Низковольтный аналоговый перемножитель напряжений

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: снижение напряжения питания меньше 1,5 В. Низковольтный аналоговый перемножитель напряжений содержит первый (1) дифференциальный каскад (ДК), второй (7) ДК, первый (2) и второй (3) токовые выходы первого (1) ДК связаны соответственно со вторым (9) и первым (8) токовыми выходами второго (7) ДК, второй (5) потенциальный вход первого (1) ДК соединен с первым (10) потенциальным входом второго (7) ДК и связан с первым (13) входом канала перемножения «X», первый (4) потенциальный вход первого (1) ДК соединен со вторым (11) потенциальным входом второго (7) ДК и связан со вторым (14) входом канала перемножения «X», а токовый вход (6) первого (1) ДК и токовый вход (12) второго (7) ДК соединены с первым (15) источником питания (ИП) соответственно через первый (16) и второй (17) токостабилизирующие двухполюсники, первый (2) и второй (3) токовые выходы первого (1) ДК связаны с цепью нагрузки (19), причем аналоговый перемножитель имеет также первый (20) вход канала перемножения «Y», второй (21) вход канала перемножения «Y». В схему введен первый (22), второй (23), третий (24) и четвертый (25) вспомогательные резисторы (Р), первый (26) и второй (27) прямо смещенные p-n переходы, первый вход 20 канала перемножения «Y» соединен с токовым входом (6) в общей эмиттерной цепи первого (1) ДК через последовательно соединенные третий (24) Р и первый (26) прямо смещенный p-n переход, второй вход (21) канала перемножения «Y» соединен с токовым входом (12) в общей эмиттерной цепи второго (7) ДК через последовательно соединенные четвертый (25) Р и второй (27) прямо смещенный p-n переход, причем первый (28) общий узел третьего (24) Р и первого (26) прямо смещенного p-n перехода соединен через первый (22) Р со вторым (18) ИП, а второй (29) общий узел четвертого (25) Р и второго (27) прямо смещенного p-n перехода соединен через второй (23) Р со вторым (18) ИП. 4 ил.

 

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 реализуется, в основном, на базе перемножающей ячейки Джильберта, которая совершенствовалась в более чем 30 патентах ведущих микроэлектронных фирм (смотри, например, [1-36]). Предлагаемое изобретение относится к данному классу устройств.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является аналоговый перемножитель напряжений (фиг.1), рассмотренный в патентной заявке США №2006/0232334, fig.1, содержащий первый 1 дифференциальный каскад, имеющий первый 2 и второй 3 токовые выходы, первый 4 и второй 5 потенциальные входы и токовый вход 6 в общей эмиттерной цепи первого 1 дифференциального каскада, второй 7 дифференциальный каскад, имеющий первый 8 и второй 9 токовые выходы, первый 10 и второй 11 потенциальные входы и токовый вход 12 в общей эмиттерной цепи второго 7 дифференциального каскада, причем первый 2 токовый выход первого 1 дифференциального каскада связан со вторым 9 токовым выходом второго 7 дифференциального каскада, а второй 3 токовый выход первого 1 дифференциального каскада связан с первым 8 токовым выходом второго 7 дифференциального каскада, второй 5 потенциальный вход первого 1 дифференциального каскада соединен с первым 10 потенциальным входом второго 7 дифференциального каскада и связан с первым 13 входом канала перемножения «X», первый 4 потенциальный вход первого 1 дифференциального каскада соединен со вторым 11 потенциальным входом второго 7 дифференциального каскада и связан со вторым 14 входом канала перемножения «X», токовый вход 6 первого 1 дифференциального каскада соединен с первым 15 источником питания через первый 16 токостабилизирующий двухполюсник, токовый вход 12 второго 7 дифференциального каскада соединен с первым 15 источником питания через второй 17 токостабилизирующий двухполюсник, первый 2 и второй 3 токовые выходы первого 1 дифференциального каскада связанны с цепью нагрузки 19, причем аналоговый перемножитель имеет также первый 20 вход канала перемножения «Y», второй 21 вход канала перемножения «Y».

