СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО СОБСТВЕННОГО ШУМА ПРЕЦИЗИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА Российский патент 2025 года по МПК G01P15/00 G01R29/26 H03F1/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области радиотехники и, в частности, к способам разработки высокочувствительных сверхмалошумящих прецизионных усилителей аналоговых сигналов, и может быть использовано при создании аппаратуры для регистрации микросейсмического фона, для записи биоэлектрических импульсов, для изучения микрофлуктуаций в различных физико-химических системах.

Уровень техники

Одними из основных параметров любого усилителя является уровень напряжения его собственных шумов (НСШ), привносимых в усиливаемый сигнал. Эти шумы представляют собой нежелательную помеху и накладывают принципиальные ограничения на такие важные характеристики усилителя как его чувствительность, точность, отношение сигнал/шум.

Современные технологические возможности позволяют снизить НСШ усилительных микросхем до достаточно низкого уровня, определяемого неизбежными фундаментальными шумами тепловой природы. Для численной оценки уровня НСШ обычно используют среднеквадратичное значение спектральной плотности НСШ, приведенное ко входу усилителя. В сверхмалошумящих микросхемах операционных усилителей прецизионного класса этот показатель НСШ снижен до уровня порядка 1 нВ/Гц^1/2, что удовлетворяет требованию большинства задач по разработке усилителей.

Но, тем не менее, проблема снижения НСШ усилителей сохраняет свою актуальность. Это обусловлено тем, что для реализации возросших возможностей современной цифровой техники необходимо иметь исходный аналоговый сигнал достаточно высокого качества с широким динамическим диапазоном и с предельно низким уровнем помех. Кроме того, имеется целый класс различных задач, в которых необходимо выполнять измерения предельно слабых сигналов, например, при разработке СКВИД-магнитометров, при работе с различными низкоомными сенсорами, при флуктуационно-шумовых исследованиях химических источников тока и в ряде других задач. Всё это в целом обуславливает актуальность и широкую востребованность в решениях указанной проблемы. В настоящее время известны различные подходы в решении данной проблемы.

Известны способы, основанные на использовании во входной цепи усилителя специальных дополнительных пассивных электронных компонентов, которые в силу пассивного характера не создают избыточных, по отношению к фундаментальным, шумов, и в то же время обеспечивают необходимое предварительное усиление сигнала. В качестве такого дополнительного компонента в работе Хребтов И.А., Ткаченко А.Д., Иванов К.В. Шумовые свойства YBCO пленок с сильным пиннингом. // Письма в ЖТФ. 2000, т. 26, вып. 24, стр. 13-18 (см. стр. 14) был использован повышающий трансформатор в виде статического электромагнитного устройства резонансного типа с низкоомным входом и, соответственно, с достаточно низким уровнем НСШ.

Недостаток такого способа связан с принципиальной неравномерностью и ограниченностью частотной характеристики используемого резонансного трансформатора. Кроме того, техническая реализация требует применения нестандартных и достаточно громоздких деталей по сравнению с элементами микроэлектронной базы. Известны только единичные случаи использования этого способа, и он не получил широкого применения.

Также известен способ снижения уровня НСШ, основанный на применении повышающего трансформатора напряжения на переключаемых конденсаторах Разуменко Д., Малошумящие DC усилители. // Компоненты и Технологии. 2008, № 6, стр. 14-22 (см. стр. 21-22), который выполняет роль предварительного усилительного элемента с пониженным уровнем НСШ.

