 3; инвертирующий вход операционного усилителя 10 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 8 и резистора 9; первый контакт резистора 8 заземлен; второй контакт резистора 9 подключен к выходу операционного усилителя 10, служащего выходом масштабирующего повторителя напряжения 3.The scaling voltage follower 3, FIG. 2, contains three resistors 7 ÷ 9 and an operational amplifier 10, wherein: the non-inverting input of the operational amplifier 10, through a resistor 7, is connected to the input of a scaling voltage follower 3; the inverting input of the operational amplifier 10 is connected to the second and first contacts, respectively, of the resistor 8 and the resistor 9; the first contact of the resistor 8 is grounded; the second contact of the resistor 9 is connected to the output of the operational amplifier 10, which serves as the output of the scaling voltage follower 3.

Делить напряжения 4, фиг. 3, содержит два резистора 11 и 12, причем: вход делителя напряжения 4 подключен к первому контакту резистора 11; второй контакт резистора 11 и первый контакт резистора 12, соединены с выходом делителя напряжения 4, второй контакт резистора 12 заземлен.Share voltage 4, FIG. 3, contains two resistors 11 and 12, moreover: the input of the voltage divider 4 is connected to the first contact of the resistor 11; the second contact of the resistor 11 and the first contact of the resistor 12 are connected to the output of the voltage divider 4, the second contact of the resistor 12 is grounded.

Повторитель напряжения 5, фиг. 4, содержит операционный усилитель 13, причем: неинвертирующий вход операционного усилителя 13 служит входом повторителя напряжения 5; выход операционного усилителя 13 служит выходом повторителя напряжения 5; инвертирующий вход операционного усилителя 13 соединен с выходом операционного усилителя 13.Voltage follower 5, FIG. 4, comprises an operational amplifier 13, wherein: the non-inverting input of the operational amplifier 13 serves as the input of a voltage follower 5; the output of the operational amplifier 13 serves as the output of the voltage follower 5; the inverting input of the operational amplifier 13 is connected to the output of the operational amplifier 13.

Вычитатель 6, фиг. 5, содержит четыре резистора 14÷17 и операционный усилитель 18, причем: выход операционного усилителя 18 служит выходом вычитателя 6; неинвертирующий вход операционного усилителя 18 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 14 и резистора 15; инвертирующий вход операционного усилителя 18 подключен ко второму и первому контактам, соответственно, резистора 16 и резистора 17; первые контакты резистора 14 и резистора 16 являются, соответственно, первым и вторым входами вычитателя 6; второй контакт резистора 15 заземлен; второй контакт резистора 17 подключен к выходу операционного усилителя 18.Subtractor 6, FIG. 5, contains four resistors 14 ÷ 17 and an operational amplifier 18, moreover: the output of the operational amplifier 18 serves as the output of the subtractor 6; the non-inverting input of the operational amplifier 18 is connected to the second and first contacts, respectively, of the resistor 14 and the resistor 15; the inverting input of the operational amplifier 18 is connected to the second and first contacts, respectively, of the resistor 16 and the resistor 17; the first contacts of the resistor 14 and the resistor 16 are, respectively, the first and second inputs of the subtractor 6; the second contact of the resistor 15 is grounded; the second contact of the resistor 17 is connected to the output of the operational amplifier 18.

Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов работает следующим образом.A device for forming a voltage reference with a low noise level works as follows.

Анализ работы устройства проведем с опорой на модель, фиг. 6, 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 R10); электроизмерительных приборов (ХММ1, ХММ2, Amp1); осциллографа (XSC1).We will analyze the operation of the device based on the model, FIG. 6, performed in Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12. A distinctive feature of the model is the presence of: a power supply unit (Blok_Pitania); device load resistance (resistor R10); electrical measuring instruments (ХММ1, ХММ2, Amp1); Oscilloscope (XSC1).

Выходной сигнал стабилизатора 1, содержит шумовую составляющую Uш.ст(ω), выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 2 (С1) и поступающую на вход масштабирующего повторителя напряжения 3.The output signal of the stabilizer 1, contains the noise component U W (ω), extracted from the output signal using a capacitor 2 (C1) and fed to the input of the scaling voltage follower 3.

