Высокостабильный источник опорного напряжения Советский патент 1992 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к области метрологии, измерительной технике и электронике и предназначено для получения стабильного электрического напряжения постоянного тока, может быть использовано в качестве рабочих и образцовых мер напряжения постоянного тока, в составе транспортируемых и стационарных средств измерений, выполненных на базе дискретных или интегральных схем,

Известен источник опорного напряжения с уменьшенной нестабильностью выходного напряжения на основе группового соединения параметрических стабилизаторов напряжения на стабилитронах (авторское свидетельство СССР № 579604, кл. G 05 F 1/56, 1977), содержащий один

входной компенсационный стабилизатор напряжения и, по крайней мере, два оконечных параметрических стабилизатора напряжения на основе балластных резисторов и стабилитронов.

Получение стабильного выходного напряжения достигается за счет подачи опорного напряжения со стабилитронов через первую группу суммирующих резисторов на вход усилителя компенсационного стабилизатора на выходную клемму.

Недостатком данного аналога является высокая временная нестабильность выходного напряжения, вносимая главным образом стабилитронами с большим уровнем дрейфа напряжения стабилизации и нестабильными балластными резисторами. В усVIОч

СЛ 00

тройстве отсутствует компенсация нестабильности элементов, в связи с чем повышение стабильности выходного напряжения может быть достигнуто либо путем отбора более стабильных стабилитронов и резисторов, либо за счет значительного увеличения числа стабилитронов в группе. Это существенно усложняет создание источника, снижает его надежность и увеличивает стоимость.

Известен высокостабильный источник опорного напряжения на стабилитронах (автхв. СССР № 752290, кл. G 05 F 1/56 от 07.04.80). Этот аналог высокостабильного источника опорного напряжения содержит предварительный компенсационный стабилизатор напряжения с последовательным регулирующим элементом, усилителем постоянного тока и делителем напряжения, оконечные стабилизаторы напряжения, по крайней мере два, каждый из которых содержит параметрический стабилизатор напряжения на основе стабилитрона и балластного резистора, операционный усилитель, регулирующий элемент, два суммирующих резистора, которые подключены к стабилитрону, а вторые концы одного резистора соединены с входом усилителя гю- стоянного тока компенсационного стабилизатора напряжения и с первым входом операционного усилителя. Второй вход операционного усилителя подключен к точке соединения стабилитрона, суммирующих и балластного резистора, а второй вывод другого суммирующего резистора подключен к выходной клемме источника. В данном источнике обеспечивается автоматическая компенсация нестабильности стабилитронов.

Однако такой источник опорного напряжения обладает и существенными недостатками, которые заключаются в значительной нестабильности и большом отклонении выходного напряжения, он обладает узкой зоной устойчивости выходного напряжения и низким уровнем надежности,

Работа источника обеспечивается только при применении стабилитронов, имеющих очень малый разброс напряжения стабилизации и в узкой динамической зоне. Это объясняется тем, что область линейного режима схемы компенсации, которая обеспечивает изменение тока стабилизации в цепи нестабильного стабилитрона, такое, чтобы скомпенсировать действие дестабилизирующего фактора, существенно ограничена. В первую очередь это связано с имеющим место у серийных стабилитронов большим допускаемым разбросом величины напряжения стабилизации. Для его компенсации в схеме источника задается ток стабилизации в широкой области, вплоть до задания в стабилитроны тока стабили- зации близкого к минимальному или максимальному допустимому току стабилизации. При этом область динамического регулиро- тока стабилизации, необходимая для компенсации нестабильности напряжения

0 стабилизации, существенно ограничивается. В схеме источника имеет место значительное отклонение тока стабилизации стабилитрона от номинального, что приводит к ухудшению основных параметров ста5 билитронов (повышается температурный коэффициент, увеличивается уровень низкочастотных шумов) и, соответственно, ухудшаются параметры источника в целом. Другим существенным недостатком ис0 точника, который увеличивает нестабильность его выходного напряжения, является неполная компенсация величины нестабильности напряжения стабилизации стабилитрона (в группе) при коррекции.

