Широкополосный дифференциальный аттенюатор

Изобретение относится к области измерительной техники. Технический результат: расширение диапазона рабочих частот устройства и повышение его быстродействия при работе с импульсными противофазными сигналами большой амплитуды. Для этого предложен широкополосный дифференциальный аттенюатор, который содержит первый вход и первый выход устройства, между которыми включен первый резистор, второй резистор, включенный по переменному току между первым выходом устройства и общей шиной, первый конденсатор нагрузки, включенный параллельно втором резистору, первый корректирующий конденсатор, второй противофазный вход и второй противофазный выход, между которыми включен третий резистор, четвертый резистор, включенный по переменному току между вторым противофазным выходом и общей шиной, второй конденсатор нагрузки, включенный параллельно четвертому резистору, второй корректирующий конденсатор. Первый выход устройства соединен со вторым противофазным выходом устройства через последовательно соединенные первый корректирующий конденсатор и первый дополнительный инвертирующий усилитель тока, а второй противофазный выход устройства соединен с первым выходом устройства через последовательно соединенные второй корректирующий конденсатор и второй дополнительный инвертирующий усилитель тока. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

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 C₀ 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 4837530, US 4839611 fig.2, US 7477085, EP 2337.219 fig.2] и параллельных АЦП [патенты US 8076995 fig.1, 2, 7394420 fig.2, 7253700 fig.1, 5231399 fig.2, 6437724, патентные заявки US 2007/0176664 fig.5, 2008/0036536 fig.43, патенты US 5307067 fig.3, 7248192 fig.5].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является дифференциальный резистивный делитель напряжения фиг.1, представленный в патентной заявке фирмы Analog Devices US 2008/0024222. 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 корректирующий конденсатор 7, 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, K₀₂) 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_кm - 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 K₀₁=R₄/(R₄+R₃), K₀₂=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 корректирующий конденсатор 7, 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 соединен со вторым 9 противофазным выходом устройства через последовательно соединенные первый 7 корректирующий конденсатор и первый 14 дополнительный инвертирующий усилитель тока, а второй 9 противофазный выход устройства соединен с первым 2 выходом устройства через последовательно соединенные второй 13 корректирующий конденсатор и второй 15 дополнительный инвертирующий усилитель тока.

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 представлена схема заявляемого устройства фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice.

На чертеже фиг.4 приведены результаты компьютерного моделирования частотной зависимости дифференциального коэффициента передачи AT фиг.3 при разных значениях емкостей первого 7 и второго 13 корректирующих конденсаторов. Из данного графика видно, что при значении емкостей C_к1=C_к2=1,9 пФ (C₇=C₁₃=1,9 пФ фиг.2) диапазон рабочих частот AT фиг.3 увеличивается почти в 200 раз.

Широкополосный дифференциальный аттенюатор 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 корректирующий конденсатор 7, 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 соединен со вторым 9 противофазным выходом устройства через последовательно соединенные первый 7 корректирующий конденсатор и первый 14 дополнительный инвертирующий усилитель тока, а второй 9 противофазный выход устройства соединен с первым 2 выходом устройства через последовательно соединенные второй 13 корректирующий конденсатор и второй 15 дополнительный инвертирующий усилитель тока.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 14 и второй 15 дополнительные неинвертирующие усилители тока имеют коэффициенты передачи по току K_i=K_i15=K_i14 больше единицы (K_i>1), низкое входное и высокое выходное сопротивления, а емкости первого 7 и второго 13 корректирующих конденсаторов удовлетворяют условию

$$C_7\approx C_{13}=\frac{C_6}{K_i-1}$$ .

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.

Комплекс выходного напряжения AT для первого 2 выхода

где K₀=R₄/(R₄+R₃) - коэффициент передачи AT в диапазоне низких частот;

R_3.4=R₃R₄/(R₃+R₄);

$${\dot{K}}_{ac}=\frac{{\dot{U}}_{вых.2}}{{\dot{U}}_{вых.1}}\approx 1$$ - комплексный коэффициент асимметрии AT по выходам;

$${\dot{K}}_{i15}=K_{i15}$$ - комплексный коэффициент передачи по току второго 15 дополнительного инвертирующего усилителя тока.

Из (1) следует, коэффициент передачи AT $${\dot{K}}_{п1}={\dot{U}}_{вых.1}/{\dot{U}}_{вх.1}$$ не будет зависеть от частоты входных сигналов, если сомножитель jω в уравнении (1) будет равен нулю, т.е.

$$C_6+C_7=K_{i15}{C}_{13}.(2)$$

Таким образом, для существенного расширения диапазона рабочих частот AT фиг.2 необходимо, чтобы при C₁₃=C₇ выполнялось условие:

$$\frac{C_{13}}{C_6}=\frac{1}{K_{il5}-1}=\frac{1}{K_i-1}.\text{ (3)}$$

Так, например, при K_i15=2 должно быть C₁₃=C₆=C₇.

Аналогичные требования предъявляются к конденсаторам 12 и 7, а также усилителю тока 14.

Замечательная особенность заявляемого AT состоит в том, что условие существенного расширения диапазона рабочих частот (2) не зависит от сопротивлений резисторов схемы.

Действительно, верхняя граничная частота AT (по уровню - 3 дБ) слабо зависит от сопротивлений резисторов 3 и 4, если выполняется условие (3):

$$f_{в}=\frac{1}{2\pi R_{3.4}[C_6+C_7-K_{i15}{C}_{13}]}.(4)$$

Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.4).

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 5043675 fig.3.

2. Патентная заявка US 2008/0024222.

3. Патент EP 2273677 fig.4.

4. Патент US 7162375 fig.1.

1. Широкополосный дифференциальный аттенюатор, 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 корректирующий конденсатор (7), 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 соединен со вторым (9) противофазным выходом устройства через последовательно соединенные первый (7) корректирующий конденсатор и первый (14) дополнительный инвертирующий усилитель тока, а второй (9) противофазный выход устройства соединен с первым (2) выходом устройства через последовательно соединенные второй (13) корректирующий конденсатор и второй (15) дополнительный инвертирующий усилитель тока.

2. Широкополосный дифференциальный аттенюатор по п.1, отличающийся тем, что первый (14) и второй (15) 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 условию
$$C_7\approx C_{13}=\frac{C_6}{K_i-1}.$$