CN103501111B - 一种低噪声、高稳定度红外偏置电源 - Google Patents

Abstract

一种低噪声、高稳定度红外偏置电源，由三倍压电路和稳压滤波单元电路两部分组成；其中，三倍压电路包括预稳压电路、起振电路、整形电路和推挽及三倍压电路；电源输入到预稳压电路后输出幅度稳定的电源电压，用于给三倍压电路中的其它电路提供稳定的电源电压；起振电路产生固定频率的信号并输出至整形电路，由整形电路对该信号进行整形，变成规则的方波信号；推挽及三倍压电路将上述方波信号进行推挽输出和三倍升压；稳压滤波单元电路产生稳定的基准源，利用产生的基准源将推挽及三倍压电路输出的三倍升压后的电压转换成红外探测器需要的电压。

Description

一种低噪声、高稳定度红外偏置电源

技术领域

本发明所涉及的红外偏置电源为红外地球敏感器所用热敏电阻型红外探测器提供所需工作偏置电压。

背景技术

红外偏置电源为热敏电阻型红外探测器提供所需工作偏置电压。红外偏置电源本质上为红外探测器提高一个高精度的基准源，为了达到较高的检测精度，要求红外偏置电源具有较低的噪声水平（一般要求均方根值在1μV以下）和稳定度（一般要求电压温度稳定度小于0.1mV/℃。）。

现有的红外偏置电源采用DC/DC电源的设计方案，输入电路采用推挽自激式直流变换器的方案来驱动功率开关芯片，通过变压器耦合在输出端产生矩形波电压。该电压经过整流、滤波，由LM117H线性稳压后，输出一个+20V的稳定电压；由LM137H线性稳压后，输出一个-20V的稳定电压。该方案中±20V电源的产生由LM117H和LM137H实现，由于LM117H和LM137H为常用的线性稳压芯片，无噪声指标，实测噪声均方根值为25μV左右，无法满足产品使用要求。一般在该红外偏置电源的输出端采用多级滤波的方法来降低噪声，但是低频1/f噪声很难滤除，无法满足高精度检测的要求。这种设计方式使得电路结构复杂，噪声大，可靠性低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种低噪声、高稳定度红外偏置电源。

本发明的技术解决方案是：一种低噪声、高稳定度红外偏置电源，由三倍压电路和稳压滤波单元电路两部分组成；其中，三倍压电路包括预稳压电路、起振电路、整形电路和推挽及三倍压电路；

电源输入到预稳压电路后输出幅度稳定的电源电压，用于给三倍压电路中的其它电路提供稳定的电源电压；起振电路产生固定频率的信号并输出至整形电路，由整形电路对该信号进行整形，变成规则的方波信号；推挽及三倍压电路将上述方波信号进行推挽输出和三倍升压；稳压滤波单元电路产生稳定的基准源，利用产生的基准源将推挽及三倍压电路输出的三倍升压后的电压转换成红外探测器需要的电压。

所述的推挽及三倍压电路包括电阻R9～R11、NPN型三极管Q4、PNP型三极管Q5、电容C6～C9、二极管D3～D6；

R10的一端与预稳压电路输出的电源电压正端相连，另一端与Q4的集电极相连；Q4的基极、Q5的基极与R9的一端连接后接入整形电路的输出端，电阻R11一端接入Q5的集电极，另一端与R9相连，R9、R11的公共端与预稳压电路输出的电源电压负端相连；Q4的发射极、Q5的发射极与C6的一端、C7的一端相连；C6的另一端分别与D3的阴极、D4的阳极相连；D3的阳极、C8的负极与预稳压电路输出的电源电压正端相连；C8的正极与D4的阴极连接作为推挽及三倍压电路的正向输出端；C7的另一端与D5的阳极、D6的阴极相连；D5的阴极、C9的正极与预稳压电路输出的电源电压负端相连，D6的阳极与C9的负极连接作为推挽及三倍压电路的负向输出端。

所述的稳压滤波单元电路包括预稳压电路二、基准电路、正向输出电路和负向输出电路；预稳压电路二为稳压滤波单元电路中的其它电路提供稳定的电源电压，基准电路产生稳定的基准源，并输入至正向输出电路，正向输出电路利用接收的基准源将推挽及三倍压电路输出的正向三倍压转换成红外探测器需要的电压正极，负向输出电路将推挽及三倍压电路输出的负向三倍压转换成红外探测器需要的电压负极。

