АНАЛОГОВЫЙ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 2012 года по МПК H03F3/45 G06G7/16 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления. Аналоговый перемножитель (АПН) является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов ВЧ- и СВЧ-диапазонов, аналоговой вычислительной и измерительной техники, позволяет решать задачи выделения разностной частоты, аттенюации сигналов. АПН является неотъемлемым звеном квадратурных модуляторов и демодуляторов, а также синхронных фильтров. Высоколинейный широкополосный АПН может служить базовой ячейкой нелинейных СФ-блоков «систем на кристалле».

Аналоговый перемножитель напряжений (АПН) современных систем связи и телекоммуникаций реализуется, в основном, на базе перемножающей ячейки Джильберта и совершенствовался в более чем 50 патентах ведущих микроэлектронных фирм (смотри, например, [1-36]). Предлагаемое изобретение относится к данному классу устройств.

На основе ячейки Джильберта реализуются не только перемножители напряжений, но и управляемые усилители, и смесители (миксеры) сигналов ВЧ- и СВЧ-диапазонов. В этом смысле АПН является базовым функциональным узлом современной микроэлектроники, определяющим качественные показатели многих систем связи.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является аналоговый перемножитель напряжений (АПН), (фиг.1), рассмотренный в монографии Е.И.Старченко «Аналоговые перемножители напряжений» - Шахты: Издательство ЮРГУЭС, 2006. - 57 с., стр.12, рис.2.2. Кроме того, данная структура АПН представлена в учебном пособии для вузов В.Н.Ногина «Аналоговые электронные устройства» - М.: Радио и связь, 1992. - 304 с., стр.260, рис.16.11, а также в патенте US 6.456.142, fig.8.

Известный АПН содержит перемножающую ячейку Джильберта 1, противофазные токовые выходы которой 2 и 3 связаны с первой 4 шиной источника питания через симметричную цепь нагрузки 5, первый 6 и второй 7 токовые входы канала «Y» перемножающей ячейки Джильберта 1, соединенные с соответствующими токовыми выходами преобразователя «напряжение-ток» канала «Y» 8, первый 9 и второй 10 потенциальные входы канала «X» перемножающей ячейки Джильберта 1, связанные с коллекторами соответствующих первого 11 и второго 12 входных транзисторов, первый 13 и второй 14 логарифмирующие p-n переходы, первые выводы которых объединены и через цепь согласования потенциалов 15 связаны с шиной первого 4 источника питания, причем второй вывод первого 13 логарифмирующего p-n перехода соединен с коллектором первого 11 входного транзистора, а второй вывод второго 14 логарифмирующего p-n перехода соединен с коллектором второго 12 входного транзистора, масштабирующий резистор 16, включенный между эмиттерами первого 11 и второго 12 входных транзисторов, первый 17 источник опорного тока, включенный между эмиттером первого 11 входного транзистора и второй 18 шиной источника питания, второй 19 источник опорного тока, включенный между эмиттером второго 12 входного транзистора и второй 18 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного перемножителя напряжений (АПН) состоит в том, что он имеет сравнительно невысокий диапазон рабочих частот, который ограничивается паразитными емкостями применяемых транзисторов (емкостью коллектор-база и емкостью на подложку).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот (полосы пропускания) АПН.

