Аналоговый перемножитель напряжений



Аналоговый перемножитель напряжений
Аналоговый перемножитель напряжений
Аналоговый перемножитель напряжений
Аналоговый перемножитель напряжений
Аналоговый перемножитель напряжений
Аналоговый перемножитель напряжений
Аналоговый перемножитель напряжений
Аналоговый перемножитель напряжений

 


Владельцы патента RU 2439694:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

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. 8 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 (АПН) современных систем связи и телекоммуникаций реализуется, в основном, на базе перемножающей ячейки Джильберта, которая совершенствовалась в более чем 50 патентах ведущих микроэлектронных фирм (смотри, например, [1-36]). Предполагаемое 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 этого 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 цель предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот (полосы пропускания) АПН.

Поставленная цель 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 коллекторы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов первой 20 группы соединены с эмиттером первого 11 входного транзистора, коллекторы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов второй 21 группы соединены с эмиттером второго 12 входного транзистора, эмиттеры и базы всех вспомогательных транзисторов первой 20 и второй 21 группы объединены и связаны со второй 18 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.2 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 первой 20 и второй 21 группы вспомогательных транзисторов с различными площадями эмиттерных переходов при сопротивлении масштабирующего резистора 16, равном R16=200 Ом, и напряжении управления по каналу «Y», равном Vу=100 мВ.

На чертеже фиг.6 показана зависимость коэффициента усиления АПН фиг.4 от частоты при сопротивлении масштабирующего резистора 16 R16=200 Ом и другом напряжении управления по каналу «Y», равном Vу=200 мВ.

Чертеж фиг.7 иллюстрирует зависимость коэффициента усиления АПН от частоты при подключении первой 20 и второй 21 группы вспомогательных транзисторов с различными площадями эмиттерных переходов при сопротивлении масштабирующего резистора 16 R16=1 кОм и напряжении управления по каналу «Y», равном Vу=100 мВ.

На чертеже фиг.8 приведена зависимость коэффициента усиления АПН от частоты при подключении первой 20 и второй 21 группы вспомогательных транзисторов с различными площадями эмиттерных переходов при сопротивлении масштабирующего резистора 16 R16=1 кОм и другом напряжении управления по каналу «Y», равном Vу=200 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 коллекторы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов первой 20 группы соединены с эмиттером первого 11 входного транзистора, коллекторы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов второй 21 группы соединены с эмиттером второго 12 входного транзистора, эмиттеры и базы всех вспомогательных транзисторов первой 20 и второй 21 группы объединены и связаны со второй 18 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 uх и uу в схеме фиг.3 необходимо с помощью преобразователя «напряжение-ток» канала «Y» 8 обеспечить преобразование управляющего напряжения uу 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 каскада на транзисторах 37, 38 (фиг.2) уменьшается. Поэтому, переменное выходное напряжение АПН пропорционально произведению напряжений uх и uу:

где RH.ЭКВ - эквивалентное сопротивление цепи симметричной нагрузки 5;

φт ≈ 26 мВ - температурный потенциал.

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 uх и uу 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÷6 и зависит от выбранной площади эмиттерных переходов и геометрии элементарных транзисторов.

Действительно, анализ графиков фиг.5-фиг.8 показывает, что выигрыш по верхней граничной частоте коэффициента усиления (по уровню -3дБ), который обеспечивает введение первой 20 и второй 21 группы вспомогательных транзисторов, лежит в пределах от 8 ГГц до 12 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 16÷24 ГГц, вместо 9÷10 ГГц.

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

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

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 коллекторы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов первой (20) группы соединены с эмиттером первого (11) входного транзистора, коллекторы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов второй (21) группы соединены с эмиттером второго (12) входного транзистора, эмиттеры и базы всех вспомогательных транзисторов первой (20) и второй (21) группы объединены и связаны со второй (18) шиной источника питания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, СВЧ-усилителях, логарифмирующих каскадах, аналоговых перемножителях и смесителях сигналов и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, решающих усилителях (ОУ), компараторах, мостовых усилителях мощности и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, решающих усилителях (ОУ), компараторах и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, прецизионных операционных усилителях, стабилизаторах напряжения, компараторах).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, ВЧ и СВЧ-усилителях, фильтрах, драйверах линий связи и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, ВЧ и СВЧ-усилителях и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, SiGe-решающих усилителях, СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, SiGe-операционных усилителях (ОУ), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ- и СВЧ-диапазонов).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях с повышенным коэффициентом усиления по напряжению и малым смещением нуля).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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
Наверх