所述的正向输出电路包括放大器U1、NPN型三极管Q7、NPN型三极管Q6、电阻R14、R16、R18～R21，电容C10、C12；

U1的负电源端接预稳压电路二输出的电压负端，正电源端接预稳压电路二输出的电压正端；R14、R16、C10的公共端与U1的正向输入端相连，U1的负向输入端接基准电路的输出；R14的另一端接地；C10与R16并联，二者的公共端接入Q6的发射极和C12的正极，C12的负极接地；U1的输出端串联电阻R18后接入Q7的基极；Q7的发射极串联R20后接地；推挽及三倍压电路正向输出端与R19、R21的公共端相连，R19的另一端分别接Q6的基极和Q7的集电极；R21的另一端与Q6的集电极连接。

本发明与现有技术相比有益效果为：

（1）原有的红外偏置电源设计一般采用DC-DC电源的设计方法，采用稳压模块器件LM117、LM137的结构，其低频噪声特性较差，1-100Hz宽带噪声电压RMS值在25μV左右。本发明涉及的红外偏置电源的1-100Hz宽带噪声电压RMS值小于0.9μV，输出电压温度稳定性在0.016mV/℃左右。噪声电压降低20多倍，可以为系统获得更好的信噪比。

（2）本发明红外偏置电源已经在红外地球敏感器中大量应用，其可靠性和稳定性较好。该方法设计的偏置电源采用常用的元器件实现，无特殊要求的器件，产品的可制造性较好，可以为高精度的检测系统提供较好的基准源或低噪声电源。

（3）本发明涉及的低噪声、高稳定度红外偏置电源已经在红外地球敏感器中上大量使用，在多个型号中经过在轨应用，结果表明该方法设计的红外偏置电源可以达到较高的可靠性和稳定性。

（4）本发明在电路结构上采用三倍压与稳压滤波的设计方法，可以提高产品的抗干扰能力，同时抑制共模干扰的影响；三倍压电路实现电源升压的功能，稳压滤波电路实现串联跟踪稳压的功能。本发明红外偏置电源具有结构简单，抗干扰能力强，可以达到高的稳定度。

（5）本发明采用低噪声的基准源和分立的低噪声器件实现，进一步降低噪声；基准源的噪声大小决定了红外偏置电源的噪声水平，本设计中基准源采用低噪声的基准稳压芯片来实现。红外偏置电源中采用电路、放大电路、调整功率电路设计时都采用低噪声的器件实现。

（6）本发明输出电压温度稳定性在0.016mV/℃左右。电子电路中的半导体器件具有温度特性，在该设计中采用正负温度补偿的设计方法，输出电压温度稳定性在0.016mV/℃左右。在电源输出端采用滤波技术，可以进一步降低输出电压的噪声水平。

附图说明

图1为本发明红外偏置电源的组成原理框图；

图2为本发明红外偏置电源中三倍压电路的电路图；

图3为本发明红外偏置电源中稳压滤波单元电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做详细说明，具体如下：

本发明所涉及的红外偏置电源采用独特的电路设计结构，如图1所示。本红外偏置电源由三倍压电路和稳压滤波单元电路两部分组成。三倍压电路由预稳压电路、起振电路、整形电路和推挽及三倍压电路组成。电源输入到预稳压电路后输出幅度稳定的电源电压，用于给后续电路提供稳定的电源电压。起振电路通过晶体管及电阻、电容产生固定频率的信号。整形电路对起振电路输出的信号进行整形，变成规则的方波信号。推挽及三倍压电路将整形后的方波信号进行推挽输出和三倍升压。稳压滤波单元电路由预稳压电路、基准电路、正向输出电路、负向输出电路组成。预稳压电路二与三倍压电路中的预稳压电路一致，为后续电路提供稳定的电源电压。基准电路由带温度补偿的二极管和电阻组成，用于产生稳定的基准源。正向输出电路将三倍压后的正向输出电压转换成后输出，负向输出电路将三倍压后的负向输出电压转换成后输出。

需要说明的是，为了更清楚直观的了解本发明，下面结合具体实例进行说明，正向输出电压称为+20V输出电路、负向输出电压称为-20V输出电路。+20V输出电路将三倍压后的+30V输出电压转换成+20V输出，-20V输出电路将三倍压后的-30V输出电压转换成-20V输出。

三倍压电路原理图见图2所示。

主要组成部分原理及具体实施如下：

1）预稳压电路

预稳压电路由电阻R1、R2，二极管D1、D2组成，对外界电源提供的±12V进行稳压滤波。具体电路为：+12V电源与R1连接，R1的另一端与二极管D1的阴极连接，D1的阳极接地。-12V电源与R2连接，R2的另一端与二极管D2的阳极连接，D2的阴极接地。