Поставленная задача достигается тем, что в АПН, содержащем перемножающую ячейку Джильберта 1, противофазные токовые выходы которой 2 и 3 связаны с первой 4 шиной источника питания через симметричную цепь нагрузки 5, первый 6 и второй 7 токовые входы канала «Y» перемножающей ячейки Джильберта 1, соединенные с соответствующими токовыми выходами преобразователя «напряжение-ток» канала «Y» 8, первый 9 и второй 10 потенциальные входы канала «X» перемножающей ячейки Джильберта 1, связанные с коллекторами соответствующих первого 11 и второго 12 входных транзисторов, первый 13 и второй 14 логарифмирующие p-n переходы, первые выводы которых объединены и через цепь согласования потенциалов 15 связаны с шиной первого 4 источника питания, причем второй вывод первого 13 логарифмирующего p-n перехода соединен с коллектором первого 11 входного транзистора, а второй вывод второго 14 логарифмирующего p-n перехода соединен с коллектором второго 12 входного транзистора, масштабирующий резистор 16, включенный между эмиттерами первого 11 и второго 12 входных транзисторов, первый 17 источник опорного тока, включенный между эмиттером первого 11 входного транзистора и второй 18 шиной источника питания, второй 19 источник опорного тока, включенный между эмиттером второго 12 входного транзистора и второй 18 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первая 20 и вторая 21 группы вспомогательных транзисторов, причем объединенные эмиттеры и базы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов первой 20 группы соединены с эмиттером первого 11 входного транзистора, объединенные эмиттеры и базы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов второй 21 группы соединены с эмиттером второго 12 входного транзистора, а коллекторы всех вспомогательных транзисторов первой 20 и второй 21 группы объединены и связаны с первой 4 шиной источника питания.

На чертеже фиг.1 показана схема АПН-прототипа.

На чертеже фиг.2 представлена схема классической перемножающей ячейки Джильберта (1), которая реализована на транзисторах 33÷36.

На чертеже фиг.3 приведена схема заявляемого АПН в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.4 показана схема аналогового перемножителя фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов с цепями расширения частотного диапазона, реализованными на основе первой 20 и второй 21 группы вспомогательных транзисторов.

На чертеже фиг.5 приведена зависимость коэффициента усиления АПН фиг.4 от частоты с использованием восьми вспомогательных транзисторов первой 20 и второй 21 групп с различными площадями эмиттерных переходов при сопротивлении масштабирующего резистора 16, равном R16=200 Ом, и напряжении управления по каналу «Y», равном Vу=100 мВ.

Чертеж фиг.6 иллюстрирует зависимость коэффициента усиления АПН от частоты при подключении двух вспомогательных транзисторов первой 20 и второй 21 группы с различными площадями эмиттерных переходов при сопротивлении масштабирующего резистора 16 R16=1 кОм и напряжении управления по каналу «Y», равном Vу=100 мВ.

Заявляемый АПН фиг.3 содержит классическую перемножающую ячейку Джильберта 1 (фиг.2), противофазные токовые выходы которой 2 и 3 связаны с первой 4 шиной источника питания через симметричную цепь нагрузки 5, первый 6 и второй 7 токовые входы канала «Y» перемножающей ячейки Джильберта 1, соединенные с соответствующими токовыми выходами преобразователя «напряжение-ток» канала «Y» 8, первый 9 и второй 10 потенциальные входы канала «X» перемножающей ячейки Джильберта 1, связанные с коллекторами соответствующих первого 11 и второго 12 входных транзисторов, первый 13 и второй 14 логарифмирующие p-n переходы, первые выводы которых объединены и через цепь согласования потенциалов 15 связаны с шиной первого 4 источника питания, причем второй вывод первого 13 логарифмирующего p-n перехода соединен с коллектором первого 11 входного транзистора, а второй вывод второго 14 логарифмирующего p-n перехода соединен с коллектором второго 12 входного транзистора, масштабирующий резистор 16, включенный между эмиттерами первого 11 и второго 12 входных транзисторов, первый 17 источник опорного тока, включенный между эмиттером первого 11 входного транзистора и второй 18 шиной источника питания, второй 19 источник опорного тока, включенный между эмиттером второго 12 входного транзистора и второй 18 шиной источника питания. В схему введены первая 20 и вторая 21 группы вспомогательных транзисторов, причем объединенные эмиттеры и базы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов первой 20 группы соединены с эмиттером первого 11 входного транзистора, объединенные эмиттеры и базы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов второй 21 группы соединены с эмиттером второго 12 входного транзистора, а коллекторы всех вспомогательных транзисторов первой 20 и второй 21 группы объединены и связаны с первой 4 шиной источника питания.

В частном случае на чертеже фиг.3 первый 17 и второй 19 источники опорного тока выполнены на транзисторах 22 и 23. Однако в ряде случаев авторы рекомендуют использовать в качестве данных элементов сравнительно высокоомные резисторы.