Недостатком способа является его исключительно сложная техническая реализация, для которой необходимо большое количество конденсаторов, коммутирующих элементов, синхронно управляемых по разветвленным цепям. Применение такого способа может быть оправдано только при его реализации в виде специального интегрального чипа, и к настоящему времени способ не был воплощен.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому способу по совокупности признаков является известный в схемотехнике способ снижения уровня НСШ, использующий сразу два и более усилителей, соединенных параллельно с последующим суммированием результата. Наиболее подробно такой подход и особенности его реализации представлены в работе Абатуров М.А. Снижение шумов измерительной аппаратуры в спаренных усилителях: проблема несбалансированности уровня шумов. // Естественные и технические науки. 2022, № 11, стр. 198-201, в которой рассмотрена схема комбинированного усилителя (фиг. 1), содержащего два идентичных составляющих усилителя (1) и (2), входы которых включены взаимно параллельно и являются входом комбинированного усилителя, а выходы подключены к суммирующему устройству (3), выход которого является выходом комбинированного усилителя. Данный способ избавлен от недостатков выше приведенных аналогов, может быть полностью реализован с использованием стандартных серийно выпускаемых современных элементов электронной базы.

Эффект снижения уровня НСШ в таком способе достигается благодаря тому, что суммирование собственных шумов от составляющих усилителей, в силу их случайного и независимого характера, носит хаотический характер и описывается правилам математической статистики как среднеквадратичная сумма. Соответственно, уровень НСШ увеличивается не в 2 раза, как будет происходить с основным измеряемым сигналом, синхронно усиливаемым составляющими усилителями, а только примерно в 1,41 раза (√2 ≈ 1,41). При этом сама процедура суммирования сигналов, благодаря их предварительному усилению до достаточно высокого уровня, существенно превосходящего аппаратурные шумы, уже не вносит заметных дополнительных шумов. В результате уровень НСШ, приведенный ко входу комбинированного усилителя с учетом процедуры суммирования, удается снизить примерно до уровня 0,707 (√2/2 ≈ 0,707) по отношению к НСШ составляющих усилителей.

Недостатки известного способа, принятого за прототип, связаны с тем, что в нем предполагается соблюдение условия равенства уровней НСШ составляющих усилителей, используемых для построения комбинированной схемы, и не учитывается их расхождение. Но, при реализации способа, такое расхождение, в той или иной степени, неизбежно будет присутствовать даже при проведении специального отбора микросхем. Так, например, в официальной документации к сверхмалошумящему прецизионному операционному усилителю типа LT-1028 дается гистограмма с возможными расхождениями НСШ более чем в 2-а раза в пределах 0,9÷2,2 нВ/√Гц (Datasheet LT1028, LT1128. Интернет ресурс https://www.rlocman.ru/i/File/2017/08/04/1028fd.pdf (см. стр. 6)). При таких разбросах эффективность способа снижается, а при расхождении, превышающем критическое значение √3 ≈ 1,73, пропадает полностью, и применение такого способа приводит к обратному результату - не к уменьшению, а наоборот, к увеличению НСШ (см. вышеуказанную ссылку на прототип). Из приведенного рассмотрения можно выявить следующие существенные недостатки прототипа:

1) при реализации способа не достигается предельно возможное снижение уровня НСШ в комбинированном усилителе в связи с тем, что не учитывается расхождение НСШ составляющих усилителей;

2) эффективность способа полностью пропадает, если расхождение уровней НСШ составляющих усилителей будет превышать критическое значение √3 ≈ 1,73;

3) реализация способа требует специального тщательного подбора составляющих усилителей с малым расхождением и достаточно низким уровней НСШ.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей заявляемого изобретения является учет указанных недостатков прототипа и достижение следующих технических результатов:

1) снижение НСШ в комбинированном усилителе до предельно возможного уровня с учетом неизбежного расхождения НСШ в составляющих усилителях;

2) сохранение эффективности способа независимо от степени расхождения НСШ составляющих усилителей, в том числе и при превышении критического значение √3 ≈ 1,73;

3) исключение необходимости в специальном подборе составляющих усилителей по малому расхождению уровней НСШ.