Существенный недостаток известного перемножителя состоит в том, что он не работоспособен при низковольтном питании, например Е_п=±1,5 В. Это связано с его архитектурой, которая требует напряжения питания E_п≥±(3U_эб)≈2,1 В, где U_эб=0,7÷0,8 В - напряжение эмиттер-база биполярного транзистора.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в обеспечении работоспособности АПН при напряжениях питания меньше 1,5 В (выполнении, например, АПН на низковольтных SiGe транзисторах техпроцесса SGB25VD).

Поставленная цель достигается тем, что в АПН, содержащем первый 1 дифференциальный каскад, имеющий первый 2 и второй 3 токовые выходы, первый 4 и второй 5 потенциальные входы и токовый вход 6 в общей эмиттерной цепи первого 1 дифференциального каскада, второй 7 дифференциальный каскад, имеющий первый 8 и второй 9 токовые выходы, первый 10 и второй 11 потенциальные входы и токовый вход 12 в общей эмиттерной цепи второго 7 дифференциального каскада, причем первый 2 токовый выход первого 1 дифференциального каскада связан со вторым 9 токовым выходом второго 7 дифференциального каскада, а второй 3 токовый выход первого 1 дифференциального каскада связан с первым 8 токовым выходом второго 7 дифференциального каскада, второй 5 потенциальный вход первого 1 дифференциального каскада соединен с первым 10 потенциальным входом второго 7 дифференциального каскада и связан с первым 13 входом канала перемножения «X», первый 4 потенциальный вход первого 1 дифференциального каскада соединен со вторым 11 потенциальным входом второго 7 дифференциального каскада и связан со вторым 14 входом канала перемножения «X», токовый вход 6 первого 1 дифференциального каскада соединен с первым 15 источником питания через первый 16 токостабилизирующий двухполюсник, токовый вход 12 второго 7 дифференциального каскада соединен с первым 15 источником питания через второй 17 токостабилизирующий двухполюсник, первый 2 и второй 3 токовые выходы первого 1 дифференциального каскада связаны с цепью нагрузки 19, причем аналоговый перемножитель имеет также первый 20 вход канала перемножения «Y», второй 21 вход канала перемножения «Y», предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый 22, второй 23, третий 24 и четвертый 25 вспомогательные резисторы, первый 26 и второй 27 прямо смещенные p-n переходы, первый вход 20 канала перемножения «Y» соединен с токовым входом 6 в общей эмиттерной цепи первого 1 дифференциального каскада через последовательно соединенные третий 24 вспомогательный резистор и первый 26 прямо смещенный p-n переход, второй вход 21 канала перемножения «Y» соединен с токовым входом 12 в общей эмиттерной цепи второго 7 дифференциального каскада через последовательно соединенные четвертый 25 вспомогательный резистор и второй 27 прямо смещенный p-n переход, причем первый 28 общий узел третьего 24 вспомогательного резистора и первого 26 прямо смещенного p-n перехода соединен через первый 22 вспомогательный резистор со вторым 18 источником питания, а второй 29 общий узел четвертого 25 вспомогательного резистора и второго 27 прямо смещенного p-n перехода соединен через второй 23 вспомогательный резистор со вторым 18 источником питания.

На чертеже фиг.1 показана схема АПН-прототипа, а на чертеже фиг.2 - схема заявляемого АПН в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.3 приведена схема АПН фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертеже фиг.4 показана зависимость ее выходного напряжения от напряжений на входах каналов «X» и «Y». Такой режим характеризует перемножающие свойства АПН. Эти графики показывают, что заявляемый АПН является четырехквадрантным перемножителем. При этом погрешность перемножения γ может быть достаточно малой (γ≤0,2%).