Масштабирующий повторитель напряжения 3 выполнен по схеме неинвертирующего усилителя характеризуемого параметрами:The scaling voltage follower 3 is made according to a non-inverting amplifier circuit characterized by the parameters:

Figure 00000007
Figure 00000007

где Rвх.ОУ, KОУ - входное (дифференциальное) сопротивление и коэффициент усиления операционного усилителя (ОУ) 10;where R I.OU , K OU - input (differential) resistance and gain of the operational amplifier (OU) 10;

Rвх.МПН, KМПН - входное сопротивление и коэффициент усиления (передачи) масштабирующего повторителя напряжения 3;R input MPN , K MPN - input resistance and gain (transmission) of the scaling voltage follower 3;

R17, R28, R39 - 1÷3 резисторы (элементы 7÷9) масштабирующего повторителя напряжения 3, с сопротивлением 50 кОм, фиг. 4.R1 7 , R2 8 , R3 9 - 1 ÷ 3 resistors (elements 7 ÷ 9) of the scaling voltage follower 3, with a resistance of 50 kΩ, FIG. four.

Мгновенный уровень шума Uш.МПН(ω), на выходе масштабирующего повторителя напряжения 3, описывается выражением (6);The instant noise level U w. MPN (ω), at the output of the scaling voltage follower 3, is described by expression (6);

Figure 00000008
Figure 00000008

где Uш.ОУ.МПН(ω) - мгновенный уровень шума операционного усилителя 10 масштабирующего повторителя напряжения 3.where U W. OU.MPN (ω) is the instantaneous noise level of the operational amplifier 10 of the scaling voltage follower 3.

Согласно принятым значениям сопротивлений резисторов R28, R39, имеет место соотношение:According to the accepted values of the resistances of resistors R2 8 , R3 9 , there is a ratio:

Figure 00000009
Figure 00000009

Выделенная и преобразованная шумовая составляющая, с выхода масштабирующего повторителя напряжения 3, поступает на делитель напряжения 4 с коэффициентом деления:The selected and converted noise component, from the output of the scaling voltage follower 3, is supplied to a voltage divider 4 with a division ratio:

Figure 00000010
Figure 00000010

где R411, R512 - 1 и 2 резисторы (элементы 11 и 12) делитель напряжения 4, с сопротивлением 500 Ом, фиг. 6, и далее на повторитель напряжения 5, выполняющего функции буферного каскада.where R4 11 , R5 12 - 1 and 2 resistors (elements 11 and 12) voltage divider 4, with a resistance of 500 Ohms, FIG. 6, and then to the voltage follower 5, which functions as a buffer stage.

Согласно принятым значениям сопротивлений резисторов R411, R512, имеет место соотношение:According to the accepted values of the resistances of the resistors R4 11 , R5 12 , there is a ratio:

Figure 00000011
Figure 00000011

Мгновенный уровень шума Uш.ПН(ω), на выходе повторителя напряжения 5, описывается выражением (10);The instant noise level U W. PN (ω), at the output of the voltage follower 5, is described by the expression (10);

Figure 00000012
Figure 00000012

где Uш.ОУ.ПН - мгновенный уровень шума операционного усилителя 13 повторителя напряжения 5.where U W. OU.PN - the instantaneous noise level of the operational amplifier 13 voltage follower 5.

Выходные сигналы повторителя напряжения 5 и стабилизатора 1 поступают на входы вычитателя 6, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.The output signals of the voltage follower 5 and the stabilizer 1 are fed to the inputs of the subtractor 6, which compensates (suppresses) the noise component.

На элементы вычитателя 6 накладывается условие:The following condition is imposed on the elements of the subtractor 6:

Figure 00000013
Figure 00000013

где R614, R715, R816, R917 - 1÷4 резисторы (элементы 14÷17) вычитателя 6, фиг. 5, с сопротивлением 50 кОм, фиг. 6.where R6 14 , R7 15 , R8 16 , R9 17 - 1 ÷ 4 resistors (elements 14 ÷ 17) of the subtractor 6, FIG. 5, with a resistance of 50 kΩ, FIG. 6.

Мгновенный уровень выходного напряжения шума устройства Uш (вычитателя 6), определяется выражением:The instantaneous noise output voltage level of the device U w (subtractor 6) is determined by the expression:

Figure 00000014
Figure 00000014

где Uш.ОУ.выч - мгновенный уровень шума операционного усилителя 18 вычитателя 6;where U sh.OU. habit - the instantaneous noise level of the operational amplifier 18 of the subtractor 6;

KПШ - коэффициента подавления шума устройства.K PN - noise reduction coefficient of the device.