Указанные технические результаты достигаются благодаря тому, что в способе снижения уровня НСШ усилителя, основанном на использовании комбинированного усилителя, содержащего два идентичных составляющих усилителя, входы которых включены взаимно параллельно и являются входом комбинированного усилителя, а выходы подключены к суммирующему устройству, выход которого является выходом комбинированного усилителя, согласно заявляемому изобретению вводят следующие отличительные признаки:

1) предварительно делают статистическую среднеквадратичную оценку уровня НСШ для каждого из составляющих усилителей;

2) вводят весовые коэффициенты, компенсирующие расхождение уровней НСШ составляющих усилителей, причем значения весовых коэффициентов обратно пропорциональны величине уровня НСШ, возведенной в квадрат, для каждого из составляющих усилителей;

3) выполняют посредством суммирующего устройства суммирование электрических сигналов на выходе составляющих усилителей с учетом значений весовых коэффициентов.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена функциональная схема реализации способа.

На фиг. 2 приведены график эффективности способа γ в зависимости от расхождения составляющих усилителей по уровню их шумов β для прототипа (кривая 1) и для заявляемого способа (кривая 2).

На фиг. 3 приведен типовой график эффективности способа γ в зависимости от согласующего весового коэффициента α для конкретного случая β = 1,5, показывающий достижение характерного минимума кривой в точке М.

Осуществление изобретения

Заявляемый способ снижения уровня НСШ может быть реализован на основе схемы комбинированного усилителя (фиг. 1).

В качестве конкретной реализации можно привести пример, когда роль составляющих усилителей 1 и 2 выполняют два операционных усилителя микросхемы AD8599, включенных по типовой базовой схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления каждого из них K_G = 1000. Входы составляющих усилителей включены взаимно параллельно и являются входом комбинированного усилителя, а выходы подключены ко входам суммирующего устройства 3. Функция суммирующего устройства в данном случае выполняется с помощью стандартного персонального компьютера, снабженного платой сбора данных L-Card (LTR24-1). Применение компьютера предоставляет дополнительные возможности в гибкой настройке режимов суммирования и в статистической обработке шумовых сигналов. Результат суммирования представляет собой выходной сигнал описываемого комбинированного усилителя в целом.

Математическое описание и анализ работы такой схемы в обобщенном виде основан на том, что процесс суммирования случайных независимых сигналов подчиняется правилам математической статистики. Соответственно, в рассматриваемом случае среднеквадратичный результат суммирования U₁ шумов от составляющих усилителей 1 и 2 с коэффициентом усиления каждого из них K_G, среднеквадратичное значение НСШ которых, приведенное ко входу, равно U₁ и U₂, будет описываться следующим выражением:

Положим, что НСШ второго усилителя превышает НСШ первого в β раз (β ≥ 1), т.е. U₂ = β U₁. Для компенсации указанного расхождения уровней НСШ, в соответствии с заявляемым изобретением, в процесс суммирования для второго усилителя, характеризующегося повышенным уровнем НСШ по отношению к первому, вводится уменьшающий весовой коэффициент α (0 ≤ α ≤ 1). Для первого усилителя весовой коэффициент остается равным единице. В таком случае выражение (1) преобразуется к следующему виду:

Коэффициент передачи суммирующего устройства с учетом весовых коэффициентов будет равен K_G = (1+α). При этом, результирующий уровень НСШ, приведенный ко входу всей схемы комбинированного усилителя U_1,2, будет определяться соотношением U_1,2 = U₁/(K_G K_G), и, на основании уравнения (2) после соответствующих преобразований, запишется как:

Для оценки эффективности способа вводим безразмерный коэффициент, показывающий уровень снижения результирующих шумов U_1,2 по отношению к исходным шумам U, в виде γ = U_1,2 / U₁. Чем меньше этот показатель по отношению к единичному значению, тем эффективнее работает оцениваемый способ. При показателе, равном или превышающем единичное значение, применение способа не приводит к ожидаемому снижению шумов. Введенный показатель γ, в соответствие с формулой (3), будет зависеть от параметров α и β следующим образом:

Полученная формула в обобщенном виде выражает определяющие связи основных параметров рассматриваемого способа и позволяет с помощью наглядных графиков показать, в чем заключаются недостатки прототипа, и объяснить, каким образом достигаются заявляемые технические результаты.