5 Величина недокомпенсации может достигать значительной величины. Это приводит к снижению устойчивости устройства и к самовозбуждению, что вызвано возникновением в цепи коррекции значительного

0 сигнала положительной обратной связи.

Указанные выше отрицательные факторы существенно снижают работоспособность устройства, увеличивают нестабильность выходного напряжения, и ухудшают надеж5 ность источника. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является высокостабильный источник опорного напряжения на стабилитронах (авт.св. СССР № 1513430,

0 кл. G05 F 1/56 от 08.06.89).

Этот высокостабильный источник опорного напряжения содержит предварительный компенсационный стабилизатор напряжения с последовательным регулиру5 ющим элементом, усилителем постоянного тока и делителем напряжения, по меньшей мере два оконечных блока стабилизации, каждый из которых включает в себя параметрический стабилизатор напряжения

0 на стабилитроне и балластном резисторе, который через соответствующие суммирующие резисторы соединен с входом усилителя постоянного тока, компенсационного стабилизатора напряжения и с выход5 ной клеммой, операционный усилитель, выход которого соединен с управляющей клеммой, операционный усилитель, выход которого соединен с управляющим входом регулирующего элемента блока стабилизатора. В каждом оконечном блоке стабилизации содержатся реактивный элемент с индуктивным сопротивлением, резистор нагрузки и смещения, причем один вывод реактивного элемента с индуктивным сопротивлением соединен с одним из силовых выводов регулирующего элемента и с первым выводом операционного усилителя, а второй вывод - с общей точкой балластного и суммирующих резисторов. Резистор нагрузки включен между другим силовым выводом регулирующего элемента и выходом компенсационного стабилизатора напряжения. При этом оконечные блоки стабилизации соединены так, что точки соединения суммирующих, балластных резисторов и реактивного элемента с индуктивным сопротивлением, а также балластного резистора и стабилитрона одного оконечного блока стабилизации подключены соответственно к входу операционного усилитепя и через резистор смещения к резистору нагрузки последующего оконечного блока стабилизации,

Существенными недостатками этого высокостабильного источника опорного напряжения являются существенная нестабильность и узкая зона устойчивостч выходного напряжения Это объясняется тем, что в данном устройстве каждый оконечный блок стабилизации снабжен реактивным элементом с индуктивным сопротивлением, включенным так, что один вывод реактивного элемента с индуктивным сопротивлением соединен с одним из силовых выводов регулирующего элемента и с первым входом операционного усилителя, а второй вывод - с общей точкой балластного и суммирующих резисторов, При этом оконечные блоки стабилизации соединены так, что точки соединения балластного резистора и стабилитрона одного оконечного блока стабилизации подключены через резистор смещения к резистор/ нагрузки последующего оконечного блока стабилизации.

Известно, что реализовать индуктивное сопротивление с активным сопротивлением R3ipaBHbiM нулю практически невозможно. В реальном устройстве при протекании через индуктивный элемент постоянного тока, что имеет место в данной схеме, возникает паразитное падение напряжения AUn, равное величине (1)

AUn IciRa,

где ICT - постоянный ток через индуктивный элемент;

Ra - активное сопротивление индуктивного элемента. Например, при величине 1ст 0,002АиРа 0,10м,имеетАип 200мкВ.

Наличие значительного паразитного падения напряжения на каждом реактивном элементе в схеме источника приводит к нежелательному разбалансу(паразитному напряжению смещения нуля усилителя) между

входами операционных усилителей источника, что является причиной повышенной нестабильности выходного напряжения источника. При увеличении числа оконечных блоков стабилизации, что желательно с

целью уменьшения временной нестабильности источника, этот дестабилизирующий фактор возрастает. В целом это существенно ограничивает максимальное число оконечных блоков стабилизации в источнике,

приводит к необходимости применения дополнительных схемотехнических мер для устранения дисбаланса операционных усилителей, нарушает идентичность работы оконечных блоков стабилизации и такой источник требует длительной и сложной настройки в кольцевом режиме работы.