В силу целесообразности использования одного и того же типа операционного усилителя в составе схем масштабирующего повторителя напряжения 3, повторителя напряжения 5 и вычитателя 6, а также с учетом выражений (7) и (9), выражение (12) примет вид:Due to the advisability of using the same type of operational amplifier as part of the scaling voltage follower 3, voltage follower 5 and subtractor 6 circuits, as well as taking into account expressions (7) and (9), expression (12) takes the form:

Figure 00000015
Figure 00000015

где Uш.ОУ - мгновенный уровень шума операционного усилителя используемого в составе схем масштабирующего повторителя напряжения 3, повторителя напряжения 5 и вычитателя 6.where U W. OU - the instantaneous noise level of the operational amplifier used as part of the scaling voltage follower 3, voltage follower 5 and subtractor 6.

Степень подавления шумовой составляющей в выходном напряжении устройства, в значительной мере, определяется постоянной времени фильтра высоких частот устройства τФВЧ образованного конденсатором 2 и входным сопротивлением Rвх.МПН масштабирующего повторителя напряжения 3. При этом фазовый сдвиг шумовой составляющей стабилизатора 1, вносимый фильтром высоких частот устройства ϕШС(ω), определяется выражением (14)The degree of suppression of the noise component in the output voltage of the device is largely determined by the time constant of the high-pass filter of the device τ HPF formed by the capacitor 2 and the input resistance R in. MPN of the scaling voltage follower 3. The phase shift of the noise component of the stabilizer 1 introduced by the high-pass filter device ϕ AL (ω), is determined by the expression (14)

Figure 00000016
Figure 00000016

где

Figure 00000017
Where
Figure 00000017

где С12 - емкость конденсатора С1, фиг. 6 (элемента 2, фиг. 1).where C1 2 is the capacitance of capacitor C1, FIG. 6 (element 2, Fig. 1).

При этом на τФВЧ накладывается условие:In this case, on the HPF, the condition is imposed:

Figure 00000018
Figure 00000018

Учитывая значительное входное сопротивление операционного усилителя 10 используемого в схеме масштабирующего повторителя напряжения 3 (например, ИМС ОР07С, с параметрами Rвх.ОУ=8÷33 МОм, KОУ=100÷120 дБ (105÷106) (https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73497/MAXIM/OP07CCSA.html), а также сопротивление резистора R17 (ограничивающее входной ток операционного усилителя 10), входное сопротивление масштабирующего повторителя напряжения 3-Rвх.МПН значительно превышает 1 ГОм (даже с учетом токов утечки). Что, в свою очередь, обеспечивает выполнение условий как (16), так и (17)Given the significant input impedance of the operational amplifier 10 used in the scaling voltage follower 3 circuit (for example, IC ОR07С, with parameters R input ОУ = 8 ÷ 33 МОм, K ОУ = 100 ÷ 120 dB (10 5 ÷ 10 6 ) (http: / /pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73497/MAXIM/OP07CCSA.html), as well as the resistance of the resistor R1 7 (limiting the input current of the operational amplifier 10), the input impedance of the scaling voltage follower 3-R in. MPN significantly exceeds 1 GOhm (even taking into account leakage currents), which, in turn, ensures the fulfillment of conditions both (16) and (17)

Figure 00000019
Figure 00000019

И способствует лучшему подавлению шумовой составляющей (особенно в области инфранизких частот) в выходном сигнале предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.And it contributes to better suppression of the noise component (especially in the field of infra-low frequencies) in the output signal of the proposed device in comparison with the prototype.

Поступление сигналов с выхода стабилизатора 1 на первый вход вычитателя 6 (неинвертирующий вход операционного усилителя 18) и с выхода повторителя напряжения 5 на второй вход вычитателя 6 (инвертирующий вход операционного усилителя 18) обеспечивает приведение полярности формируемого опорного напряжения к полярности выходного напряжения используемого стабилизатора.The receipt of signals from the output of the stabilizer 1 to the first input of the subtractor 6 (non-inverting input of the operational amplifier 18) and from the output of the voltage follower 5 to the second input of the subtractor 6 (inverting input of the operational amplifier 18) provides the polarity of the generated reference voltage to the polarity of the output voltage of the used stabilizer.

