Малошумящее устройство стабилизации с малым падением напряжения Российский патент 2023 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам стабилизации напряжения, и может быть использовано в различной радиоэлектронной аппаратуре, к источникам питания которой предъявляют повышенные требования не только по стабильности напряжения, но и в части обеспечения низкой спектральной плотности напряжения шума на выходе.

Известно устройство стабилизации постоянного напряжения, описанное в патенте RU на изобретение №2463639. Устройство содержит регулирующий транзистор, подключенный эмиттером к входному, а коллектором - к выходному выводам, усилительный транзистор противоположного типа проводимости, соединенный коллектором с базой регулирующего транзистора, базой - с выходом делителя выходного напряжения, эмиттером через стабилитрон делителя опорного напряжения - с выходным выводом, а через резистор делителя опорного напряжения - с общим выводом и пусковой узел. Последний состоит из стабилитрона, резистора, диода и конденсатора. Катод стабилитрона пускового узла подключен к входному выводу. Анод стабилитрона через последовательно соединенные резистор и диод подключен к выходному выводу. Точка соединения резистора и диода пускового узла через конденсатор подключена к базе усилительного транзистора.

Известна также альтернативная в сравнении с описанной выше схема устройства стабилизации постоянного напряжения [патент RU на изобретение №2485569]. Устройство стабилизации постоянного напряжения содержит регулирующий транзистор, подключенный эмиттером к входному, а коллектором - к выходному выводам, дифференциальный усилитель постоянного тока на двух транзисторах, проводимость которых противоположна проводимости регулирующего транзистора, объединенные эмиттеры которых через резистор подключены к общему выводу, коллектор первого транзистора, являющийся одним входом дифференциального усилителя, соединен с базой регулирующего транзистора и через резистор - с входным выводом, коллектор второго транзистора, являющийся другим входом дифференциального усилителя, соединен с выходным выводом, а его база - с выходом делителя выходного напряжения, база первого транзистора, являющаяся выходом дифференциального усилителя, соединена с выходом источника опорного напряжения, состоящего из последовательно соединенных ограничительного резистора и опорного стабилитрона, а также сглаживающий конденсатор, включенный параллельно выходным выводам. Ограничительный резистор подключен к выходному выводу, а опорный стабилитрон - к общему выводу. В устройство дополнительно введен пусковой конденсатор, включенный между базой и коллектором регулирующего транзистора и обеспечивающий запуск регулирующего транзистора в момент броска входного напряжения при включении.

Однако в конструкциях описанных устройств стабилизации отсутствуют механизмы снижения собственных шумов источника опорного напряжения и регулирующих элементов. Еще одним недостатком, значительно влияющим на работоспособность, является способ запуска, в котором используется конденсатор, через который бросок входного напряжения при включении открывает один из транзисторов. Однако в подавляющем количестве реальных ситуаций на входе такого рода устройства используется конденсатор большой емкости, заряжающийся достаточно медленно и при включении броска напряжения не происходит, что делает запуск устройства стабилизации невозможным.

Известно также устройство стабилизации напряжения, описанное в патентной заявке US на изобретении №20200064876. Устройство содержит: усилитель, транзистор, управляемый усилителем, источник опорного напряжения и полностью охвачено отрицательной обратной связью для обеспечения стабильного выходного напряжения, обеспечивающей также и подавление собственных шумов.

