СМЕСИТЕЛЬ СИГНАЛОВ Российский патент 2012 года по МПК G06G7/12 H03F3/45 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в структуре радиоприемных устройств ВЧ- и СВЧ-диапазонов.

В современных системах телекоммуникаций в качестве смесителей двух сигналов (СС) находят применение различные модификации перемножающей ячейки Джильберта [1-24] (термин «ячейка Джильберта» широко используется в микроэлектронике, см., например, патент №7054609 и обозначает «перемножающую» архитектуру на основе двух дифференциальных каскадов с перекрестным включением коллекторов входных транзисторов).

Особое место в рассматриваемом классе смесителей занимают схемы СС, у которых один из перемножающих сигналов подается в эмиттерные цепи транзисторов, образующих входной преобразователь «напряжение-ток» канала «Y» [25-31]. Эти СС характеризуются высокими диапазонами рабочих частот, так как у них используются усилители с общей базой.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является аналоговый смеситель сигналов фиг.1, представленный в патенте фирмы Philips US 5825231 (данная архитектура присутствует также в патентах US 7514981, fig.6, EP 2235559 fig.3, US 4331929 fig.2 и др.). Он содержит перемножающую ячейку Гильберта (1) с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами и первым 4 и вторым 5 противофазными токовыми входами, источник сигнала 6 канала «X» 6, связанный с базами транзисторов перемножающей ячейки Гильберт 1, первый 7 выходной транзистор канала «Y», коллектор которого соединен со вторым 5 токовым входом перемножающей ячейки Гильберга, а эмиттер через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 9 шиной источника питания, второй 10 выходной транзистор канала «Y», эмиттер которого через второй 11 токостабилизирующнй двухполюсник связан с первой 9 шиной источника питания, источник сигнала канала «Y» 12, связанный с эмиттером второго 10 выходного транзистора канала «Y» через первый 13 разделительный конденсатор, третий 14 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с базой второго 10 выходного транзистора капала «Y», второй 15 разделительный конденсатор, цепь нагрузки 16, включенную между второй 17 шиной источника питания и первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами перемножающей ячейки Гильберта, которые связаны с первым 18 и вторым 19 потенциальными выходами устройства, третью общую шину источника питания.

Существенный недостаток известного смесителя состоит в том, что он имеет повышенные значения напряжения отрицательного источника питания 9 , что не позволяет применять такую архитектуру в низковольтных IP-модулях и СФ-блоках с

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения питания в сравнении с прототипом не менее чем на 1 В при использовании однофазного сигнала по каналу «Y».

Поставленная задача решается тем, что в аналоговом смесителе двух сигналов, содержащем перемножающую ячейку Гильберта (1) с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами и первым 4 и вторым 5 противофазными токовыми входами, источник сигнала 6 канала «X», связанный с базами транзисторов перемножающей ячейки Гильберта 1, первый 7 выходной транзистор канала «Y», коллектор которого соединен со вторым 5 токовым входом перемножающей ячейки Гильберта, а эмиттер через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 9 шиной источника питания, второй 10 выходной транзистор канала «Y», эмиттер которого через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 9 шиной источника питания, источник сигнала канала «Y» 12, связанный с эмиттером второго 10 выходного транзистора канала «Y» через первый 13 разделительный конденсатор, третий 14 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с базой второго 10 выходного транзистора канала «Y», второй 15 разделительный конденсатор, цепь нагрузки 16, включенную между второй 17 шиной источника питания и первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами перемножающей ячейки Гильберт, которые связаны с первым 18 и вторым 19 потенциальными выходами устройства, третью общую шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор второго 10 выходного транзистора канала «Y» соединен с первым 4 токовым входом перемножающей ячейки Гильберта, база второго 10 выходного транзистора канала «Y» соединена с базой первого 7 выходного транзистора канала «Y», а также базами первого 20 и второго 21 дополнительных транзисторов, которые соединены с коллекторами данных 20, 21 дополнительных транзисторов, причем эмиттер первого 20 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 10 выходного транзистора канала «Y», эмиттер второго 21 дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого 7 выходного транзистора капала «Y», а второй 15 разделительный конденсатор включен по переменному току между эмиттером второго 7 выходного транзистора канала «Y» и третьей общей шиной источника питания.