Моделирование процесса формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов (выполненное в программе Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12), с использованием в составе схем масштабирующего повторителя напряжения 3, повторителя напряжения 5 и вычитателя 6, ОУ ИМС ОР07С (Rвх.МПН ≈1 ГОм) и конденсатора 2 емкостью С12=0,1 мкФ (τФВЧ=100 с), ), а так же 0,01 мкФ (τФВЧ=10 с), показалоSimulation of the process of forming the reference voltage with a reduced noise level (performed in the Electronics Workbench Multisim 8 Simulation & Capture Version 8.2.12 program), using a scaling voltage follower 3, voltage follower 5 and subtractor 6, OU IMS OR07C (R in. MPN ≈1 GOhm) and capacitor 2 with capacitance C1 2 = 0.1 μF (τ HPF = 100 s),), as well as 0.01 μF (τ HPF = 10 s), showed

Figure 00000020
Figure 00000020

Figure 00000021
Figure 00000021

Исследования показали возможность понижения шума стабилизатора (в частности, ИМС МАХ872, ADR584 при использовании в качестве ОУ ИМС ОР07С, и конденсатора 2 с емкостью С12=0,1 мкФ, таблица 4.Studies have shown the possibility of reducing the noise of the stabilizer (in particular, IC MAX872, ADR584 when used as an op amp IC OP07С, and a capacitor 2 with a capacitance C1 2 = 0.1 μF, table 4.

Figure 00000022
Figure 00000022

Как следует из анализа данных таблиц 1÷4, предлагаемое устройство обеспечивает наиболее значительное снижение уровня шумовой составляющей выходного сигнала в инфранизкочастотном диапазоне, при одновременном снижении требований к величине емкости конденсатора 2.As follows from the analysis of the data in tables 1 ÷ 4, the proposed device provides the most significant reduction in the level of the noise component of the output signal in the infra-low frequency range, while reducing the requirements for the capacitance of the capacitor 2.

Claims (1)

Устройство формирования опорного напряжения с пониженным уровнем шумов, содержащее стабилизатор, конденсатор, вычитатель, при этом выход стабилизатора подключен к первому контакту конденсатора и первому входу вычитателя, выход которого служит выходом устройства, отличающееся тем, что в устройство введены последовательно соединенные масштабирующий повторитель напряжения, делитель напряжения и повторитель напряжения, причем второй контакт конденсатора соединен с входом масштабирующего повторителя напряжения, второй вход вычитателя соединен с выходом повторителя напряжения, при этом масштабирующий повторитель напряжения содержит три резистора и операционный усилитель, неинвертирующий вход операционного усилителя через первый резистор соединен с входом масштабирующего повторителя напряжения; инвертирующий вход операционного усилителя подключен к второму и первому контактам, соответственно, второго и третьего резистора; первый контакт второго резистора заземлен; второй контакт третьего резистора подключен к выходу операционного усилителя, служащего выходом масштабирующего повторителя напряжения, при этом делитель напряжения содержит два резистора, вход делителя напряжения подключен к первому контакту первого резистора; второй контакт первого резистора и первый контакт второго резистора соединены с выходом делителя напряжения, второй контакт второго резистора заземлен, при этом повторитель напряжения содержит операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к входу повторителя напряжения, инвертирующий вход операционного усилителя соединен с выходом операционного усилителя и выходом повторителя напряжения, а вычитатель содержит четыре резистора и операционный усилитель, выход операционного усилителя служит выходом вычитателя; неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к второму и первому контактам, соответственно, первого резистора и второго резистора; инвертирующий вход операционного усилителя подключен к 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.A device for generating a reference voltage with a reduced noise level, comprising a stabilizer, a capacitor, a subtracter, while the output of the stabilizer is connected to the first contact of the capacitor and the first input of the subtractor, the output of which serves as the output of the device, characterized in that a scaling voltage follower, a divider, are connected in series voltage and voltage follower, the second contact of the capacitor connected to the input of the scaling voltage follower, the second input of the subtractor connected to the output of the voltage follower, wherein the scaling voltage follower comprises three resistors and an operational amplifier, a non-inverting input of the operational amplifier through the first resistor is connected to the input of the scaling voltage follower; the inverting input of the operational amplifier is connected to the second and first contacts, respectively, of the second and third resistor; the first contact of the second resistor is grounded; the second contact of the third resistor is connected to the output of the operational amplifier, which serves as the output of the scaling voltage follower, while the voltage divider contains two resistors, the input of the voltage divider is connected to the first contact of the first resistor; the second contact of the first resistor and the first contact of the second resistor are connected to the output of the voltage divider, the second contact of the second resistor is grounded, while the voltage follower contains an operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the input of the voltage follower, the inverting input of the operational amplifier is connected to the output of the operational amplifier and the output of the follower voltage, and the subtractor contains four resistors and an operational amplifier, the output of the operational amplifier serves as the output of the subtractor; the non-inverting input of the operational amplifier is connected to the second and first contacts, respectively, of the first resistor and second resistor; the inverting input of the operational amplifier is connected to the second and first contacts, respectively, of the third resistor and fourth resistor; the first contacts of the first resistor and the third resistor are, respectively, the first and second inputs of the subtractor; the second contact of the second resistor is grounded; the second contact of the fourth resistor is connected to the output of the operational amplifier.
RU2018100699A 2018-01-10 2018-01-10 Reference voltage with a reduced noise level generation device RU2676755C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018100699A RU2676755C1 (en) 2018-01-10 2018-01-10 Reference voltage with a reduced noise level generation device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018100699A RU2676755C1 (en) 2018-01-10 2018-01-10 Reference voltage with a reduced noise level generation device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2676755C1 true RU2676755C1 (en) 2019-01-11

