RU2479007C1 - Voltage stabiliser with low noise level - Google Patents
Voltage stabiliser with low noise level Download PDFInfo
- Publication number
- RU2479007C1 RU2479007C1 RU2012113599/08A RU2012113599A RU2479007C1 RU 2479007 C1 RU2479007 C1 RU 2479007C1 RU 2012113599/08 A RU2012113599/08 A RU 2012113599/08A RU 2012113599 A RU2012113599 A RU 2012113599A RU 2479007 C1 RU2479007 C1 RU 2479007C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- differential amplifier
- input
- inverting
- inverting input
- output
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области источников электропитания и может быть использовано в структуре СФ-блоков, не допускающих применение (с целью уменьшения уровня выходных шумов непрерывных стабилизаторов напряжения) конденсаторов большой емкости и, как следствие, больших габаритов.The invention relates to the field of power supplies and can be used in the structure of SF blocks that do not allow the use (in order to reduce the output noise of continuous voltage stabilizers) of large capacitors and, as a result, large dimensions.
В современной микроэлектронике широко применяются стабилизаторы напряжения (СН), имеющие классическую архитектуру [1-11].In modern microelectronics, voltage stabilizers (CH) are widely used, having a classical architecture [1-11].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является стабилизатор напряжения, представленный в заявке US 2009/027032, fig.2. Кроме этого, различные модификации данной схемы СН приведены в [1-11].The closest in technical essence to the claimed device is a voltage stabilizer, presented in the application US 2009/027032, fig.2. In addition, various modifications of this SN scheme are given in [1-11].
Существенный недостаток известного СН состоит в том, что для уменьшения уровня выходных шумов в его схеме приходится применять конденсаторы большой емкости, шунтирующие низкоомный выход СН и его низкоомную нагрузку. Это не позволяет создавать на его основе непрерывные СН, обеспечивающие электропитанием транзисторные узлы «систем на кристалле» (СнК), реализуемые по многим перспективным технологическим процессам.A significant drawback of the known SN is that in order to reduce the output noise level in its circuit, it is necessary to use capacitors of large capacity, shunting the low-impedance output of the SN and its low-impedance load. This does not allow creating on its basis continuous SNs that provide power to the transistor nodes of "systems on a chip" (SoC), implemented in many promising technological processes.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы уменьшить уровень выходных шумов СН при сравнительно малых значениях емкости корректирующих конденсаторов, что позволяет размещать СН на подложке СнК.The main objective of the invention is to reduce the level of output noise of the SN at relatively low values of the capacitance of the correction capacitors, which allows you to place the SN on a substrate SoC.
Поставленная задача решается тем, что в стабилизаторе напряжения фиг.1, содержащем регулирующий элемент 1 с инвертирующим 2 и неинвертирующим 3 управляющими входами и выходом 4, соединенным с выходом 5 устройства и входом резистивного делителя напряжения 6, выход 7 резистивного делителя напряжения связан с инвертирующим входом 8 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, источник опорного напряжения 10, подключенный к неинвертирующему входу 11 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, первый 12 токовый выход дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, связанный с инвертирующим управляющим входом 2 регулирующего элемента 1, второй 13 токовый выход дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, связанный с неинвертирующим входом 3 регулирующего элемента 1, корректирующий конденсатор 14, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный дифференциальный усилитель 15, инвертирующий вход которого 16 соединен с неинвертирующим входом 11 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9 через первый 17 резистор, а неинвертирующий вход 18 соединен с источником опорного напряжения 10 через второй 19 резистор, первый 20 токовый выход дополнительного дифференциального усилителя 15 соединен с инвертирующим входом 2 регулирующего элемента 1, второй 21 токовый выход дополнительного дифференциального усилителя 15 соединен с неинвертирующим входом 3 регулирующего элемента 1, причем корректирующий конденсатор 14 включен между неинвертирующим входом 18 дополнительного дифференциального усилителя 15 и общей шиной источника питания 22.The problem is solved in that in the voltage stabilizer of Fig. 1, containing a
На фиг.1 показана схема СН-прототипа.Figure 1 shows a diagram of the CH-prototype.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1-п.4 формулы изобретения, показана на фиг.2.A diagram of the inventive device corresponding to claim 1-
На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в среде Cadence на моделях интегральных транзисторов с проектными нормами 0,6 мкм БиКМОП техпроцесса ХВ06 фирмы «X-Fab».Figure 3 presents a diagram of the inventive device in a Cadence environment on models of integrated transistors with design standards of 0.6 μm BiKMOP process technology XB06 company "X-Fab".