В схеме фиг.3 симметричная цепь нагрузки 5 реализована на базе коллекторных резисторов 24 и 25. В других схемах включения это могут быть индуктивности или колебаторные контуры.

Конденсаторы 26 и 27 на чертеже фиг.3 характеризуют выходную емкость транзисторов 22 и 23.

Преобразователь «напряжение-ток» канала «Y» (фиг.3) выполнен по традиционной схеме на транзисторах 28 и 29, резисторе 30, токостабилизирующих двухполюсниках 31 и 32.

На чертеже фиг.2 перемножающая ячейка Джильберта 1 выполнена по классической архитектуре и содержит транзисторы 33÷36. В качестве цепи согласования потенциалов 15 могут использоваться стабилитроны, резисторы или диоды.

Рассмотрим работу АПН фиг.3.

Для реализации функции перемножения двух напряжений u_x и u_у в схеме фиг.3 необходимо с помощью преобразователя «напряжение-ток» канала «Y» 8 обеспечить преобразование управляющего напряжения u_у с крутизной S в два противофазно изменяющихся тока , и управление этими токами величиной коэффициента усиления по напряжению дифференциальных каскадов на транзисторах 33, 36 и 34, 35 (фиг.2). В схеме фиг.3 при увеличении тока первого 6 токового входа на величину и уменьшении тока второго 7 токового входа на величину коэффициент усиления по напряжению каскада на транзисторах 35, 36 (фиг.2) увеличивается, а каскад на транзисторах 37, 38 (фиг.2) уменьшается. Поэтому переменное выходное напряжение АПН пропорционально произведению напряжений u_x и u_у:

где R_н.экв - эквивалентное сопротивление цепи симметричной нагрузки 5;

φ_т≈26 мВ - температурный потенциал.

Первая замечательная особенность в АПН фиг.3 состоит в том, что в нем обеспечивается взаимная компенсация влияния на амплитудно-частотную характеристику емкости коллекторного перехода транзистора 11 (12) и вспомогательных транзисторов первой 20 (второй 21) группы, а также транзисторов ячейки Джильберта (1), что снижает погрешность перемножения u_x и u_у в диапазоне высоких частот (f>10 ГГц). При этом за счет высокой идентичности транзисторов и их паразитных емкостей условия взаимной компенсации не нарушаются в рабочих диапазонах температур. В практических схемах число элементарных транзисторов, входящих в первую 20 и вторую 21 группу вспомогательных транзисторов, лежит в пределах n=2÷8 и зависит от выбранной площади эмиттерных переходов, геометрии элементарных транзисторов и сопротивления масштабирующего резистора 16.

Действительно, анализ графиков фиг.5-фиг.6 показывает, что выигрыш по верхней граничной частоте коэффициента усиления (по уровню -3 дБ), который обеспечивает введение первой 20 и второй 21 группы вспомогательных транзисторов, лежит в пределах от 8 ГГц до 10 ГГц (в зависимости от заданного уровня неравномерности амплитудно-частотной характеристики). Это позволяет за счет оптимального выбора числа n элементарных транзисторов, входящих в первую 20 и вторую 21 группу вспомогательных транзисторов и площадей их эмиттерных переходов, скорректировать амплитудно-частотную характеристику АПН в области высоких частот и обеспечить для SiGe технологий SGB25VD верхнюю граничную частоту 18÷26 ГГц, вместо 9÷10 ГГц.

Вторая замечательная особенность предлагаемого АПН, отличающая его от других известных АПН, состоит в уменьшении температурной и радиационной зависимости статического режима его первого 11 и второго 12 входных транзисторов. Это обусловлено тем, что p-n переходы на подложку вспомогательных транзисторов первой 20 и второй 21 группы в этой схеме отключены от эмиттеров входных транзисторов 11 и 12, так как связаны с первым 4 источником питания. Поэтому температурные и радиационные изменения токов через эти p-n переходы не будут влиять на параметры АПН.

Следует заметить, что для получения заданного эффекта по верхней граничной частоте в структуре АПН фиг.3 число элементарных транзисторов в первой 20 и второй 21 группах может варьироваться в диапазоне 8÷10.