Другим существенным недостатком данного источника является то, что в нем оконэчные блоки стабилизации соединены так, что тсчхи соединения балластного резистора и стабилитрона одного оконечного блока стабилизации подключены через резистор смещения к резистору нагрузки последующего оконечного блока

стабилизации. При таком соединении элементов схемы, величина сигнала обратной связи, снимаемого с резистора нагрузки последующего каскада и подаваемого в цепь стабилитрона предыдущего каскада очень

мала. Она недостаточна, чтобы вызвать необходимое изменение тока стабилизации, такое, чтобы полностью скомпенсировать возникшую нестабильность напряжения стабилизации стабилитрона -д Uicmmax.

Компенсируемая часть временной нестабильности - определяется по формуле (2)

50

(Зик

К О U |cm max

R +r

где К - коэффициент усиления каскада (К 10... 100);

R - сопротивление резистора нагруз- ки, Ом;

г - дифференциальное сопротивление стабилитрона, Ом.

Т.е. уровень компенсации 6 Uicmmax не превышает величины 1. 10%.

Указанные выше факторы приводят к повышению взаимной корреляционной связи оконечных блоков стабилизации и, как следствие, к дополнительной общей нестабильности выходного напряжения, т.к. при этих условиях в данном устройстве не обеспечивается полная компенсация возникшей нестабильности напряжения стабилизации и величина нестабильности выходного напряжения источника - значительно выше расчетной величины, которая может быть определена по формуле (3)

д ивых S

5Ui

cm max

VrT

и достигается лишь при условии независимости каскадов из оконечных блоков стабилизации, где д UiciMax - максимальная нестабильность напряжения стабилизации стабилитрона в источнике.

Целью настоящего предлагаемого изобретения является уменьшение нестабильности и повышение зоны устойчивости выходного напряжения, эта цель достигается тем, что в высокостабильном источнике опорного напряжения, содержащем предварительный компенсационный стабилизатор постоянного напряжения с регу- лирующим элементом, усилителем постоянного тока и делителем напряжения включенным одним выводом к выходу регулирующего элемента, другим - к общей шине, а средней точкой - к первому входу усилителя постоянного тока, по меньшей мере два оконечных блока стабилизации, соединенных по кольцевой схеме, каждый из которых включает в себя параметрический стабилизатор постоянного напряжения на стабилитроне, балластном резисторе и резисторе смещения, причем первый вывод балластного резистора через первый суммирующий резистор соединен со вторым входом усилителя постоянного тока, а через второй суммирующий резистор - с выходным выводом, операционный усилитель, выход которого соедине н с управляющим входом вспомогательного регулирующего элемента, один силовой вывод которого через нагрузочный резистор подключен к выходу основного регулирующего элемента, а второй силовой вывод соединен с первым входом операционного усилителя, в каждый оконечный блок стабилизации введены второй параметрический стабилизатор постоянного напряжения на стабилитроне, балластном резисторе, резисторе смещения и двух суммирующих резисторах, при этом первый вывод балластного резистора подключен к

второму входу операционного усилителя и соединен через первый суммирующий резистор со вторым входом усилителя постоянного тока, а через второй суммирующий

резистор - с выходным выводом, повторитель напряжения и преобразователь напряжение-ток, включающий резисторы, последовательный регулирующий элемент и дифференциальный усилитель, выход кото0 рого соединен с управляющим входом последовательного регулирующего элемента, один силовой вывод которого подключен к первому выводу опорного элемента и к первому входу дифференциального усили5 теля, второй вход которого через нагрузочный резистор подключен к точке соединения второго вывода опорного элемента с выходом основного регулирующего элемента предварительного стаби0 лизатора постоянного напряжения, а второй силовой вывод последовательного регулирующего элемента через токоограни- чивающий резистор подключен к точке сое- динения второго входа операционного

5 усилителя, первых выводов балластного и суммирующих резисторов второго параметрического стабилизатора постоянного напряжения и входа повторителя напряжения, выход которого подключен к последующему

0 оконечному блоку стабилизации в точке соединения первого входа операционного усилителя, первого вывода балластного и суммирующих резисторов первого параметрического стабилизатора постоянного на5 пряжения, при этом в каждом оконечном блоке стабилизации точки соединения вторых выводов балластных резисторов и стабилитронов через соответствующие резисторы смещения подключены к выходу

0 предварительнрго компенсационного стабилизатора постоянного напряжения, а первый вывод опорного элемента через токозадающий резистор соединен с общей шиной.