На фиг.1 представлена схема СС-прототипа, который содержит конкретное выполнение входной перемножающей ячейки Джильберта 1.

На фиг.2 представлена схема заявляемого СС в соответствии с формулой изобретения.

На фиг.3 представлена схема предлагаемого смесителя фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На фиг.4 приведена зависимость выходного дифференциального напряжения смесителя фиг.3 от напряжения u_x по каналу «Х» при разных напряжениях U_y канала «Y».

На фиг.5 показана зависимость модуля коэффициента усиления но напряжению К_у смесителя фиг.3 от напряжения управления u_y по каналу «Y».

На фиг.6 представлена осциллограмма выходного сигнала смесителя фиг.3, а на фиг.7 - спектр выходного сигнала смесителя-прототипа при f_x=1 МГц, f_y=10 кГц, u_x=10 мВ, u_y=10 мВ.

На фиг.8 показан спектр выходных сигналов заявляемого СС фиг.3 при f_y=1 МГц, f_x=10 кГц, u_x=10 мВ, u_y=10 мВ.

Заявляемый смеситель двух сигналов фиг.2 содержит перемножающую ячейку Гильберта (1) с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами и первым 4 и вторым 5 противофазными токовыми входами, источник сигнала 6 канала «X» 6, связанный с базами транзисторов перемножающей ячейки Гильберта 1, первый 7 выходной транзистор канала «Y», коллектор которого соединен со вторым 5 токовым входом перемножающей ячейки Гильберта, а эмиттер через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 9 шиной источника питания, второй 10 выходной транзистор канала «Y», эмиттер которого через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 9 шиной источника питания, источник сигнала канала «Y» 12, связанный с эмиттером второго 10 выходного транзистора канала «Y» через первый 13 разделительный конденсатор, третий 14 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с базой второго 10 выходного транзистора канала «Y», второй 15 разделительный конденсатор, цепь нагрузки 16, включенную между второй 17 шиной источника питания и первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами перемножающей ячейки Гильберта, которые связаны с первым 18 и вторым 19 потенциальными выходами устройства, третью общую шину источника питания, коллектор второго 10 выходного транзистора канала «Y» соединен с первым 4 токовым входом перемножающей ячейки Гильберта, база второго 10 выходного транзистора канала «Y» соединена с базой первого 7 выходного транзистора канала «Y», а также базами первого 20 и второго 21 дополнительных транзисторов, которые соединены с коллекторами данных 20, 21 дополнительных транзисторов, причем эмиттер первого 20 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 10 выходного транзистора канала «Y», эмиттер второго 21 дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого 7 выходного транзистора канала «Y», а второй 15 разделительный конденсатор включен по переменному току между эмиттером второго 7 выходного транзистора канала «Y» и третьей общей шиной источника питания.

На фиг.2 перемножающая ячейка Джильберта 1 реализована но классической схеме на транзисторах 20, 21, 22, 23. Цепь нагрузки 16 выполнена (в частном случае) на резисторах 24 и 25.

Рассмотрим работу СС фиг.2.

Синусоидальные напряжения первого смешиваемого сигнала u_x (на входах Вх.х, канала «X») и второго смешиваемого сигнала u_y (на входе Вх.у канала «Y») «перемножаются» традиционным образом в ячейке Джильберта 1.

Переменное входное напряжение канала u_y для диапазона частот, когда можно пренебречь сопротивлением первого 13 и второго 15 разделительных конденсаторов, создает токи эмиттера транзисторов 20 и 21:

где r_э20=r_э21=r_э - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 20 и 21;

φ_т=26 мВ - температурный потенциал;

2I₀ - статический ток третьего 14 токостабилизирующего двухполюсника.

Так как эмиттерно-базовые переходы транзисторов 20 и 10, а также 21 и 7 включены параллельно, коллекторные токи транзисторов 10 и 7, и соответственно, входные токи перемножающей ячейки Гильберта 1 будут противофазны. Это является необходимым условием качественного смещения сигналов.

Анализ фиг.4, а также фиг.5, 6, 7 и 8 показывает, что смеситель фиг.2 обеспечивает достаточно качественное преобразование сигналов u_x и u_y.