Недостатком описанного выше устройства является отсутствие схемы подавления шумов источника опорного напряжения и отсутствие защиты от перегрузки по току.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является компенсационный стабилизатор постоянного напряжения с непрерывным регулированием, описанный в патенте RU на изобретение №2767490. Стабилизатор содержит: подавитель шума, состоящий из разделительного конденсатора, повторителя напряжения и вычитателя, регулирующий элемент, включающий транзистор и резистор, резистивный делитель напряжения, источник опорного напряжения, состоящий из резистора и стабилитрона, усилитель постоянного тока, включающий резистор и транзистор. Коллектор транзистора регулирующего элемента подключен к первому выводу резистора регулирующего элемента и входу положительной полярности устройства, а эмиттер к первому выводу резистора делителя напряжения и источника опорного напряжения, и через сопротивление к аноду стабилитрона источника опорного напряжения, второму выводу резистора делителя напряжения и входу отрицательной полярности устройства. Второй вывод резистора делителя напряжения соединен с первым выводом резистора источника опорного напряжения и базой транзистора усилителя постоянного тока. Коллектор последнего соединен со вторым выводом резистора и базой транзистора регулирующего элемента. Второй вывод резистора источника опорного напряжения соединен с катодом стабилитрона источника и входом подавителя шума. Выход последнего соединен с эмиттером транзистора и через резистор усилителя постоянного тока с эмиттером транзистора регулирующего элемента. Вход подавителя шума соединен с первым входом вычитателя и через последовательно соединенные разделительный конденсатор и повторитель напряжения, со вторым входом вычитателя, выход которого служит выходом подавителя шума.

Однако в описанном выше техническом решении предлагаются раздельные обратные связи по постоянному и переменному напряжению, что приводит к значительному усложнению схемы. Кроме того, коэффициент передачи в цепи обратной связи по переменной (шумовой) составляющей искусственно занижен, что приводит к недостаточному подавлению шума выходного напряжения. В современном высокотехнологичном оборудовании, в частности, предназначенном для источников питания сверхмалошумящих ВЧ и СВЧ генераторов и приемников, наибольший интерес представляет подавление шумов в диапазоне 100 Гц - 1 МГц, а в наиболее близком аналоге этот диапазон составляет 0 - 10 Гц, что явно недостаточно для большинства современных малошумящих устройств. Кроме того, схема предназначена только для компенсации шумов стабилитрона и не подавляет собственные шумы транзисторов. Наконец, прототип не относится к классу «low-drop», что приводит к большому падению напряжения на нем и приводит к значительным тепловым потерям.

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение сверхнизкой спектральной плотности напряжения шума и помех на выходе малошумящего устройства стабилизации напряжения с малым падением напряжения.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в малошумящем устройстве стабилизации с малым падением напряжения, содержащем входной фильтр напряжения; блок первоначального запуска; соединенные друг с другом регулирующий и управляющий элементы; первый параметрический стабилизатор напряжения и второй параметрический стабилизатор напряжения с соответствующими фильтрами; последовательно соединенные делитель опорного напряжения и фильтр опорного напряжения, образующие с фильтром первого параметрического стабилизатора напряжения блок формирования опорного напряжения с низким уровнем шумов; фильтр выходного напряжения; входной фильтр напряжения соединен с блоком первоначального запуска и регулирующим элементом, первый параметрический стабилизатор напряжения соединен с фильтром выходного напряжения, блоком первоначального запуска и управляющим элементом через блок формирования опорного напряжения с низким уровнем шумов, второй параметрический стабилизатор напряжения включен между регулирующим и управляющим элементами параллельно фильтру второго параметрического стабилизатора, блок первоначального запуска соединен с фильтром первого параметрического стабилизатора напряжения, а регулирующий элемент также соединен с первым параметрическим стабилизатором напряжения и фильтром выходного напряжения.

Кроме того в заявляемом устройстве каждый параметрический стабилизатор напряжения содержит биполярный транзистор в диодном включении, к коллектору которого подключен стабилитрон, а к эмиттеру - резистор, а делитель опорного напряжения состоит из двух последовательно соединенных резисторов.

В заявляемом устройстве, наряду с вышеописанными признаками, фильтр первого параметрического стабилизатора напряжения включает конденсатор, соединенный с одним из резисторов делителя опорного напряжения и фильтром опорного напряжения.

Еще одной особенностью устройства является выполнение фильтра второго параметрического стабилизатора напряжения, входного и выходного фильтров, фильтра опорного напряжения в виде двух параллельно соединенных конденсаторов (электролитического и керамического).

В малошумящем устройстве стабилизации с малым падением напряжения регулирующий и управляющий элементы выполнены в виде биполярных транзисторов, а блок первоначального запуска содержит биполярный транзистор в диодном включении, к базе и эмиттеру которого подключены резисторы.

Технический результат заявляемого изобретения.