На фиг. 2 представлен соответствующий график зависимости эффективности способа γ от степени расхождения составляющих усилителей β, полученный на основании обобщенного уравнения (4). Кривая 1 построена для случая реализации прототипа, то есть без учета влияния весового коэффициента (α = 1). Видно, что в начальной точке «A», когда расхождение НСШ усилителей отсутствует, т.е. они взаимно равны (β = 1), результирующие шумы снижены до предельно возможного уровня, примерно до 0,707 (γ = 1/√2 ≈ 0,707). Далее, при появлении расхождения и по мере его увеличения (β > 1), кривая начинает монотонно и неограниченно расти, и применение способа становится менее эффективным (γ > 1/√2). При достижении критической точки «B», когда расхождение увеличивается примерно до уровня 1,73 (β = √3 ≈ 1,73), способ уже полностью теряет свою эффективность, то есть способ не приводит к уменьшению результирующего шума (γ = 1), и его дальнейшее применение уже теряет смысл (γ > 1). Проведенный анализ наглядно демонстрирует существенные недостатки прототипа.

Описанные недостатки прототипа, в соответствие с заявляемым изобретением, устраняются с помощью введения весового коэффициента α. Это наглядно демонстрируется тем, что ход вышерассмотренной зависимости (кривая 1) при учете весового коэффициента меняется принципиальным образом (кривая 2). А именно, кривая 2 опускается вниз по отношению к кривой 1 и нигде не поднимается до единичного уровня, т.е. при любых степенях расхождения уровней НСШ составляющих усилителей (β = 1 … ∞) всегда в определенной мере сохраняется эффективность способа (γ < 1). Это означает, что применение технического решения в виде весового коэффициента существенно повышает эффективность применения способа и снимает ограничения, связанные с расхождением составляющих усилителей. Именно в этом заключается заявленный технический результат.

Необходимо отметить, что достижение заявленных технических результатов в полной мере возможно только в том в случае, когда величина весового коэффициента задается равной определенному оптимальному значению α=α₀. Для определения этого оптимального значения надо решить соответствующую математическую задачу. Возможность и единственность решения этой задачи продемонстрирована на фиг. 3, где представлена кривая зависимости показателя эффективности способа γ от величины весового коэффициента α. Кривая на графике была получена для конкретного значения β = 1,5, но это никак не ограничивает общности анализа. Видно, что кривая имеет необходимый характерный тип с четко выраженной точкой минимума «M», которой соответствует искомое оптимальное значение весового коэффициента α₀. Это значение весового коэффициента, как можно получить из анализа уравнения 4, зависит от величины β и определяется следующим выражением:

При этом значение минимума кривой γ_мин в зависимости от β определяется выражением:

Именно такое оптимального значения весового коэффициента, учитывающего расхождение НСШ усилителей, было использовано при построении и анализе кривой 2 на фиг. 2.

Проведенное обобщенное рассмотрение раскрывает сущность заявляемого изобретения и объясняет, каким образом необходимые технические решения, в соответствие перечисленными отличительными признаками, обеспечивают указанные технические результаты.

В описываемом конкретном примере реализации отличительные признаки заявляемого способа выражаются в том, что на предварительном этапе была сделана статистическая среднеквадратичная оценка уровня НСШ для каждого из составляющих усилителей, в данном случае без изменения схемы включения усилителей при закороченном входе усилителя с использованием вычислительных средств компьютера. При этом были получены следующие конкретные значения оценок U₁ = 1,07 нВ/√Гц и U₂ = 1,56 нВ/√Гц в частотном диапазоне 100÷300 Гц.

Далее, на следующем этапе были введены весовые коэффициенты, компенсирующие расхождение уровней НСШ составляющих усилителей, причем значения весовых коэффициентов обратно пропорциональны величине уровня НСШ, возведенной в квадрат, для каждого из составляющих усилителей. В рассматриваемом случае для первого усилителя весовой коэффициент был задан равным 1,00. Для второго усилителя было задано его оптимальное значение с учетом указанного расхождения НСШ составляющих усилителей α₀ = (1,07/1,56)² ≈ 0,47.

