Широкополосный аттенюатор с управляемым коэффициентом передачи

Изобретение относится к области измерительной техники, электротехники, радиотехники, связи и может использоваться в структуре различных интерфейсов, измерительных приборах, быстродействующих аналого-цифровых (АЦП) и цифроаналоговых (ПАП) преобразователях. Технический результат - существенное расширение диапазона рабочих частот устройства и повышение его быстродействия при работе с импульсными сигналами большой амплитуды. Причем достижение данных качественных показателей обеспечивается в широком диапазоне изменения коэффициентов передачи AT (K₀), который определяется отношением K₀=R₆/(R₆+R₃). Это является одной из замечательных особенностей предлагаемого устройства, которая расширяет области его применения, например, в широкополосных цифроуправляемых аттенюаторах, R-2R делителей напряжения быстродействующих аналого-цифровых преобразователей и т.п. Широкополосный аттенюатор с управляемым коэффициентом передачи содержит вход (1) и выход (2) устройства, между которыми включен первый (3) резистор, источник входного напряжения (4), включенный по переменному току между общей шиной (5) и входом устройства (1), второй резистор (6), включенный по переменному току между выходом устройства (2) и общей шиной (5), конденсатор цепи нагрузки (7), включенный по переменному току между выходом устройства (2) и общей шиной (5), корректирующий конденсатор (8). Выход устройства (2) связан по переменному току со входом неинвертирующего усилителя напряжения (9), между выходом неинвертирующего усилителя напряжения (9) и выходом (2) устройства включен корректирующий конденсатор (8). 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

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

В устройствах информационно-измерительной техники и связи широкое применение находят резистивные делители напряжения - аттенюаторы (AT), обеспечивающие заданное деление (ослабление) входного напряжения (u_вх) [1-9]. С повышением частоты u_вх в таких аттенюаторах возникают существенные погрешности передачи сигнала, обусловленные влиянием паразитного конденсатора С₀ цепи нагрузки, которая образуется, например, в параллельных АЦП входной емкостью компаратора. Снижение этих погрешностей - одна из проблем современной информационно-измерительной техники, которая решается сегодня как за счет схемотехники AT [1-9], 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 4.839.611 fig.2, US 7.477.085, ЕР 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 фиг.1, представленный в патентной заявке US 2006/0176074 fig.1. Он имеет вход 1 и выход 2 устройства, между которыми включен первый 3 резистор, источник входного напряжения 4, включенный по переменному току между общей шиной 5 и входом устройства 1, второй резистор 6, включенный по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, конденсатор цепи нагрузки 7, включенной по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, корректирующий конденсатор 8.

Существенный недостаток аттенюатора-прототипа фиг.1 состоит в том, что условием частотной независимости его коэффициента передачи являются хорошо известное равенство C₈R₃-C₇R₆, где R₃, R₆ - сопротивления первого 3 и второго 6 резисторов, C₈, C₇ - емкости корректирующего конденсатора 8 и конденсатора цепи нагрузки 7. Если R₆ изменяется, то при C₈=const, C₇=const в AT-прототипе возникают значительные частотные погрешности. На практике такой режим AT осуществляется путем использования вместо резистора 6 управляемого по затвору полевого транзистора или других цифроуправляемых импедансов. Таким образом, широкополосный аттенюатор-прототип не может иметь переменный коэффициент передачи K₀=R₆/(R₆+R₃). Если его K₀ изменяется, то AT-прототип не может иметь широкий диапазон рабочих частот. Данное противоречие неразрешимо в рамках известных схемотехнических решений.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в существенном расширении диапазона рабочих частот устройства и повышении его быстродействия при работе с импульсными сигналами большой амплитуды. Причем достижение данных качественных показателей обеспечивается в широком диапазоне изменения коэффициентов передачи AT (K₀), который определяется отношением K0=R₆/(R₆+R₃). Это является одной из замечательных особенностей предлагаемого устройства, которая расширяет области его применения, например, в широкополосных цифроуправляемых аттенюаторах, R-2R делителей напряжения быстродействующих аналого-цифровых преобразователей и т.п.

Поставленная задача достигается тем, что в аттенюаторе фиг.1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, между которыми включен первый 3 резистор, источник входного напряжения 4, включенный по переменному току между общей шиной 5 и входом устройства 1, второй резистор 6, включенный по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, конденсатор цепи нагрузки 7, включенный по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, корректирующий конденсатор 8, предусмотрены новые элементы и связи - выход устройства 2 связан по переменному току со входом неинвертирующего усилителя напряжения 9, между выходом неинвертирующего усилителя напряжения 9 и выходом 2 устройства включен корректирующий конденсатор 8.

На фиг.1 приведена схема аттенюатора - прототипа.

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

На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства фиг.2 в среде PSpice.

На фиг.4 показана частотная зависимость коэффициента передачи аттенюатора фиг.3 при его сопротивлениях R1=R2=10 кОм и конденсаторе цепи нагрузки C₇=C₀=2 пФ.

На фиг.5 показана частотная зависимость коэффициента передачи аттенюатора фиг.2 при R1=10 кОм, C₀=2 пФ, но более низкоомном R2=1 кОм.