2）起振电路

起振电路由NPN型三极管Q1～Q2、电容C5、电阻R3～R5、R8组成。上电后Q2器件导通为C5电容充电；充电后C5与Q1-E连接端电平降低至Q1器件导通、Q1-C变为低电平、Q1截止；C5电容经R8放电、C5电容与Q2-E连接端电平降低直至Q2器件再次导通。振荡电路起振。具体电路为：+12V预稳压后的输出电压通过电阻R3与R4的分压后与三极管Q2的基极和Q1的集电极连接，R4的另一端和三极管Q1的基极相连后接地。电阻R5、R8与-12V预稳压后的输出电源相连。R5的另一端与三极管Q1的发射极、电容C5连接。C5的另一端与R8的另一端、三极管Q2的发射极连接。

3）整形电路

整形电路由电阻R6～R7和PNP型三极管Q3组成，对振荡后的电路进行整形。具体电路为：R6的一端、Q3的发射极与+12V预稳压后的输出相连，三极管Q3的基极与R6、R7的公共端相连，R7的另一端与Q2的集电极相连。

4）推挽及三倍压电路

推挽及三倍压电路由电阻R9～R11、NPN型三极管Q4、PNP型三极管Q5、电容C6～C9、二极管D3～D6组成。当Q5器件导通、Q4截止推挽输出为低电平-10V左右时，+12V电源经D3为C6电容充电、直至C6电容与D4正向端连接处电平为+10V左右，C6电容两端压差达到20V；当Q4器件导通、Q5截止推挽输出为高电平+10V后，因C6电容两端电压差不能跳变，C6电容与D4正向端连接处电平从+10V左右变为+30V，经D4为C8充电，+30V电压记忆在C8正向端，为后级负载供电。-30V产生原理与+30V类似。具体电路为：R10的一端与+12V预稳压后的输出相连，另一端与Q4的集电极相连。

Q4的基极与Q5的基极、Q3的集电极、R9的一端连接，R9、R11的公共端与-12V预稳压后的输出相连。R11的另一端与Q5的集电极连接。Q4的发射极、Q5的发射极、C6、C7相连。C6的另一端与D3的阴极、D4的阳极相连。D3的阳极、C8的负极与+12V预稳压后的输出相连。C8的正极与D4的阴极连接，输出+30V电压。C7的另一端与D5的阳极、D6的阴极相连。D5的阴极、C9的正极-12V预稳压后的输出相连，D6的阳极与C9的负极连接，输出-30V电压。

通过三倍压电路产生±30V左右的电压，为后级稳压、滤波后产生±20V输出提供了足够的电压调整范围。

稳压滤波单元电路由预稳压电路、基准电路、+20V输出电路、-20V输出电路组成，原理图见图3所示。

该电路设计特点是-20V输出跟随+20V输出。+20V输出为串联稳压电路结构。主要组成部分原理及具体实施如下：

1）预稳压电路

预稳压电路由电阻R31～R32、二极管D7～D8、电容C14～C17组成，对外界电源提供的±12V进行稳压滤波。经过预稳压电路后，产生±10V输出。具体电路为：+12V电源与R31连接，R31的另一端与二极管D7的阴极连接，D7的阳极接地。-12V电源与R32连接，R32的另一端与二极管D8的阳极连接，D8的阴极接地。C14的正极与D7的阴极相连，C14的负极与C15的正极连接，C15的负极接地。C16的负极与D8的阳极连接，C16的正极与C17的负极连接，C17的正极接地。

2）基准电路

基准电路由电阻R12～R13、二极管D9、稳压管D10组成。稳压管选用带温度补偿的稳压管2DW234。C11的作用主要是进一步滤除噪声和干扰。具体电路为：R12与+12V预稳压后的输出相连，R12的另一端与R13、D9的阳极连接。R13的另一端接地。D9的阴极与D10的阴极、C11的正极相连。D10的阳极、C11的负极接地。

3）+20V输出电路

+20V输出电路由放大器U1、NPN型三极管Q6、Q7、电阻R14、R16、R18～R21、电容C10、C12组成。当+20V输出电压变高时，经反馈电阻R16、R14后，U1运放正输入端变高、U1运放输出变高、Q7-C变低，经调整管Q6后调整+20V至低，实现负反馈。其中，U1和Q7组成开环放大环节；R14和R16组成反馈环节；C10的作用是对输出波动全反馈，进一降低噪声；Q6为调整管；C12作用主要是对+20V输出噪声和干扰进行抑制。具体电路为：

U1的负电源端4脚接预稳压后的-10V，正电源端7脚接预稳压后的+10V。R14、R16、C10的公共端与U1的正向输入端3脚相连，U1的负向输入端2脚接基准电路的输出。R14的另一端接地。C10与R16并联，另一公共端接Q6的发射极和C12的正极，C12的负极接地。U1的输出端6脚接R18，R18的另一端与Q7的基极相连。Q7的发射极接R20，R20的另一端接地。三倍压后的输出+30V与R19、R21的公共端相连，R19的另一端接Q6的基极、Q7的集电极。R21的另一端与Q6的集电极连接。