Таким образом, предлагаемое техническое решение характеризуется более высокими качественными параметрами по частотному диапазону.

Источники информации

1. Патент GB 2.318.470, H03f 3/45.

2. Патент ЕР 1.369.992.

3. Патент США №5.874.857.

4. Патент США №6.456.142, фиг.8.

5. Патент США №3.931.583, фиг.9.

6. Патентная заявка США №2007/0139114, фиг.1.

7. Патентная заявка США №2005/0073362, фиг.1.

8. Патент США №5.057.787.

9. Патентная заявка WO 2004/041298.

10. Патент США №5.389.840, фиг.1А.

11. Патент США №5.883.539, фиг.1.

12. Патентная заявка США №2005/0052239.

13. Патент США №5.151.625, фиг.1.

14. Патент США №4.458.211, фиг.5.

15. Патентная заявка США №2005/0030096, фиг.6.

16. Патентная заявка США №2007/0090876.

17. Патент США №6.727.755.

18. Патент США №5.552.734, фиг.13, фиг.16.

19. Патентная заявка США №2006/0232334.

20. Патент США №5.767.727.

21. Патент США №6.229.395, фиг.2.

22. Патент США №5.115.409.

23. Патентная заявка США №2005/0231283, фиг.1.

24. Патентная заявка США №2006/0066362, фиг.15.

25. Патент США №5.151.624, фиг.1, фиг.2.

26. Патент США №5.329.189, фиг.2.

27. Патент США №4.704.738.

28. Патент США №4.480.337.

29. Патент США №5.825.231.

30. Патент США №6.211.718, фиг.1, фиг.2.

31. Патент США №5.151.624.

32. Патент США №5.329.189.

33. Патент США №5.331.289.

34. Патент GB №2.323.728.

35. Патентная заявка США №2008/0122540, фиг.1.

36. Патент США №4.965.528.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления. Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот (полосы пропускания) АПН. Аналоговый перемножитель напряжений содержит перемножающую ячейку Джильберта, симметричную цепь нагрузки, преобразователь «напряжение-ток», первый и второй входные транзисторы, первый и второй логарифмирующие p-n переходы, цепь согласования потенциалов, масштабирующий резистор, первый и второй источники опорного напряжения, первую и вторую группы вспомогательных транзисторов. 6 ил.

Аналоговый перемножитель напряжений, содержащий перемножающую ячейку Джильберта (1), противофазные токовые выходы которой (2) и (3) связаны с первой (4) шиной источника питания через симметричную цепь нагрузки (5), первый 6 и второй (7) токовые входы канала «Y» перемножающей ячейки Джильберта (1), соединенные с соответствующими токовыми выходами преобразователя «напряжение-ток» канала «Y» (8), первый (9) и второй (10) потенциальные входы канала «X» перемножающей ячейки Джильберта (1), связанные с коллекторами соответствующих первого (11) и второго (12) входных транзисторов, первый (13) и второй (14) логарифмирующие p-n переходы, первые выводы которых объединены и через цепь согласования потенциалов (15) связаны с шиной первого (4) источника питания, причем второй вывод первого (13) логарифмирующего p-n перехода соединен с коллектором первого (11) входного транзистора, а второй вывод второго (14) логарифмирующего p-n перехода соединен с коллектором второго (12) входного транзистора, масштабирующий резистор (16), включенный между эмиттерами первого (11) и второго (12) входных транзисторов, первый (17) источник опорного тока, включенный между эмиттером первого (11) входного транзистора и второй (18) шиной источника питания, второй (19) источник опорного тока, включенный между эмиттером второго (12) входного транзистора и второй (18) шиной источника питания, отличающийся тем, что в схему введены первая (20) и вторая (21) группы вспомогательных транзисторов, причем объединенные эмиттеры и базы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов первой (20) группы соединены с эмиттером первого (11) входного транзистора, объединенные эмиттеры и базы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов второй (21) группы соединены с эмиттером второго (12) входного транзистора, а коллекторы всех вспомогательных транзисторов первой (20) и второй (21) группы объединены и связаны с первой (4) шиной источника питания.