На фиг.4 показана зависимость выходного напряжения стабилизатора (фиг.3) от тока нагрузки.Figure 4 shows the dependence of the output voltage of the stabilizer (figure 3) from the load current.
На фиг.5 приведена зависимость коэффициента передачи шума от источника опорного напряжения 10 к выходу СН 5 при значениях емкости корректирующего конденсатора С(С0), изменяющегося в пределах от 500 пФ до 100 мкФ. Из этого чертежа следует, что при увеличении емкости корректирующего конденсатора С(С0) расширяется в сторону низких частот диапазон ослабления шумов источника опорного напряжения. Так, при С(С0)=100 мкФ можно наблюдать ослабление шумов больше в 4 раза в диапазоне от 10 Гц до 10 МГц.Figure 5 shows the dependence of the noise transmission coefficient from the source of the
На фиг.6 представлена зависимость выходного и входного шума (или помехи) от частоты при емкости корректирующего конденсатора С(С0)=4,5 мкФ в СН (фиг.3). На частоте 50 Гц выходной шум равен входному, а выше по частоте он начинает уменьшаться, достигая значения шума в 1,66 раза меньше, чем входной шум на частоте 100 Гц и 76,6 раза на частоте 10 кГц.Figure 6 shows the dependence of the output and input noise (or interference) on the frequency at the capacitance of the correction capacitor C (C0) = 4.5 μF in SN (Fig. 3). At a frequency of 50 Hz, the output noise is equal to the input noise, and higher in frequency it starts to decrease, reaching a noise value of 1.66 times less than the input noise at a frequency of 100 Hz and 76.6 times at a frequency of 10 kHz.
На фиг.7 показана зависимость коэффициента передачи шума СН (фиг.3) при емкости корректирующего конденсатора С(С0)=4.5 мкФ, при которой допускается размещение этого конденсатора на подложке ряда «систем на кристалле». На графике видно, что с увеличением частоты выходной шум уменьшается и достигает значения в 1,67 раза меньше входного шума источника опорного напряжения на частоте 100 Гц и 76,9 раз меньше на частоте 10 кГц.Figure 7 shows the dependence of the noise transmission coefficient SN (Figure 3) with the capacitance of the correction capacitor C (C0) = 4.5 μF, at which this capacitor can be placed on the substrate of a number of "systems on a chip". The graph shows that with increasing frequency, the output noise decreases and reaches a value of 1.67 times less than the input noise of the reference voltage source at a frequency of 100 Hz and 76.9 times less at a frequency of 10 kHz.
На фиг.8 приведена зависимость коэффициента передачи шума СН (фиг.3) от источника опорного напряжения 10 к выходу СН (5) при сопротивлениях резисторов R0, R1 в базах транзисторов Q1, Q2, изменяющихся от 500 Ом до 20 кОм. Из графика видно, что минимум коэффициента передачи шума в диапазоне от 100 Гц до 10 МГц достигает при значении R0=R1=1 кОм, а в диапазоне от 10 Гц до 100 Гц приходится на R0=R1=5 кОм, что позволяет достигать меньших значений выходного шума в нижнем диапазоне частот при одинаковой емкости корректирующего конденсатора. При этом коэффициент передачи шума в верхнем диапазоне частот увеличивается, но остается меньше единицы.Fig. 8 shows the dependence of the noise transmission coefficient SN (Fig. 3) on the
Стабилизатор напряжения с малым уровнем шумов (фиг.2) содержит регулирующий элемент 1 с инвертирующим 2 и неинвертирующим 3 управляющими входами и выходом 4, соединенным с выходом 5 устройства и входом резистивного делителя напряжения 6, выход 7 резистивного делителя напряжения связан с инвертирующим входом 8 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, источник опорного напряжения 10, подключенный к неинвертирующему входу 11 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, первый 12 токовый выход дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, связанный с инвертирующим управляющим входом 2 регулирующего элемента 1, второй 13 токовый выход дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, связанный с неинвертирующим входом 3 регулирующего элемента 1, корректирующий конденсатор 14. В схему введен дополнительный дифференциальный усилитель 15, инвертирующий вход которого 16 соединен с неинвертирующим входом 11 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9 через первый 17 резистор, а неинвертирующий вход 18 соединен с источником опорного напряжения 10 через второй 19 резистор, первый 20 токовый выход дополнительного дифференциального усилителя 15 соединен с инвертирующим входом 2 регулирующего элемента 1, второй 21 токовый выход дополнительного дифференциального усилителя 15 соединен с неинвертирующим входом 3 регулирующего элемента 1, причем корректирующий конденсатор 14 включен между неинвертирующим входом 18 дополнительного дифференциального усилителя 15 и общей шиной источника питания 22.The voltage regulator with a low noise level (Fig. 2) contains a
На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, дифференциальный усилитель сигнала рассогласования 9 содержит первый 25 и второй 26 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с источником опорного тока 27, база первого 25 входного транзистора соединена с неинвертирующим входом 11 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, база второго 26 входного транзистора соединена с инвертирующим входом дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, коллектор первого 25 входного транзистора дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9 соединен с первым 12 токовым выходом дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, а коллектор второго 26 входного транзистора дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9 соединен со вторым 13 токовым выходом дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9.In the drawing of FIG. 2, in accordance with claim 2, the differential amplifier of the