Family

ID=65024987

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018100699A RU2676755C1 (en) 2018-01-10 2018-01-10 Reference voltage with a reduced noise level generation device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2676755C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU421002A1 (en) * 1972-07-20 1974-03-25 В. В. Ланцов SOURCE SUPPORT VOLTAGE
US4795961A (en) * 1987-06-10 1989-01-03 Unitrode Corporation Low-noise voltage reference
RU2422874C1 (en) * 2010-05-04 2011-06-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ставропольский государственный аграрный университет" Device to generate reference voltage with reduced noise level
RU2496132C1 (en) * 2012-07-06 2013-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ставропольский государственный аграрный университет" Shaping device of reference voltage with reduced noise level
US9285820B2 (en) * 2012-02-03 2016-03-15 Analog Devices, Inc. Ultra-low noise voltage reference circuit

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU421002A1 (en) * 1972-07-20 1974-03-25 В. В. Ланцов SOURCE SUPPORT VOLTAGE
US4795961A (en) * 1987-06-10 1989-01-03 Unitrode Corporation Low-noise voltage reference
RU2422874C1 (en) * 2010-05-04 2011-06-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ставропольский государственный аграрный университет" Device to generate reference voltage with reduced noise level
US9285820B2 (en) * 2012-02-03 2016-03-15 Analog Devices, Inc. Ultra-low noise voltage reference circuit
RU2496132C1 (en) * 2012-07-06 2013-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ставропольский государственный аграрный университет" Shaping device of reference voltage with reduced noise level

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10069480B2 (en) Active filter device and circuit arrangement comprising an active filter device
Khan et al. Novel RC sinusoidal oscillator using second-generation current conveyor
RU2422874C1 (en) Device to generate reference voltage with reduced noise level
RU2672474C1 (en) Device for forming reference voltage with a reduced noise level
RU2676755C1 (en) Reference voltage with a reduced noise level generation device
RU2428736C1 (en) Shaping device of bipolar reference voltage with reduced noise level
RU178694U1 (en) Low noise reference voltage generating device
JP2014006794A (en) Regulator
RU2671856C1 (en) Device for forming reference voltage with a reduced noise level
RU2675796C1 (en) Shaping device of bipolar reference voltage with reduced noise level
RU2669375C1 (en) Shaping device of bipolar reference voltage with reduced noise level
Singh et al. Switched-capacitor filter design for ECG application using 180nm CMOS technology
RU179294U1 (en) Device for generating bipolar reference voltage with reduced noise level
RU2496132C1 (en) Shaping device of reference voltage with reduced noise level
KR20130044576A (en) Sound detect circuit and amplifier circuit thereof
RU2642338C1 (en) Noninverting ac amplifier
RU2693924C1 (en) Chaotic oscillation generator
Srinath et al. A Capacitive sensor readout circuit with low power mode and variable gain operations
Sharma et al. Current follower based current mode filters
KR20230118107A (en) Amplification circuit and measuring device
Abuelma'atti et al. New CFOA-based floating lossless negative immittance function emulators
JP3404538B2 (en) Filter circuit for phase detection
CN107797595B (en) Voltage stabilizing circuit with noise elimination function
RU2466493C1 (en) Method to generate reference voltage
Martincorena‐Arraiza et al. A family of AC amplifiers for ultra‐low frequency operation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200111