5 Предложенное устройство иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 представлена структурная схема высокостабильного источника опорного напряжения.

Устройство содержит предварительный

0 компенсационный стабилизатор напряжения с регулирующим элементом 1, усилителем постоянного тока 2 и делителем напряжения 3,4, включенным одним выходом к выходу регулирующего элемента 1,

5 другим концом к общей шине, а средней точкой к первому входу усилителя постоянного тока 2, по крайней мере два оконечных блока стабилизации, соединенных по кольцевой схеме, каждый из которых включает в себя параметрический стабилизатор постоянного напряжения на стабилитроне 5i (5п), резисторе балластном 61 (6n), резисторе смещения 7i (7n), причем первый вывод резистора балластного 6i (бп) через первый Суммирующий резистор 8i (8n) соединен с 5 вторым входом усилителя постоянного тока 2, а через второй суммирующий резистор 9i (9n) с выходным выводом Хз, операционный усилитель 10i (10n), выход которого соединен с управляющим входом 10 вспомогательного регулирующего элемента 11i (11n), один силовой вывод которого через нагрузочный резистор 12ч (12п) подключен к выходу основного регулирующего элемента, а второй вывод соединен с пер- 15 вым входом операционного усилителя 10i (10П). С целью уменьшения нестабильности и повышения зоны устойчивости выходного напряжения высокостабильного источника опорного напряжения в каждый оконечный 20 блок стабилизации введены второй параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне 13i (13n), резисторе балластном 14т (14П), резисторе смещения 15i (15П), два суммирующих резистора 16i (16п), 25 17i (17n); при этом первый вывод резистора балластного 14i (14n) подключен к второму входу операционного усилителя 10i (10n) и соединен через первый суммирующий резистор 16i (16n) с вторым входом 30 усилителя постоянного тока, а через второй суммирующий резистор 17i (17n) соединен с выходным выводом Хз, повторитель напряжения 18i (18П) и преобразователь напряжение-ток, включающий в себя опорный 35 элемент 19i (19n), токоограничивающий 20i (20П) и токозадающий 211 (21n) резисторы, последовательный регулирующий элемент 22i (22n) и дифференциальный усилитель 23i (23n), выход которого соединен с 40 управляющим входом последовательного регулирующего элемента 221 (22n), один силовой вывод которого подключен к первому выводу опорного элемента 19 (19П) и к первому входу дифференциального усилителя 45 231 (23п), второй вход которого через нагрузочный резистор 12т (12П) подключен к точке соединения второго вывода опорного элемента 19i (19n) с выходом основного регулирующего элемента 1 предваритель- 50 ного стабилизатора напряжения, а второй силовой вывод последовательного регулирующего элемента 22i (22n) через токоограничивающий резистор 20i (20n) подключен к точке соединения второго входа 55 операционного усилителя 10i (10n), первых выводов балластного 14i (14n) и суммирующих резисторов 16i (16n), 17i (17n) второго параметрического стабилизатора напря- . жения и входа повторителя напряжения

18i (18n), выход которого подключен к последующему оконечному блоку стабилизации в точке соединения общей для первого входа операционного усилителя 10i (10n), первого вывода балластного 6i (6n) и суммирующих резисторов 8i (8n), 9i (9n) первого параметрического стабилизатора постоянного напряжения, при этом в каждом оконечном блоке стабилизации точки соединения вторых выводов балластных резисторов 61, 14i; (бп, 14П) и стабилитронов 5i, 13i; (5n, 13n), через соответствующие резисторы смещения 7i, 15i, 211 (7п, 15П, 21П), подключены к выходу предварительного компенсационного стабилизатора напряжения, а первый вывод опорного элемента 19i (19n) через токозадающий резистор 211 (21n) соединен с общей шиной.