В заявляемом малошумящем устройстве стабилизации с малым падением напряжения реализовано подавление как низкочастотных, так и высокочастотных шумов и помех.

Применение в заявляемом техническом решении сразу двух параметрических стабилизаторов напряжения позволяет значительно повысить коэффициент стабилизации устройства. Данное новшество также направлено на борьбу с низкочастотными шумами и помехами.

В блоке первоначального запуска используется коллекторный переход биполярного транзистора, обладающий в закрытом состоянии большим сопротивлением, что исключает появление шумов с входа устройства на его выходе. Дополнительно для обеспечения шумоподавления применены размещенные параллельно каждому параметрическому стабилизатору напряжения фильтры. Комплекс указанных выше технических приемов позволяет исключить влияние на уровень выходного напряжения устройства низкочастотных и высокочастотных шумов и помех не только входного напряжения, но и собственных шумов как транзисторов, так и стабилитронов. Температурная стабильность выходного напряжения обеспечивается применением прецизионных стабилитронов, а нестабильность, связанная с температурной зависимостью напряжения эмиттерного перехода транзистора управляющего элемента компенсируется транзистором первого параметрического стабилизатора напряжения в диодном включении.

Следует отметить, что получение высоких параметров по подавлению входных помех и шумов, а также сверхнизкого уровня собственных шумов в предлагаемом устройстве стабилизации достигается без применения весьма дорогих малошумящих операционных усилителей.

Применение в заявляемом устройстве транзисторов в диодном включении обусловлено необходимостью точной температурной компенсации выходного напряжения и унификацией элементной базы.

Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг.1-3, на которых изображено:

на Фиг.1 - структурная схема малошумящего устройства стабилизации с малым падением напряжения,

на Фиг.2 - принципиальная схема примера реализации устройства,

на Фиг.3 - график зависимости спектральной плотности напряжения шума устройства от частоты.

На Фиг.1 и позициями 1-12 обозначены:

1 - входной фильтр напряжения,

2 - блок первоначального запуска,

3 - регулирующий элемент,

4 - управляющий элемент,

5 - первый параметрический стабилизатор напряжения,

6 - второй параметрический стабилизатор напряжения,

7 - фильтр первого параметрического стабилизатора напряжения,

8 - фильтр второго параметрического стабилизатора напряжения,

9 - фильтр опорного напряжения,

10 - делитель опорного напряжения,

11 - фильтр выходного напряжения,

12 - блок формирования опорного напряжения.

Малошумящее устройство стабилизации с малым падением напряжения содержит входной фильтр напряжения 1, блок первоначального запуска 2, регулирующий 3 и управляющий 4 элементы, первый параметрический стабилизатор напряжения 5 и второй параметрический стабилизатор напряжения 6 с соответствующими фильтрами 7 и 8; фильтр опорного напряжения 9, делитель опорного напряжения 10 и фильтр выходного напряжения 11. Фильтр 7 первого параметрического стабилизатора напряжения 5, фильтр опорного напряжения 9 и делитель опорного напряжения 10 образуют блок формирования опорного напряжения 12. Входной фильтр напряжения 1 соединен с блоком первоначального запуска 2 и регулирующим элементом 3. Первый параметрический стабилизатор напряжения 5 соединен с фильтром выходного напряжения 11, блоком первоначального запуска 2 и управляющим элементом 4 через блок формирования опорного напряжения с низким уровнем шумов 12. Второй параметрический стабилизатор напряжения 6 включен между соединенными друг с другом регулирующим 3 и управляющим 4 элементами параллельно фильтру второго параметрического стабилизатора 8.