Заявляемый АПН фиг.2 содержит первый 1 дифференциальный каскад, имеющий первый 2 и второй 3 токовые выходы, первый 4 и второй 5 потенциальные входы и токовый вход 6 в общей эмиттерной цепи первого 1 дифференциального каскада, второй 7 дифференциальный каскад, имеющий первый 8 и второй 9 токовые выходы, первый 10 и второй 11 потенциальные входы и токовый вход 12 в общей эмиттерной цепи второго 7 дифференциального каскада, причем первый 2 токовый выход первого 1 дифференциального каскада связан со вторым 9 токовым выходом второго 7 дифференциального каскада, а второй 3 токовый выход первого 1 дифференциального каскада связан с первым 8 токовым выходом второго 7 дифференциального каскада, второй 5 потенциальный вход первого 1 дифференциального каскада соединен с первым 10 потенциальным входом второго 7 дифференциального каскада и связан с первым 13 входом канала перемножения «X», первый 4 потенциальный вход первого 1 дифференциального каскада соединен со вторым 11 потенциальным входом второго 7 дифференциального каскада и связан со вторым 14 входом канала перемножения «X», токовый вход 6 первого 1 дифференциального каскада соединен с первым 15 источником питания через первый 16 токостабилизирующий двухполюсник, токовый вход 12 второго 7 дифференциального каскада соединен с первым 15 источником питания через второй 17 токостабилизирующий двухполюсник, первый 2 и второй 3 токовые выходы первого 1 дифференциального каскада связаны с цепью нагрузки 19, причем аналоговый перемножитель имеет также первый 20 вход канала перемножения «Y», второй 21 вход канала перемножения «Y». В схему введен первый 22, второй 23, третий 24 и четвертый 25 вспомогательные резисторы, первый 26 и второй 27 прямо смещенные p-n переходы, первый вход 20 канала перемножения «Y» соединен с токовым входом 6 в общей эмиттерной цепи первого 1 дифференциального каскада через последовательно соединенные третий 24 вспомогательный резистор и первый 26 прямо смещенный p-n переход, второй вход 21 канала перемножения «Y» соединен с токовым входом 12 в общей эмиттерной цепи второго 7 дифференциального каскада через последовательно соединенные четвертый 25 вспомогательный резистор и второй 27 прямо смещенный p-n переход, причем первый 28 общий узел третьего 24 вспомогательного резистора и первого 26 прямо смещенного p-n перехода соединен через первый 22 вспомогательный резистор со вторым 18 источником питания, а второй 29 общий узел четвертого 25 вспомогательного резистора и второго 27 прямо смещенного p-n перехода соединен через второй 23 вспомогательный резистор со вторым 18 источником питания.

Рассмотрим работу АПН фиг.2.

В статическом режиме (u_x=0, u_у=0) эмиттерные токи транзисторов первого 1 и второго 7 дифференциальных каскадов устанавливаются двухполюсниками 16 и 22, 17 и 23. При этом входные токи канала «Y» (токи через резисторы 24 и 25) близки к нулю.

Для выполнения операции перемножения двух напряжений u_x и u_у в АПН фиг.2 необходимо обеспечить противофазное изменение токов в общих эмиттерных цепях 6 и 12 дифференциальных каскадов под действием напряжений u_у и канала «Y». В заявляемой схеме АПН этот эффект реализуется следующим образом.

Если u_у и получают приращение, а u_x≈0, то ток через резистор 24 и ток через резистор 25 изменяются пропорционально u_у:

где R₂₄, R₂₅ - сопротивления резисторов 24, 25 (R₂₄=R₂₅>>r_э)

- крутизна преобразования напряжения u_у в токи , ;

r_эi - дифференциальное сопротивление p-n переходов схемы.

Поэтому коэффициент усиления по напряжению K_u1 каскада 1 уменьшается, а каскада 7 (K_u2) увеличивается:

где I₁=I₇ - суммарный статический ток эмиттеров транзисторов первого 1 и второго 7 дифференциальных каскадов;

φ_T≈25 мВ - температурный потенциал;

Р_н.экв - эквивалентное сопротивление нагрузки 19 АПН в узле 9.

Поэтому переменное выходное напряжение АПН пропорционально произведению u_x и u_y:

Следует заметить, что в схеме фиг.2 каналы передачи напряжения u_x от источников сигналов u_x и идентичны, что расширяет полосу пропускания АПН особенно при малых величинах u_у, u_x.

Схема фиг.2 имеет малые значения паразитной емкости в узлах 6 и 12, что улучшает ее перемножающие свойства в области высоких частот по каналу «X».