4）-20V输出电路

-20V输出电路由放大器U2、PNP型三极管Q8、Q9、电阻R22～R26、R29、R30、电容C13组成。当-20V输出电压变低时，经R23、R22（也相当于跟踪桥式电阻）连接处电压变低、运放U2正向输入端变低、运放U2输出端变低、Q9-C变高，经调整管Q8后调整-20V至高，实现负反馈。其中，U2、Q9组成开环放大环节；R23、R22组成反馈环节；Q8为调整管。C13作用主要是对-20V输出噪声和干扰进行抑制。具体电路为：U2的4脚接预稳压后的-10V，7脚接预稳压后的+10V。U2的负向输入端接R26，R26的另一端接地。U2的正向输入端与R25、R22、R23的公共端相连，R25的另一端接地，R22的另一端与C12的正极、R16、C10、Q6的发射极相连，R23的另一端与Q8发射极和C13的负极相连。C13的正极接地。U2的输出（第6脚）与R28相连，R28的另一端与Q9的基极连接。Q9的集电极与Q8的基极、R29相连，R29的另一端与R30相连和接到三倍压后的输出-30V。R30的另一端与Q8的集电极相连。

红外地球敏感器正常工作时红外探测器所检测到的地球信号仅有0.14mV，为保证红外地球敏感器所检测到的微弱地球信号具有较高的信噪比，因此，对红外偏置电源提出了低频噪声低、纹波小、电压稳定等要求。采用本发明设计的红外偏置电源，1-100Hz宽带噪声电压RMS值小于0.9μV，输出电压温度稳定性小于0.02mV/℃。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种低噪声、高稳定度红外偏置电源，其特征在于：由三倍压电路和稳压滤波单元电路两部分组成；其中，三倍压电路包括预稳压电路、起振电路、整形电路和推挽及三倍压电路；

电源输入到预稳压电路后输出幅度稳定的电源电压，用于给三倍压电路中的其它电路提供稳定的电源电压；起振电路产生固定频率的信号并输出至整形电路，由整形电路对该信号进行整形，变成规则的方波信号；推挽及三倍压电路将上述方波信号进行推挽输出和三倍升压；稳压滤波单元电路产生稳定的基准源，利用产生的基准源将推挽及三倍压电路输出的三倍升压后的电压转换成红外探测器需要的电压；

所述的推挽及三倍压电路包括电阻R9～R11、NPN型三极管Q4、PNP型三极管Q5、电容C6～C9、二极管D3～D6；

R10的一端与预稳压电路输出的电源电压正端相连，另一端与Q4的集电极相连；Q4的基极、Q5的基极与R9的一端连接后接入整形电路的输出端，电阻R11一端接入Q5的集电极，另一端与R9的另一端相连，R9、R11的公共端与预稳压电路输出的电源电压负端相连；Q4的发射极、Q5的发射极与C6的一端、C7的一端相连；C6的另一端分别与D3的阴极、D4的阳极相连；D3的阳极、C8的负极与预稳压电路输出的电源电压正端相连；C8的正极与D4的阴极连接作为推挽及三倍压电路的正向输出端；C7的另一端与D5的阳极、D6的阴极相连；D5的阴极、C9的正极与预稳压电路输出的电源电压负端相连，D6的阳极与C9的负极连接作为推挽及三倍压电路的负向输出端。

2.根据权利要求1所述的一种低噪声、高稳定度红外偏置电源，其特征在于：所述的稳压滤波单元电路包括预稳压电路二、基准电路、正向输出电路和负向输出电路；预稳压电路二为稳压滤波单元电路中的其它电路提供稳定的电源电压，基准电路产生稳定的基准源，并输入至正向输出电路，正向输出电路利用接收的基准源将推挽及三倍压电路输出的正向三倍压转换成红外探测器需要的电压正极，负向输出电路将推挽及三倍压电路输出的负向三倍压转换成红外探测器需要的电压负极。

3.根据权利要求2所述的一种低噪声、高稳定度红外偏置电源，其特征在于：所述的正向输出电路包括放大器U1、NPN型三极管Q7、NPN型三极管Q6、电阻R14、R16、R18～R21，电容C10、C12；

U1的负电源端接预稳压电路二输出的电压负端，正电源端接预稳压电路二输出的电压正端；R14、R16、C10的公共端与U1的正向输入端相连，U1的负向输入端接基准电路的输出；R14的另一端接地；C10与R16并联，二者公共的另一端接入Q6的发射极和C12的正极，C12的负极接地；U1的输出端串联电阻R18后接入Q7的基极；Q7的发射极串联R20后接地；推挽及三倍压电路正向输出端与R19、R21的公共端相连，R19的另一端分别接Q6的基极和Q7的集电极；R21的另一端与Q6的集电极连接。