Параметрические стабилизаторы напряжения 5 и 6 содержат соответственно биполярные транзисторы VT4 и VT3 в диодном включении, к коллектору которых подключены стабилитроны VD2 и VD1, а к эмиттерам - резисторы R1 и R6. Делитель опорного напряжения 10 состоит из двух последовательно соединенных резисторов R4 и R5. Фильтр первого параметрического стабилизатора напряжения 7 включает конденсатор С7, соединенный с резистором R5 делителя опорного напряжения 10 и фильтром опорного напряжения 9, включающего два параллельно соединенных конденсатора С8 и С9. Фильтр второго параметрического стабилизатора напряжения 8 состоит из двух конденсаторов С5 и С6. Регулирующий 3 и управляющий 4 элементы выполнены в виде биполярных транзисторов VT1 и VT5 соответственно. Входной 1 и выходной 11 фильтры напряжения выполнены каждый в виде двух параллельно соединенных конденсаторов: С1 и С2 - входной, С3 и С4 -выходной. Блок первоначального запуска 2 содержит биполярный транзистор VT2 в диодном включении, к базе и эмиттеру которого подключен делитель, состоящий из резисторов R2 и R3.

Устройство работает следующим образом.

На вход устройства подают напряжения питания, которое фильтруется конденсаторами C1 и C2, снижающими относительно высокочастотные пульсации и шумовые составляющие входного напряжения. Далее входное напряжение поступает на эмиттер запертого биполярного транзистора VT1, выполняющего роль регулирующего элемента 3. Биполярный транзистор VT1 заперт до тех пор, пока заперт биполярный транзистор VT5 управляющего элемента 4 и напряжение на выходе устройства равно нулю. Одновременно с этим по цепи R2-VT2 начинается заряд конденсатора C7, а по цепи делителя опорного напряжения 10 (резистор R5) - конденсаторов C8 и C9 фильтра опорного напряжения 9. Когда напряжение на базе биполярного транзистора VT5 управляющего элемента 4 достигает отпирающего значения, его коллекторным током отпирается биполярный транзистор VT1 регулирующего элемента 3 и напряжение на выходе устройства начинает расти, заряжая конденсаторы C5 и C6 фильтра второго параметрического стабилизатора напряжения 8 через резистор R6 второго параметрического стабилизатора напряжения 6. В течение времени зарядки (режим запуска) биполярный транзистор VT2 блока первоначального запуска 2 остается открытым, а биполярный транзистор VT4 первого параметрического стабилизатора напряжения 5 - закрытым. Напряжение в точке соединения резисторов R2 и R3 блока первоначального запуска 2 выбирается несколько ниже напряжения стабилизации стабилитрона VD2 первого параметрического стабилизатора напряжения 5. При достижении напряжения на выходе устройства большей величины, чем напряжение в точке соединения резисторов R2 и R3 биполярный транзистор VT2 запирается, а VT4 отпирается и в дальнейшем питание стабилитрона VD2 осуществляется по цепи R1-VT4 от стабильного напряжения, и заявляемое устройство переходит в рабочий режим. По мере увеличения напряжения на коллекторе транзистора VT1 регулирующего элемента 3 до значений, превышающих величину напряжения стабилизации стабилитронов VD1 и VD2, начинают свою работу первый 5 и второй 6 параметрические стабилизаторы напряжения. На стабилитроне VD2 поддерживается напряжение, равное его напряжению стабилизации, а разница между выходным напряжением заявляемого устройства и напряжением на стабилитроне VD1 формируется на резисторе R6 и на эмиттере биполярного транзистора VT5. На базе последнего поддерживается высокостабильное и хорошо отфильтрованное от собственных шумов стабилитрона VD2 и других возможных помех напряжение, поступающее со стабилитрона через делитель опорного напряжения 10. Одновременно с этим напряжение с коллектора транзистора VT1 поступает на второй параметрический стабилизатор напряжения. Конденсатор С5 фильтра 8 второго параметрического стабилизатора напряжения 6 шунтирует стабилитрон VD1 второго параметрического стабилизатора напряжения 6 для снижения его собственного уровня шума. В результате транзисторы VT1 и VT5 регулирующего 3 и управляющего 4 элементов охвачены отрицательной обратной связью по постоянному току, компенсирующей любые изменения выходного напряжения от дестабилизирующих факторов. Для дополнительного подавления собственных шумов транзисторов дополнительно применена отрицательная обратная связь по переменному току через конденсатор C6 фильтра второго параметрического стабилизатора напряжения 6. Для точной установки выходного напряжения устройства используют изменение соотношения резисторов R4 и R5 делителя опорного напряжения 10.