Замечательная особенность схемы фиг.2 - подавление передачи сигнала u_у на выходы Вых.1 и Вых.2. Действительно, при изменении тока в эмиттерах транзисторов первого 1 дифференциального каскада их коллекторные токи изменяются пропорционально u_у. Однако противофазно изменяются и коллекторные токи транзисторов второго 7 каскада, что стабилизирует статическое напряжение на резисторах цепи нагрузки 19.

Таким образом, предлагаемое техническое решение является альтернативой широко распространенным АПН с классической архитектурой [1-36] и характеризуется более высокими качественными параметрами.

Что касается диапазона линейной работы АПН фиг.2 по каналу «X», то он, также как и в АПН-прототипе, достаточно мал (10-50 мВ). Это позволяет использовать АПН фиг.2 в качестве низковольтного смесителя двух сигналов u_x и u_у. Для повышения диапазона перемножения по каналу «X» следует использовать традиционный схемотехнический прием - включение по входу «X» логарифмирующих диодов.

Представленные на чертеже фиг.4 зависимости подтверждают, что заявляемое устройство выполняет функции перемножителя напряжений. Однако в отличие от АПН-прототипа предлагаемая схема работоспособна при напряжении питания Е_п≥±(1÷1,2) В, что позволяет рекомендовать ее для микросхем с топологическими нормами менее 0,18 мкм.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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.

Низковольтный аналоговый перемножитель напряжений, содержащий первый (1) дифференциальный каскад, имеющий первый (2) и второй (3) токовые выходы, первый (4) и второй (5) потенциальные входы и токовый вход (6) в общей эмиттерной цепи первого (1) дифференциального каскада, второй (7) дифференциальный каскад, имеющий первый (8) и второй (9) токовые выходы, первый (10) и второй (11) потенциальные входы и токовый вход (12) в общей эмиттерной цепи второго (7) дифференциального каскада, причем первый (2) токовый выход первого (1) дифференциального каскада связан со вторым (9) токовым выходом второго (7) дифференциального каскада, а второй (3) токовый выход первого (1) дифференциального каскада связан с первым (8) токовым выходом второго (7) дифференциального каскада, второй (5) потенциальный вход первого (1) дифференциального каскада соединен с первым (10) потенциальным входом второго (7) дифференциального каскада и связан с первым (13) входом канала перемножения «X», первый (4) потенциальный вход первого (1) дифференциального каскада соединен со вторым (11) потенциальным входом второго (7) дифференциального каскада и связан со вторым (14) входом канала перемножения «X», токовый вход (6) первого (1) дифференциального каскада соединен с первым (15) источником питания через первый (16) токостабилизирующий двухполюсник, токовый вход (12) второго (7) дифференциального каскада соединен с первым (15) источником питания через второй (17) токостабилизирующий двухполюсник, первый (2) и второй (3) токовые выходы первого (1) дифференциального каскада связанны с цепью нагрузки (19), причем аналоговый перемножитель имеет также первый (20) вход канала перемножения «Y», второй (21) вход канала перемножения «Y», отличающийся тем, что в схему введен первый (22), второй (23), третий (24) и четвертый (25) вспомогательные резисторы, первый (26) и второй (27) прямо смещенные p-n переходы, первый вход (20) канала перемножения «Y» соединен с токовым входом (6) в общей эмиттерной цепи первого (1) дифференциального каскада через последовательно соединенные третий (24) вспомогательный резистор и первый (26) прямо смещенный p-n переход, второй вход (21) канала перемножения «Y» соединен с токовым входом (12) в общей эмиттерной цепи второго (7) дифференциального каскада через последовательно соединенные четвертый (25) вспомогательный резистор и второй (27) прямо смещенный p-n переход, причем первый (28) общий узел третьего (24) вспомогательного резистора и первого (26) прямо смещенного p-n перехода соединен через первый (22) вспомогательный резистор со вторым (18) источником питания, а второй (29) общий узел четвертого (25) вспомогательного резистора и второго (27) прямо смещенного p-n перехода соединен через второй (23) вспомогательный резистор со вторым (18) источником питания.