На завершающем этапе выполняют посредством суммирующего устройства суммирование электрических сигналов на выходе составляющих усилителей с учетом значений весовых коэффициентов. Суммирование в таком оптимизированном режиме должно обеспечить предельно возможное снижение уровня НСШ. В рассматриваемом конкретном случае измерения показали снижение НСШ до уровня U₁₂ = 0,88 нВ/√Гц.

При этом, реализация данной схемы в режиме прототипа, т.е. без введения весовых коэффициентов, обеспечивает, как показали измерения, существенно меньшее снижение НСШ всего лишь до уровня 0,96 нВ/√Гц, что подтверждает эффективность заявляемого способа.

Полученные результаты описанного эксперимента согласуются с теоретическим прогнозом в пределах статистического разброса, и демонстрируют возможность практической реализации способа. В частности, описанная схема усилителя была успешно применена для измерения флуктуационно-шумовых явлений химического источника тока CR2032 на уровне тепловых джонсоновских шумов порядка 1 нВ/√Гц.

Вывод

Проведенное рассмотрение подтверждает, что заявляемый способ обладает следующими существенными преимуществами по отношению к прототипу: снижение НСШ в комбинированном усилителе до предельно возможного уровня с учетом неизбежного расхождения НСШ в составляющих усилителях; сохранение эффективности способа независимо от степени расхождения НСШ составляющих усилителей, в том числе при превышении значения указанного расхождения более чем в √3 раз; исключение необходимости в специальном подборе составляющих усилителей по малому расхождению уровней НСШ.

Изобретение относится к области радиотехники и, в частности, к способам разработки высокочувствительных сверхмалошумящих прецизионных усилителей аналоговых сигналов, и может быть использовано при создании аппаратуры для изучения микрофлуктуаций в различных физико-химических системах. Целью изобретения является снижение уровня напряжения собственных шумов (НСШ) комбинированного усилителя, составленного из двух идентичных составляющих усилителей, входы которых включены взаимно параллельно и являются входом комбинированного усилителя, а выходы подключены к суммирующему устройству, выход которого является выходом комбинированного усилителя. Технический результат достигается путем введения в процесс суммирования специального согласующего весового коэффициента для каждого составляющего усилителя, значение которого должно быть обратно пропорциональным уровню его НСШ, возведенному в квадрат. Техническим результатом при реализации заявленного решения является снижение НСШ в комбинированном усилителе до предельно возможного уровня с учетом неизбежного расхождения НСШ в составляющих усилителях; сохранение эффективности способа независимо от степени расхождения НСШ составляющих усилителей, в том числе и при превышении критического значения более чем в √3 раз; исключение необходимости в специальном подборе составляющих усилителей по малому расхождению уровней НСШ. 3 ил.

Способ усиления электрического сигнала, причем усилитель представляет собой комбинированный усилитель, составленный из двух идентичных составляющих усилителей, входы которых включены взаимно параллельно и являются входом комбинированного усилителя, а выходы подключены к суммирующему устройству, выход которого является выходом комбинированного усилителя, при этом способ содержит этап, на котором суммируют электрические сигналы на выходе составляющих усилителей,

отличающийся тем, что дополнительно содержит этапы, на которых

предварительно делают статистическую среднеквадратичную оценку уровня НСШ для каждого из составляющих усилителей;

вводят весовые коэффициенты для электрического сигнала каждого составляющего усилителя, компенсирующие расхождение их уровней НСШ, причем значения весовых коэффициентов обратно пропорциональны величине уровня НСШ, возведенной в квадрат, для каждого из составляющих усилителей; и

выполняют посредством суммирующего устройства суммирование электрических сигналов на выходе составляющих усилителей с учетом значений весовых коэффициентов.