Предлагаемая схема малошумящего устройства стабилизации с малым падением напряжения обеспечена защитой от перегрузки по выходному току за счет ограничения тока базы транзистора VT1 регулирующего элемента 3. Величина максимального тока с достаточной для практического применения точностью определяется по формуле:

I = (U/R6)×B, где

U - входное напряжение, В

B - коэффициент передачи по току транзистора VT1.

Заявляемое устройство реализовано в качестве опытного образца полностью на отечественной элементной базе предприятием-Заявителем. Малошумящее устройство стабилизации с малым падением напряжения в условиях приближенных к условиям его эксплуатации подтвердило заявляемый технический результат изобретения. В подтверждение технического результата на Фиг.3 представлены графики зависимостей спектральной плотности напряжения шума от частоты для высококачественного лабораторного источника напряжения Rohde&Schwarz HMP4040 (зеленая кривая), для заявляемого устройства, подключенного к данному лабораторному источнику напряжения (синяя кривая) и для заявляемого устройства, подключенного к аккумуляторной батарее, являющейся идеализированным малошумящим источником напряжения (чёрная кривая). Из графика видно, что спектральная плотность напряжения шума на выходе заявляемого устройства существенно ниже, чем спектральная плотность напряжения шума на входе устройства, снижение выходной спектральная плотность напряжения шума происходит вплоть до уровня собственных шумов заявляемого устройства, наблюдаемых при подключении его к аккумуляторной батарее.

Полученные характеристики малошумящего устройства стабилизации с малым падением напряжения делают его незаменимым для использования в измерительной технике, генераторах и синтезаторах сигнала, а также анализаторах шума.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам стабилизации напряжения. Технический результат – подавление низкочастотных и высокочастотных шумов и помех в устройстве стабилизации с малым падением напряжения. Такой технический результат обеспечивается за счет применения в устройстве стабилизации сразу двух параметрических стабилизаторов напряжения, за счет использования в блоке первоначального запуска коллекторного перехода биполярного транзистора, который обладает в закрытом состоянии большим сопротивлением, а также за счет применения фильтров, размещенных параллельно каждому параметрическому стабилизатору напряжения. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Малошумящее устройство стабилизации с малым падением напряжения, характеризующееся тем, что содержит входной фильтр напряжения; блок первоначального запуска; соединенные друг с другом регулирующий и управляющий элементы; первый параметрический стабилизатор напряжения и второй параметрический стабилизатор напряжения с соответствующими фильтрами; последовательно соединенные делитель опорного напряжения и фильтр опорного напряжения, образующие с фильтром первого параметрического стабилизатора напряжения блок формирования опорного напряжения с низким уровнем шумов; фильтр выходного напряжения; при этом входной фильтр напряжения соединен с блоком первоначального запуска и регулирующим элементом, первый параметрический стабилизатор напряжения соединен с фильтром выходного напряжения, блоком первоначального запуска и управляющим элементом через блок формирования опорного напряжения с низким уровнем шумов, второй параметрический стабилизатор напряжения включен между регулирующим и управляющим элементами параллельно фильтру второго параметрического стабилизатора, блок первоначального запуска соединен с фильтром первого параметрического стабилизатора напряжения, а регулирующий элемент также соединен с первым параметрическим стабилизатором напряжения и фильтром выходного напряжения.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что каждый параметрический стабилизатор напряжения содержит биполярный транзистор в диодном включении, к коллектору которого подключен стабилитрон, а к эмиттеру - резистор.

3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что делитель опорного напряжения состоит из двух последовательно соединенных резисторов.

4. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что фильтр первого параметрического стабилизатора напряжения включает конденсатор, соединенный с одним из резисторов делителя опорного напряжения и фильтром опорного напряжения.

5. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что фильтр второго параметрического стабилизатора напряжения, входной и выходной фильтры, фильтр опорного напряжения выполнены в виде двух параллельно соединенных конденсаторов.

6. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что регулирующий и управляющий элементы выполнены в виде биполярных транзисторов.

7. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что блок первоначального запуска содержит биполярный транзистор в диодном включении, к базе и эмиттеру которого подключен делитель на резисторах.