Кроме этого, на чертеже фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, дополнительный дифференциальный усилитель 15 содержит первый 28 и второй 29 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с источником опорного тока 30, база первого 28 входного транзистора соединена с инвертирующим входом 16 дополнительного дифференциального усилителя 15, база второго 29 входного транзистора соединена с неинвертирующим входом дополнительного дифференциального усилителя 15, коллектор первого 28 входного транзистора дополнительного дифференциального усилителя 15 соединен со вторым 21 токовым выходом дополнительного дифференциального усилителя 15, а коллектор второго 29 входного транзистора дополнительного дифференциального усилителя 15 соединен с первым 20 токовым выходом дополнительного дифференциального усилителя 15.In addition, in the drawing of FIG. 2, in accordance with
В соответствии с п.4 формулы изобретения на чертеже фиг.2 резистивный делитель напряжения 6, включенный между выходом устройства 5 и общей шиной источников питания 22, содержит последовательно соединенные первый 23 и второй 24 вспомогательные резисторы, общий узел которых соединен с выходом 7 резистивного делителя напряжения 6.In accordance with
Рассмотрим в сравнении работу СН (фиг.1 и фиг.2).Consider in comparison the operation of CH (Fig.1 and Fig.2).
Источник опорного напряжения 10 в СН (фиг.1), реализуемый, например, по классическим схемам Видлара или в виде традиционного стабилитрона, имеет две составляющие опорного напряженияThe source of the
Uст(t)=Uст+uш,U st (t) = U st + u w ,
где Uст - постоянная составляющая напряжения на источнике опорного напряжения 10;where U article - a constant component of the voltage at the source of the
uш<<Uст - некоторое переменное напряжение, связанное с наличием шумов, различных помех, наводок и т.п. на источнике опорного напряжения 10.u w << U st - some alternating voltage associated with the presence of noise, various noise, interference, etc. at the
В стабилизаторе - прототипе (фиг.1) выходное напряжение uвых(t)=u5(t) связано с напряжением Uст(t) на источнике опорного напряжения известным соотношениемIn the stabilizer - the prototype (Fig. 1), the output voltage u o (t) = u 5 (t) is connected with the voltage U st (t) at the reference voltage source by a known relation
где
- коэффициент передачи резистивного делителя напряжения 6;Where - transmission coefficient of the
Т - петлевое усиление стабилизатора.T - loop stabilizer gain.
ПричемMoreover
где Rн.экв - эквивалентное сопротивление цепи нагрузки в узле 5;where R n.eq - equivalent resistance of the load circuit in
Ki2, Ki3 - коэффициенты передачи по току регулирующего элемента 1 по первому 2 инвертирующему и второму 3 неинвертирующему входам;K i2 , K i3 - current transfer coefficients of the regulating
h11.25=h11.26 - h-параметры транзисторов 25 и 26 в схеме с общей базой (h11.25=h11.26=20÷50 Ом).h 11.25 = h 11.26 - h-parameters of
Если Т>>1, что обеспечивается Ki2>>1, Ki3>>1, тоIf T >> 1, which is ensured by K i2 >> 1, K i3 >> 1, then
Следовательно, в первом приближении переменная (шумовая) составляющая выходного напряжения СН (фиг.1) в N1 раз больше, чем напряжение шумов uш источника опорного напряжения 10, гдеTherefore, in a first approximation, the variable (noise) component of the output voltage SN (Fig. 1) is N 1 times greater than the noise voltage u w of the
Для уменьшения напряжения шумов на выходе СН (фиг.1), как правило, вводится корректирующая емкость 14, эквивалентная постоянная времени которойTo reduce the voltage of noise at the output of the SN (Fig. 1), as a rule, a
где С14 - емкость конденсатора 14.where C 14 is the capacitance of the
Как следует из (5), для получения больших значений τ14, т.е. эффективного подавления низкочастотных помех и шумов, приходится выбирать достаточно большие значения емкости конденсатора 14 (С14), так как Rн.экв(1+Т)-1→0. Во многих случаях это неприемлемо, так как из-за существенных геометрических размеров конденсатора 14 он не всегда может располагаться на подложке «системы на кристалле» и/или « системы в корпусе». От данного недостатка в значительной мере свободна заявляемая схема СН (фиг.2).As follows from (5), to obtain large values of τ 14 , i.e. effective suppression of low-frequency interference and noise, it is necessary to choose a sufficiently large value of the capacitance of the capacitor 14 (C14), since R n.Eq (1 + T) -1 → 0. In many cases, this is unacceptable, because due to the significant geometric dimensions of the
Рассмотрим далее ее работу. Будем считать, что постоянная времени конденсатора 14 в схеме фиг.2 выбрана такой, что в анализируемом частотном диапазоне шумов (помех, наводок) напряжение
между входами 16 и 18 дополнительного дифференциального усилителя 15 равно напряжению шумов uш между входами 11 и 8 дифференциального усилителя сигнала рассогласования 9, т.е.