Для обеспечения работоспособности СС-прототипа минимально-возможное напряжение отрицательного источника питания находится из уравнения Кирхгофа:

В заявляемом СС фиг.2:

Таким образом, в предлагаемом устройстве минимальное напряжение питания отличается от напряжения питания СС-прототипа фиг.1 на величину:

В практических схемах с учетом реальных параметров элементов ΔE^(-)≥1÷1.5 В, что весьма существенно для СС с низковольтным питанием.

Таким образом, заявляемый смеситель двух сигналов имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом, а также другими СС с малым напряжением питания, использующим низковольтный однофазный вход по каналу «Y».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патентная заявка US №2008/113644.

2. Патентная заявка US №2006/0232334, fig.1.

3. Патент US №4.965.528. fig.2.

4. Патент US №6.744.308.

5. Патент US №7.633328.

6. Патент US №7,110.740.

7. Патентная заявка US №2009/0085663, fig.2.

8. Патент US №7.514.981. fig.1.

9. Авт.св. СССР №642843.

10. Патент US №5.933.771, fig.2.

11. Патент US №6.016.079, fig.4.

12. Патент US №5.057,784.

13. Патент US №4.286.226.

14. Патентная заявка US №2008/0261552, fig.1.

15. Патент US №6.373.345. fig.2.

16. Патентная заявка US №2010/0164595, fig.2.

17. Патентная заявка US №2010/0141325.

18. Патент US №4.344.188, fig.1, fig.3.

19. Патент ЕР 1455441.

20. Патент US №7.812.775, fig.20. fig, 16.

21. Патент ЕР 2235559, fig.3.

22. Патент US №7.676.212, fig.2.

23. Патентная заявка US №2008/0180156, fig.1, fig.5.

24. Патент US №5,825.231, fig.1.

25. Патент US №5.825.231, fig.7.

26. Патент US №7.514.981, fig.6.

27. Патент US №4.331.929.

28. Патент EP №2235559, fig.3.

29. Патент US №7.514.481, fig.5.

30. Патентная заявка US №2006/0232334, fig.7.

31. Патент DE №10351115, fig.3.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в структуре радиоприемных устройств ВЧ- и СВЧ-диапазонов. Технический результат заключается в уменьшении напряжения питания в сравнении с прототипом не менее чем на 1 В при использовании однофазного сигнала по каналу. Смеситель сигналов содержит перемножающую ячейку Гильберта, первый и второй выходные транзисторы канала «Y», первый и второй разделительные конденсаторы, с первого по третий токостабилизирующие двухполюсники, цепь нагрузки, первый и второй дополнительные транзисторы. 8 ил.

Смеситель сигналов, содержащий перемножающую ячейку Гильберта (1) с первым (2) и вторым (3) противофазными токовыми выходами и первым (4) и вторым (5) противофазными токовыми входами, источник сигнала (6) канала «X» (6), связанный с базами транзисторов перемножающей ячейки Гильберта (1), первый (7) выходной транзистор канала «Y», коллектор которого соединен со вторым (5) токовым входом перемножающей ячейки Гильберта, а эмиттер через первый (8) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (9) шиной источника питания, второй (10) выходной транзистор канала «Y», эмиттер которого через второй (11) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (9) шиной источника питания, источник сигнала канала «Y» (12), связанный с эмиттером второго (10) выходного транзистора канала «Y» через первый (13) разделительный конденсатор, третий (14) токостабилизируюший двухполюсник, связанный с базой второго (10) выходного транзистора канала «Y», второй (15) разделительный конденсатор, цепь нагрузки (16), включенную между второй (17) шиной источника питания и первым (2) и вторым (3) противофазными токовыми выходами перемножающей ячейки Гильберта, которые связаны с первым (18) и вторым (19) потенциальными выходами устройства, третью общую шину источника питания, отличающийся тем, что коллектор второго (10) выходного транзистора канала «Y» соединен с первым (4) токовым входом перемножающей ячейки Гильберта, база второго (10) выходного транзистора канала «Y» соединена с базой первого (7) выходного транзистора канала «Y», а также базами первого (20) и второго (21) дополнительных транзисторов, которые соединены с коллекторами данных (20), (21) дополнительных тратнзисторов, причем эмиттер первого (20) дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго (10) выходного транзистора канала «Y», эмиттер второго (21) дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого (7) выходного транзистора канала «Y», а второй (15) разделительный конденсатор включен по переменному току между эмиттером второго (7) выходного транзистора канала «Y» и третьей общей шиной источника питания.