Высокостабильный источник опорного напряжения действует следующим образом: входное напряжение подается на клеммы Xi. Х2,Вход. Изменение напряжения стабилизации любого стабилитрона из 13i...13n, например 131(вызывает на входе соответствующего операционного усилителя 10i изменение управляющего сигнала, который представляет разность напряжений (опорного и управляющего). Причем опорное напряжение, поступающее на вход 1 операционного усилителя Ют. не зависит от величины изменения напряжения стабилизации стабилитрона 13i. Усилитель 10i вырабатывает управляющий сигнал, который через регулирующий элемента 11i изменяет ток в цепи резистора нагрузки 12i и, соответственно, изменяет напряжение на входе преобразователя напряжение-ток, т.е. на втором входе операционного усилителя 23i, первый вход которого подключен к опорному элементу. При этом управляющий сигнал с выхода усилителя 231 поступает на вход последовательного регулирующего элемента 221 и через резистор токоограничивающий Р20, изменяет ток в цепи второго параметрического стабилизатора 14i, 13i, так чтобы скомпенсировать возникшее изменение напряжения на последовательной цепочке (стабилитрон 131, балластный резистор 14i), которая одновременно служит для формирования опорного напряжения, которое подается на вход повторителя напряжения 18i и с его входа опорное напряжение поступает в последующий оконечный блок стабилизации на первый параметрический стабилизатор 5i, 61 и позволяет стабилизировать напряжение на первом входе операционного усилителя 18i. Таким путем в высокостабильном источнике опорного напряжения обеспечивается независимость

режима работы каждого предыдущего блока стабилизации от последующего.

Технико-экономические преимущества изобретения по сравнению с прототипом.

В настоящее время высокоточные мет- рологические и измерительные комплексы, обеспечивающие хранение и передачу размера единицы ЭДС и напряжения постоянного тока, выполняются по схеме прототипа. Эти схемы обладают сущест- венными недостатками, Для создания таких источников требуется применять специальные меры для устранения имеющего место паразитного напряжения смещения на входах операционных усилителей, при этом кроме технической реализации источника, растут затраты на источник, отсутствует взаимозаменяемость элементов и число каскадов оконечных блоков стабилизации ограничено. Это в сочетании с низким уровнем сигнала обратной связи по току в цепи нестабильного стабилитрона, компенсирующего нестабильность напряжения стабилизации стабилитрона, не позволяет обеспечить в источнике низкий уровень нестабильности выходного напряжения и ограничивает зону его устойчивости. Практическое ограничение числа каскадов оконечных блоков стабилизации в прототипе приводит к необходимости применять ис- ходные прецизионные стабилитроны специально отобранные до уровня нестабильности, что усложняет создание источника, требует дополнительных затрат на проведение дополнительных сложных, дли- тельных и высокоточных измерений.

В отличие от прототипа рабочие, образцовые и эталонные средства измерений, со- зданные по схеме предлагаемого высокостабильного источника опорного на- пряжения, лишены вышеперечисленных недостатков и позволяют уменьшить нестабильность и повысить зону устойчивости выходного напряжения высокостабильного источника опорного напряжения. При этом значительно снижаются требования к его реализации и эксплуатации, увеличивается межповерочный интервал. Полностью исключается дополнительный отбор стабилитронов и операционных усилителей, отсутствует необходимость в проведении подстройки в процессе регулировки и эксплуатации.

Это открывает новые широкие возможности для создания принципиально отлич- ных от существующих стационарных и транспортируемых устройств более высокого класса точности, используемых в составе измерительных и поверочных средств измерений, при значительном сокращении времени и удешевлении работ по их изготовлению и эксплуатации.

Сравнительные технические данные высокостабильной меры электрического напряжения на базе предлагаемого изобретения и прототипа приведены в таблице.

