ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ АТТЕНЮАТОР С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РАБОЧИХ ЧАСТОТ Российский патент 2014 года по МПК H01P1/22 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, электротехники, радиотехники, связи и может использоваться в структуре различных интерфейсов, радиоизмерительных приборах, быстродействующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и т.п.

Известно, что дифференциальные структуры имеют ряд преимуществ в сравнении с недифференциальными устройствами обработки сигналов. В этой связи в информационно-измерительной технике, связи, автоматике и радиотехнике находят применение дифференциальные резистивные делители двух противофазных (u_вх и $${\overline{u}}_{вх}$$ ) входных напряжений - аттенюаторы (AT), обеспечивающие заданное деление (ослабление) входных противофазных сигналов (u_вх.1, $${\overline{u}}_{вх.2}$$ ) [1-4]. В переменных аттенюаторах с повышением частоты u_вх.1=u_вх.2 возникают существенные погрешности передачи, обусловленные влиянием паразитных конденсаторов С₀ дифференциальной цепи нагрузки, которая образуется, например, в параллельных АЦП входными емкостями компараторов. Снижение этих погрешностей - одна из проблем современной информационно-измерительной техники, которая решается сегодня как за счет схемотехники AT, так и за счет конструктивных особенностей входных цепей (например, специальных «щупов» СВЧ-вольтметров, осциллографов, антенных систем радиоприемников и т.п.).

В связи с достаточно широким применением резистивных аттенюаторов в различных областях техники они присутствуют в различных классах МПК (H03H 7/24, A61B, G01R 31/02, H01P 1/22, H03K 5/08, H03L 5/00, G01R 27/00, G05F 3/00, H01H 47/00, H03G 3/20).

Предлагаемое схемотехническое решение относится к подклассу аттенюаторов, в которых коэффициент передачи может изменяться в широких пределах за счет изменения сопротивлений резисторов, образующих его структуру. Такие задачи характерны при проектировании цифроуправляемых аттенюаторов [патенты US 4.837.530, US 4.839.61 1 fig.2, US 7.477.085, EP 2.337.219 fig. 2] и параллельных АЦП [патенты US 8.076.995 fig. 1, 2, 7.394.420 fig.2, 7.253.700 fig. 1, 5.231.399 fig.2, 6.437.724, патентные заявки US 2007/0176664 fig. 5, 2008/0036536 fig. 43, патенты US 5.307.067 fig.3, 7.248.192 fig.5].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является резистивный делитель напряжения (аттенюатор) фиг.1, представленный в патенте US 7.162.375 fig. 1. Он имеет первый 1 вход и первый 2 выход устройства, между которыми включен первый 3 резистор, второй 4 резистор, включенный по переменному току между первым 2 выходом устройства и общей шиной 5, первый 6 конденсатор нагрузки, включенный параллельно второму 4 резистору, первый 7 корректирующий конденсатор, второй 8 противофазный вход и второй 9 противофазный выход, между которыми включен третий 10 резистор, четвертый 11 резистор, включенный по переменному току между вторым 9 противофазным выходом и общей шиной 5, второй 12 конденсатор нагрузки, включенный параллельно четвертому 11 резистору, второй 13 корректирующий конденсатор.

Существенный недостаток аттенюатора-прототипа (фиг.1) состоит в том, что при переменных коэффициентах передачи AT (K₀₁, К₀₂) с повышением частоты входного сигнала его дифференциальный коэффициент передачи существенно уменьшается из-за шунтирующего влияния эквивалентной емкости первого 6 и второго 12 конденсаторов цепи нагрузки. Это объясняется разбалансировкой условий классической частотной коррекции AT, которая сводится к строгому обеспечению равенств C₇R₃=C₆R₄, C₁₃R₁₀=C₁₂R₁₁, где C_ij, R_km - соответствующие емкости и сопротивления резисторов схемы фиг.1.

На практике изменение K₀₁, K₀₂ осуществляется использованием, например, вместо резисторов 4 и 11 управляемых по затвору идентичных полевых транзисторов или других цифроуправляемых импедансов.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот устройства и повышении его быстродействия при работе с импульсными противофазными сигналами большой амплитуды. Причем достижение данных качественных показателей обеспечивается в широком диапазоне изменения коэффициентов передачи секций AT (K₀), которые определяются отношениями сопротивлений резисторов К₀₁=R₄/(R₄+R₃), К₀₂=R₁₁/(R₁₁+R₁₀).