, что легко реализовать на практике.Let us further consider her work. We assume that the time constant of the
В этом случае входные токи i2 и i3 управляющих входов 2 и 3 регулирующего элемента 1In this case, the input currents i 2 and i 3 of the control
гдеWhere
Если обеспечить равенства h11.25=h11.26=h11.29=h11.28, то на входах 2 и 3 и, следовательно, на выходе СН 5 будет отсутствовать переменное напряжение шума, связанное с шумом источника опорного напряжения 10. В то же время для постоянной составляющей выходного напряжения СН справедливо уравнениеIf we ensure the equalities h 11.25 = h 11.26 = h 11.29 = h 11.28 , then at
так как дополнительный усилитель 15 не влияет на работу схемы в статическом режиме.since the additional amplifier 15 does not affect the operation of the circuit in static mode.
Таким образом, в заявляемой схеме (фиг.2) обеспечивается подавление переменных шумов, помех и наводок, присутствующих в выходном напряжении опорного источника 10. При этом диапазон частот, в котором это подавление обеспечивается, зависит от численных значений постоянной времени τ14=R19C14. Учитывая, что резистор 19 (R19) может иметь значения сопротивлений в единицы-десятки кОм, можно сделать вывод о том, что численные значения емкости конденсатора 14, обеспечивающего эффективное подавление шумов uш в заданном диапазоне частот, в заявляемой схеме в Nc раз меньше, чем в СН-прототипе, гдеThus, in the inventive circuit (figure 2) provides the suppression of variable noise, interference and interference present in the output voltage of the
Следовательно, при одинаковых значениях емкости конденсатора 14 (С14) в схемах фиг.1 и фиг.2 предлагаемое устройство обеспечивает более эффективное подавление шумов ИОН (10).Therefore, with the same capacitance values of the capacitor 14 (C14) in the circuits of FIG. 1 and FIG. 2, the proposed device provides more efficient suppression of ION noise (10).
Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования, представленными на чертежах фиг.4-фиг.8.These findings are confirmed by the results of computer simulations presented in the drawings of FIGS. 4 to 8.
Таким образом, предлагаемый стабилизатор напряжения имеет малый уровень выходных шумов при сравнительно небольших значениях емкости корректирующего конденсатора, который может быть реализован в виде интегрального элемента «системы на кристалле» и/или «системы в корпусе».Thus, the proposed voltage stabilizer has a low level of output noise at relatively small values of the capacitance of the correction capacitor, which can be implemented as an integral element of a “system on a chip” and / or “system in a case”.
ЛитератураLiterature
1. Патентная заявка US 2009/027032, fig.2, fig.7.1. Patent application US 2009/027032, fig. 2, fig. 7.
2. Патент US №5.929.623.2. US patent No. 5.929.623.
3. Патент US №3.946.303, fig.6.3. US patent No. 3.946.303, fig.6.
4. Патент US №7.847.645, fig.2.4. US patent No. 7.847.645, fig.2.
5. Патентная заявка US 2007/0188228, fig.4.5. Patent application US 2007/0188228, fig. 4.
6. Патент US №4.254.372.6. US patent No. 4.254.372.
7. Патент US №5.929.623.7. US patent No. 5.929.623.
8. Патент RU 2117982, фиг.1.8. Patent RU 2117982, figure 1.
9. Патент WO 2010/028430 A1, fig.2.9. Patent WO 2010/028430 A1, fig. 2.