Как следует из сравнительного анализа данных, приведенных в таблице, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом достигается уменьшение нестабильности выходного напряжения (временной и температурной) в 2...3 раза, снижение допустимого отклонения выходного напряжения (в 2,5 раза). Повышена метрологическая надежность устройства, которая характеризуется увеличением межповерочного интервала с 168 ч. (у прототипа) до 1000 ч. Исключен этап дополнительного отбора, регулировки и настройки в процессе изготовления и эксплуатации. В предлагаемом устройстве обеспечивается более высокий уровень взаимозаменяемости элементов и каскадов, точности характеристик и существенно расширена зона устойчивости выходного напряжения, что открывает новые возможности для создания широкой номенклатуры высокостабильных источников опорного напряжения с существенно улучшенными по сравнению с прототипом параметрами при значительном удешевлении работ по их изготовлению и эксплуатации,

Формула изобретения

Высокостабильный источник опорного напряжения, содержащий предварительный компенсационный стабилизатор постоянного напряжения с последовательным основным регулирующим элементом, усилителем постоянного тока и делителем напряжения, подключенным одним выводом к выходу регулирующего элемента, другим - к общей шине, а средней точкой - к первому усилителю постоянного тока, по меньшей мере два оконечных блока стабилизации, соединенных по кольцевой схеме, каждый из которых включает в себя параметрический стабилизатор постоянного напряжения на стабилитроне, балластном резисторе и резисторе смещения, причем первый вывод балластного резистора через первый суммирующий резистор соединен с вторым входом усилителя постоянного тока, а через второй суммирующий резистор - с выходным выводом, операционный усилитель, выход которого соединен с управляющим входом вспомогательного регулирующего элемента, один силовой вывод которого через нагрузочный резистор подключен к выходу основного регулирующего элемента, а второй силовой вывод соединен с первым входом операционного усилителя, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью уменьшения нестабильности и повышения зоны устойчивости выходного напряжения, в каждый оконечный блок стабилизации введены второй параметрический стабилизатор постоянно- го напряжения на стабилитроне, балластном резисторе, резисторе смещения и двух суммирующих резисторах, при этом первый вывод балластного резистора подключен к второму входу операционного усилителя и соединен через первый суммирующий резистор с вторым входом усилителя постоянно- го тока, а через второй суммирующий резистор - с выходным выводом, повторитель напряжения и преобразователь напря- жение-ток, включающий в себя опорный элемент, токоограничивающий и токозада- ющий резисторы, последовательно регулирующий элемент и дифференциальный усилитель, выход которого соединен с уп- равляющим входом последовательного регулирующего элемента, один силовой вывод которого подключен к первому выводу опорного элемента и к первому входу дифференциального усилителя, второй вход которого через нагрузочный резистор подключен к точке соединения второго вывода опорного

элемента с выходом основного регулирующего элемента предварительного стабилизатора постоянного напряжения, а второй силовой вывод последовательного регулирующего элемента через токоограничивающий резистор подключен к точке соединения второго входа операционного усилителя, первых выводов балластного и суммирующих резисторбй второго параметрического стабилизатора постоянного напряжения и входа повторителя напряжения, выход которого подключен к последующему окоченному блоку стабилизации в точке соединения первого входа операционного усилителя, первого вывода балластного и суммирующих резисторов первого параметрического стабилизатора постоянного напряжения, при этом в каждом оконечном блоке стабилизации точки соединения вторых выводов балластных резисторов и стабилитронов через соответствующие резисторы смещения подключены к выходу предварительного компенсационного стабилизатора постоянного напряжения, а пер- вый вывод опорного элемента через токозадающий резистор соединен с общей шиной.

Использование: в качестве рабочих и образцовых мер напряжения постоянного тока в измерительных схемах, выполненных на базе дискретных или интегральных схем. Сущность изобретения: устройство содержит предварительный компенсационный стабилизатор постоянного напряжения и по меньшей мере два оконечных блока стабилизации, соединенных по кольцевой схеме. В каждый блок стабилизации по отношению к прототипу введен второй параметрический стабилизатор постоянного напряжения, повторитель напряжения и преобразователь на- пряжение-ток. Исключается влияние последующего блока стабилизации на предыдущий, что обеспечивает идентичность их режимов. Достигается полная компенсация нестабильности напряжения стабилизации для каждого стабилитрона в блоках стабилизации. Повышается зона устойчивости выходного напряжения, 1 ил. ел С

Параметр

Прототип

Меры напряжения на

базе предлагаемого изобретения

6,5 ±0,5

± 0,0002 ± 0,0003

аждые 168 ч

50

Требуется

6,5 ±0,2

±0,0001 ±0,0001

Каждые 1000ч

40

Не требуется

tad

liof

ВжоЦ