Поставленная задача достигается тем, что в аттенюаторе фиг.1, содержащем первый 1 вход и первый 2 выход устройства, между которыми включен первый 3 резистор, второй 4 резистор, включенный по переменному току между первым 2 выходом устройства и общей шиной 5, первый 6 конденсатор нагрузки, включенный параллельно второму 4 резистору, первый 7 корректирующий конденсатор, второй 8 противофазный вход и второй 9 противофазный выход, между которыми включен третий 10 резистор, четвертый 11 резистор, включенный по переменному току между вторым 9 противофазным выходом и общей шиной 5, второй 12 конденсатор нагрузки, включенный параллельно четвертому 11 резистору, второй 13 корректирующий конденсатор, предусмотрены новые элементы и связи - первый 2 выход устройства связан со входом 14 первого 15 дополнительного неинвертирующего усилителя тока через первый 7 корректирующий конденсатор, причем токовый выход первого 15 дополнительного неинвертирующего усилителя тока соединен с первым 2 выходом устройства, а второй 9 противофазный выход устройства связан со входом 16 второго 17 дополнительного неинвертирующего усилителя тока через второй 13 корректирующий конденсатор, причем токовый выход второго 17 дополнительного неинвертирующего усилителя тока соединен со вторым 9 противофазным выходом устройства.

На чертеже фиг.1 приведена схема аттенюатора - прототипа.

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

На чертеже фиг.3 приведена схема аттенюатора фиг.2 в структуре АЦП в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов (транзисторы SiGe: npn 200-n; техпроцесса SG25H1, IHP, Ik.max=4 мА. A high-performance 0.25 µm technology with npn-HBTs up to f_Т/f_max=180/220 GHz).

На чертеже фиг.4 показана логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента передачи аттенюатора фиг.3.

Дифференциальный аттенюатор с расширенным диапазоном рабочих частот фиг.2 содержит первый 1 вход и первый 2 выход устройства, между которыми включен первый 3 резистор, второй 4 резистор, включенный по переменному току между первым 2 выходом устройства и общей шиной 5, первый 6 конденсатор нагрузки, включенный параллельно второму 4 резистору, первый 7 корректирующий конденсатор, второй 8 противофазный вход и второй 9 противофазный выход, между которыми включен третий 10 резистор, четвертый 11 резистор, включенный по переменному току между вторым 9 противофазным выходом и общей шиной 5, второй 12 конденсатор нагрузки, включенный параллельно четвертому 11 резистору, второй 13 корректирующий конденсатор. Первый 2 выход устройства связан со входом 14 первого 15 дополнительного неинвертирующего усилителя тока через первый 7 корректирующий конденсатор, причем токовый выход первого 15 дополнительного неинвертирующего усилителя тока соединен с первым 2 выходом устройства, а второй 9 противофазный выход устройства связан со входом 16 второго 17 дополнительного неинвертирующего усилителя тока через второй 13 корректирующий конденсатор, причем токовый выход второго 17 дополнительного неинвертирующего усилителя тока соединен со вторым 9 противофазным выходом устройства.

Дополнительные усилители тока 15 и 17 согласованы в частном случае с отрицательным источником питания 18. Выходные сигналы AT (фиг.2) поступают для дальнейшей обработки на разностный усилитель 19.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 15 и второй 17 дополнительные неинвертирующие усилители тока имеют коэффициенты передачи по току больше единицы, низкое входное и высокое выходное сопротивления, а емкости конденсаторов 6, 12, 7 и 13 удовлетворяют условиям

$$\frac{C_{12}}{K_{i17}-1}\approx C_{13};{\text{ C}}_{\text{7}}\approx \frac{C_6}{K_{i15}-1},$$

где K_i15=K_i17 - коэффициенты передачи по току первого 15 и второго 17 дополнительных неинвертирующих усилителей тока.

Рассмотрим работу устройства (фиг.2).

Комплексный коэффициент передачи AT (фиг.2) в комплексной форме для первого 2 выхода определяется уравнением

$${\dot{K}}_{п1}\left(j\omega \right)=\frac{K_{01}}{1+j\omega R_{3.4}\left[C_6+C_7\left(1-K_{i15}\right)\right]}=\frac{{\dot{U}}_{вых.1}}{{\dot{U}}_{вх.1}},\text{ (1)}$$

где R_3.4=R₃R₄/(R₃+R₄);

K01=R₄/(R₄+R₃);

C₆, C₇ - емкости конденсаторов 6 и 7;

K_i15 - коэффициент передачи по току дополнительного усилителя тока 15.