На фиг.6 показана частотная зависимость коэффициента передачи аттенюатора фиг.2 при сравнительно низкоомных и идентичных сопротивлениях R1=R2=1 кОм, C₀=2 пФ. Данные графики показывают, что при увеличении емкости C₈=C_к до 2 пФ ширина полосы пропускания существенно увеличивается.

На фиг.7 показана таблица, характеризующая зависимость верхней граничной частоты заявляемого AT фиг.3 от параметров резисторов R1 и R2 и емкости корректирующего конденсатора 8 (C₈=C_к).

Широкополосный аттенюатор с управляемым коэффициентом передачи фиг.2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, между которыми включен первый 3 резистор, источник входного напряжения 4, включенный по переменному току между общей шиной 5 и входом устройства 1, второй резистор 6, включенный по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, конденсатор цепи нагрузки 7, включенный по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, корректирующий конденсатор 8. Выход устройства 2 связан по переменному току со входом неинвертирующего усилителя напряжения 9, причем между выходом неинвертирующего усилителя напряжения 9 и выходом 2 устройства включен корректирующий конденсатор 8.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, неинвертирующий усилитель напряжения 9 имеет коэффициент передачи по напряжению больше единицы (K_у>1), высокое входное и низкое выходное сопротивления, причем емкость корректирующего конденсатора 8 удовлетворяет условию

$$C_8\approx \frac{C_7}{{К}_{у}-1}$$ ,

где C₇ - емкость конденсатора цепи нагрузки.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

В результате анализа схемы фиг.2 можно получить следующее уравнение для ее коэффициента передачи по напряжению в операторной форме:

$${К}_{п}\left(р\right)=\frac{{К}_0}{1+R_{12}P\left[C_7+C_8\left(1-K_{у}\right)\right]},\text{ (1)}$$

где R₁₂=R₃R₆/(R₃+R₆), K₀=R₆/(R₆+R₃).

Комплексный коэффициент передачи по напряжению AT фиг.2

$${\dot{K}}_{п}\left(j\omega \right)=\frac{K_0}{1+j\omega {\tau }_{в.\Sigma }},\text{ (2)}$$

где τ_в.Σ=R₁₂[С₇+С₈(1-K_y)].

При этом верхняя граничная частота AT фиг.2

$$f_{в.\Sigma }=\frac{1}{2\pi R_{12}\left[C_7+C_8\left(1-K_{у}\right)\right]}.\text{ (3)}$$

Условие частотной независимости коэффициента передачи можно представить в виде ограничений на параметры C₈ и K_у

$$\{\begin{array}{l}{С}_8=\frac{{С}_7}{K_{у}-1}\hfill \\ K_{у}>1\hfill \end{array}.\text{ (4)}$$

Если K_у=2, то емкость корректирующего конденсатора C₈=C_к=С₇. При K_у=1,1 численные значения C8=10C₇ и т.п.

Важное достоинство AT рис.1 - это независимость условий расширения частотного диапазона от сопротивлений резисторов R3 и R6, которые могут быть переменными.

Таким образом, в схеме фиг.2 создаются условия для существенного расширения диапазона рабочих частот, который на практике будет определяться (или ограничиваться) инерционностью неинвертирующего усилителя напряжения 9.

Из графиков фиг.5 в частности следует, что диапазон рабочих частот предлагаемого аттенюатора с переменным K₀ расширяется до 2 ГГц, в то время как верхняя граничная частота классического аттенюатора (по уровню -3 дБ) имеет значение 118,7 МГц.

Графики фиг.6 и таблица фиг.7 показывают, что при изменении сопротивлений резисторов 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 переменных аттенюаторов, являющихся базовым узлом различных аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.

Литература:

1. Патентная заявка US 2006/0176074 fig.1.

2. Патент JP 2006/215037.

3. Патент US 3.984.793 fig.1.

4. Патент ЕР 2.273.677 fig.1.

5. Патентная заявка US 2003/0102913.

6. Патентная заявка US 2009/0184785 fig.2.

7. Патентная заявка US 2006/0284681 fig.1.

8. Патентная заявка US 2009/0231069.

9. Патент US 4.051.432.

1. Широкополосный аттенюатор с управляемым коэффициентом передачи, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, между которыми включен первый (3) резистор, источник входного напряжения (4), включенный по переменному току между общей шиной (5) и входом устройства (1), второй резистор (6), включенный по переменному току между выходом устройства (2) и общей шиной (5), конденсатор цепи нагрузки (7), включенный по переменному току между выходом устройства (2) и общей шиной (5), корректирующий конденсатор (8), отличающийся тем, что выход устройства (2) связан по переменному току со входом неинвертирующего усилителя напряжения (9), между выходом неинвертирующего усилителя напряжения (9) и выходом (2) устройства включен корректирующий конденсатор (8).

2. Широкополосный аттенюатор с управляемым коэффициентом передачи по п.1, отличающийся тем, что неинвертирующий усилитель напряжения (9) имеет коэффициент передачи по напряжению больше единицы (K_у>1), высокое входное и низкое выходное сопротивления, причем емкость корректирующего конденсатора (8) удовлетворяет условию
,
где C₇ - емкость конденсатора цепи нагрузки.