10. Патент US №4.341.990.10. US patent No. 4.341.990.
11. Полянин К.П. Интегральные стабилизаторы напряжения. - М.: Энергия, 1979. - С.138. - Рис.5.8.11. Polyanin K.P. Integrated voltage stabilizers. - M .: Energy, 1979. - P.138. - Fig. 5.8.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012113599/08A RU2479007C1 (en) | 2012-04-06 | 2012-04-06 | Voltage stabiliser with low noise level |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012113599/08A RU2479007C1 (en) | 2012-04-06 | 2012-04-06 | Voltage stabiliser with low noise level |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2479007C1 true RU2479007C1 (en) | 2013-04-10 |
Family
ID=49152405
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012113599/08A RU2479007C1 (en) | 2012-04-06 | 2012-04-06 | Voltage stabiliser with low noise level |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2479007C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU896608A1 (en) * | 1980-05-05 | 1982-01-07 | Ленинградский Ордена Ленина Электротехнический Институт Им.В.И.Ульянова(Ленина) | Dc voltage stabilizer |
SU1118983A1 (en) * | 1983-07-07 | 1984-10-15 | Ленинградский Ордена Ленина Электротехнический Институт Им.В.И.Ульянова /Ленина/ | D.c.voltage stabilizer |
SU1283729A1 (en) * | 1985-07-10 | 1987-01-15 | Ленинградский электротехнический институт им.В.И.Ульянова (Ленина) | D.c.voltage stabilezer |
US20090027032A1 (en) * | 2007-07-27 | 2009-01-29 | Klaus Zametzky | Circuit arrangment for the temperature-dependent regulation of a load current |
-
2012
- 2012-04-06 RU RU2012113599/08A patent/RU2479007C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU896608A1 (en) * | 1980-05-05 | 1982-01-07 | Ленинградский Ордена Ленина Электротехнический Институт Им.В.И.Ульянова(Ленина) | Dc voltage stabilizer |
SU1118983A1 (en) * | 1983-07-07 | 1984-10-15 | Ленинградский Ордена Ленина Электротехнический Институт Им.В.И.Ульянова /Ленина/ | D.c.voltage stabilizer |
SU1283729A1 (en) * | 1985-07-10 | 1987-01-15 | Ленинградский электротехнический институт им.В.И.Ульянова (Ленина) | D.c.voltage stabilezer |
US20090027032A1 (en) * | 2007-07-27 | 2009-01-29 | Klaus Zametzky | Circuit arrangment for the temperature-dependent regulation of a load current |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gupta et al. | OTRA-based grounded-FDNR and grounded-inductance simulators and their applications | |
De Marcellis et al. | A CCII‐based wide frequency range square waveform generator | |
Pandey et al. | Single VDTA based dual mode single input multioutput biquad filter | |
Pandey et al. | Current mode full-wave rectifier based on a single MZC-CDTA | |
JPWO2014185294A1 (en) | Inductor simulation method, inductor simulation apparatus and method of using the same | |
JP2012156700A (en) | Error amplification circuit and switching regulator | |
Pandey et al. | New topologies of lossless grounded inductor using OTRA | |
Kapoulea et al. | Realizations of simple fractional-order capacitor emulators with electronically-tunable capacitance | |
RU2479007C1 (en) | Voltage stabiliser with low noise level | |
RU2380824C1 (en) | Alternating current amplifier with controlled amplification | |
Pushkar et al. | Single-resistance-controlled sinusoidal oscillator using single VD-DIBA | |
Mathad | Low frequency filter design using operational transconductance amplifier | |
Prasad et al. | Electronically controllable sinusoidal oscillator employing CMOS VD-DIBAs | |
Gupta et al. | New OTRA-based generalized impedance simulator | |
Sotner et al. | Practically implemented electronically controlled CMOS voltage differencing current conveyor | |
Ibrahim et al. | Sinusoidal signal generation through successive integration | |
Tangsrirat et al. | SFG synthesis of general n th-order allpole voltage transfer functions using VDBAs and grounded capacitors | |
Srivastava | Novel electronically controllable grounded series/parallel lossy inductor simulator configurations. | |
RU2428736C1 (en) | Shaping device of bipolar reference voltage with reduced noise level | |
Li | RC oscillators based on high‐Q frequency‐selecting network | |
RU2390919C1 (en) | Controlled ac amplifier | |
RU2475942C1 (en) | Broadband differential amplifier | |
RU2441316C1 (en) | Differential amplifier with low supply voltage | |
RU2421888C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2645867C1 (en) | Measuring bridge with increase speed of response |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140407 |