Из уравнения (1) можно найти, что при выполнении условия

$$C_7=\frac{C_6}{K_{i15}-1}\text{ (2)}$$

коэффициент передачи AT (1) не зависит от частоты входного сигнала. Аналогичными свойствами обладает и коэффициент передачи AT для второго 9 выхода.

Таким образом, заявляемая схема AT характеризуется более широким диапазоном рабочих частот, который при выполнении равенства (2) и C₇=C₁₃, C₆=C₁₂ не зависит от сопротивлений резисторов 4 и 11. Данное свойство AT (фиг.2) позволяет использовать вместо резисторов 4 и 11, например, полевые транзисторы с управляемым по затвору их сопротивлением сток-исток.

Из графиков фиг.4 в частности следует, что диапазон рабочих частот предлагаемого аттенюатора расширяется до 13,6 ГГц, в то время как верхняя граничная частота классического аттенюатора, когда C_k=C₇=C₁₃=0 (по уровню - 3дБ), имеет значение 1,9 ГГц.

Моделирование показывает, что при изменении сопротивления резисторов 4 (R4) и 11 (R11) в 10 раз верхняя граничная частота коэффициента передачи заявляемого аттенюатора практически не изменяется.

Выполненный выше анализ, а также результаты компьютерного моделирования показывают, что в схеме фиг.2 решена одна из проблем современной аналоговой микросхемотехники - расширение частотного диапазона и повышение быстродействия дифференциальных аттенюаторов сигналов, являющихся базовым узлом аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 5.043.675, fig. 3.

2. Патентная заявка US 2008/0024222.

3. Патент EP 2273677, fig. 4.

4. Патент US 7.162.375, fig. 1.

Изобретение относится к устройству дифференциального аттенюатора. Техническим результатом является повышение быстродействия устройства при работе с импульсными противофазными сигналами большой амплитуды. Устройство содержит первый (1) вход, первый (2) выход, первый (3) резистор, второй (4) резистор, общую шину (5), первый (6) конденсатор нагрузки, второй (4) резистор, первый (7) корректирующий конденсатор, второй (8) противофазный вход, второй (9) противофазный выход, третий (10) резистор, четвертый (11) резистор, второй (12) конденсатор нагрузки, второй (13) корректирующий конденсатор. В устройстве его первый (2) выход связан со входом (14) первого (15) дополнительного неинвертирующего усилителя тока через первый (7) корректирующий конденсатор, токовый выход первого (15) дополнительного неинвертирующего усилителя тока соединен с первым (2) выходом устройства, второй (9) противофазный выход устройства связан со входом (16) второго (17) дополнительного неинвертирующего усилителя тока через второй (13) корректирующий конденсатор, токовый выход второго (17) дополнительного неинвертирующего усилителя тока соединен со вторым (9) противофазным выходом устройства. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Дифференциальный аттенюатор с расширенным диапазоном рабочих частот, содержащий первый (1) вход и первый (2) выход устройства, между которыми включен первый (3) резистор, второй (4) резистор, включенный по переменному току между первым (2) выходом устройства и общей шиной (5), первый (6) конденсатор нагрузки, включенный параллельно второму (4) резистору, первый (7) корректирующий конденсатор, второй (8) противофазный вход и второй (9) противофазный выход, между которыми включен третий (10) резистор, четвертый (11) резистор, включенный по переменному току между вторым (9) противофазным выходом и общей шиной (5), второй (12) конденсатор нагрузки, включенный параллельно четвертому (11) резистору, второй (13) корректирующий конденсатор, отличающийся тем, что первый (2) выход устройства связан со входом (14) первого (15) дополнительного неинвертирующего усилителя тока через первый (7) корректирующий конденсатор, причем токовый выход первого (15) дополнительного неинвертирующего усилителя тока соединен с первым (2) выходом устройства, а второй (9) противофазный выход устройства связан со входом (16) второго (17) дополнительного неинвертирующего усилителя тока через второй (13) корректирующий конденсатор, причем токовый выход второго (17) дополнительного неинвертирующего усилителя тока соединен со вторым (9) противофазным выходом устройства.

2. Дифференциальный аттенюатор с расширенным диапазоном рабочих частот по п.1, отличающийся тем, что первый (15) и второй (17) дополнительные неинвертирующие усилители тока имеют коэффициенты передачи по току больше единицы, низкое входное и высокое выходное сопротивления, а емкости первого (7) и второго (13) корректирующих конденсаторов удовлетворяют условиям

где K_i15, K_i17 - коэффициенты передачи по току первого (15) и второго (17) дополнительных неинвертирующих усилителей тока;
C₆, C₁₂ - емкости первого 6 и второго 12 конденсаторов нагрузки.