RU2390922C1

RU2390922C1 - Управляемый усилитель и аналоговый перемножитель сигналов на его основе

Info

Publication number: RU2390922C1
Application number: RU2009119506/09A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Прокопенко (RU); Николай Николаевич Прокопенко; Петр Сергеевич Будяков (RU); Петр Сергеевич Будяков; Даниил Николаевич Конев (RU); Даниил Николаевич Конев
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2010-05-27

Abstract

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 является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов ВЧ и СВЧ-диапазонов аналоговой вычислительной и измерительной техники. Управляемый усилитель содержит первый (1) входной и первый (2) выходной транзисторы, базы которых объединены, первый токостабилизирующий двухполюсник (3), соединенный с коллектором первого (1) входного транзистора и связанный с базами первого (1) входного и первого (2) выходного транзисторов, цепь нагрузки (4), подключенную к коллектору первого (2) выходного транзистора, первый источник сигнала (5), связанный с эмиттером первого (1) входного транзистора, первый (6) источник сигнала управления усилением. В схему введен второй (7) входной транзистор, эмиттер которого связан с первым (6) источником сигнала управления усилением, коллектор подключен к первому токостабилизирующему двухполюснику (3), а база соединена с базой первого (1) входного транзистора. Технический результат - уменьшение допустимого напряжения питания. 5 з.п. ф-лы, 16 ил.

Description

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 является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов ВЧ и СВЧ-диапазонов, аналоговой вычислительной и измерительной техники.

В настоящее время в аналоговой микросхемотехнике в составе перемножителей двух напряжений, систем электронной регулировки усиления широкое применение находит так называемая перемножающаяся ячейка Джильберта. Такая структура стала основой построения практически всех известных в настоящее время прецизионных аналоговых перемножителей сигналов на основе дифференциальных каскадов [1-36]. В этой связи задача улучшения параметров этого функционального узла относится к числу достаточно актуальных задач современной микроэлектроники.

Последние несколько лет источники питания с напряжением 5В вытесняются более низковольтными. Требования к уменьшению рассеиваемой мощности и уменьшению числа батарей в таких приложениях, как беспроводные устройства связи и персональные компьютеры, привели к снижению напряжения питания до уровня 1,5 В. Эта тенденция реализована в современных SiGe транзисторах, которые сконструированы так, чтобы обеспечить максимальную частоту среза (f₁) в компромиссе с напряжением пробоя (U_np). Для кремниевых транзисторов существует следующее фундаментальное ограничение: f_x×U_пр≈const, т.е. малые размеры транзисторов, обеспечивающие высокие значения f₁ (до 200 ГГц), привели к снижению напряжения питания микросхем до 1,0÷1,5В.

Уменьшение напряжения питания (Е_n) в биполярных схемах приводит к появлению новых проблем и некоторые из них становятся трудноразрешимыми при напряжении питания менее 2 В. Принципиальная сложность уменьшения напряжения Е_п состоит в том, что биполярный транзистор имеет фиксированное напряжение база-эмиттер U_бэ, которое не уменьшается линейно с уменьшением технологических норм, так как

,

где φ_T=kT/q, I_К - ток коллектора и I_s - обратный ток эмиттерного р-n перехода. При этом параметры транзистора и уровни тока оказывают слабое влияние на напряжение U_бэ. На практике плотность тока в биполярном транзисторе (I_K/I_S), изменяя свое значение, также слабо влияет на напряжение U_бэ. Если в используемой технологии U_бэ =0,7÷0,8 В, то использование 1,5 В источника питания приводит к тому, что между «землей» и шиной Е_п не может быть включено больше, чем один р-n переход.

Учитывая вышесказанное, а также численные значения напряжения U_бэ≈700÷800 мВ, можно сделать вывод о том, что при напряжении питания 1,5 В запрещается использовать многоярусные дифференциальные пары или каскодные конфигурации (архитектуры).

Таким образом, отсутствие возможности масштабирования напряжения на переходе база-эмиттер обостряет проблему дальнейшего масштабирования напряжения питания интегральных схем на биполярных транзисторах.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является управляемый усилитель (УУ) (фиг.1), рассмотренный в патенте фирмы Philips GB №1.485.092 fig.1, содержащий первый 1 входной и первый 2 выходной транзисторы, базы которых объединены, первый токостабилизирующий двухполюсник 3, соединенный с коллектором первого 1 входного транзистора и связанный с базами первого 1 входного и первого 2 выходного транзисторов, цепь нагрузки 4, подключенную к коллектору первого 2 выходного транзистора, первый источник сигнала 5, связанный с эмиттером первого 1 входного транзистора, первый 6 источник сигнала управления усилением.

Существенный недостаток известного УУ и устройств на его основе состоит в том, что он не может работать при низких напряжениях питания, например Е_п=1,0В, которые необходимо использовать для микросистем на базе перспективных SiGe технологий. Действительно, особенности архитектуры УУ-прототипа создают проблемы с потенциальным управлением усилением, так как требуют предварительного преобразования сигнала управления u_у в ток токостабилизирующего двухполюсника 3, что отрицательно сказывается на минимально возможных величинах Е_п.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении допустимого напряжения питания УУ до уровня меньше чем 1,5В.

Предлагаемое техническое решение является альтернативой широко распространенной перемножающей ячейки Джильберта [1-36].

Поставленная цель достигается тем, что в УУ фиг. 1, содержащем первый 1 входной и первый 2 выходной транзисторы, базы которых объединены, первый токостабилизирующий двухполюсник 3, соединенный с коллектором первого 1 входного транзистора и связанный с базами первого 1 входного и первого 2 выходного транзисторов, цепь нагрузки 4, подключенную к коллектору первого 2 выходного транзистора, первый источник сигнала 5, связанный с эмиттером первого 1 входного транзистора, первый 6 источник сигнала управления усилением, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен второй 7 входной транзистор, эмиттер которого связан с первым 6 источником сигнала управления усилением, коллектор подключен к первому токостабилизирующему двухполюснику 3, а база соединена с базой первого 1 входного транзистора.

На фиг.1 показана схема УУ-прототипа, а на фиг.2 - схема заявляемого УУ в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

Схема фиг.3 соответствует п.3 формулы изобретения.

На фиг.4 показан УУ, соответствующий п.4 формулы изобретения, в котором обеспечивается высокое подавление сигнала управления.

На фиг.5 представлена схема аналогового перемножителя сигналов на основе двух УУ фиг. 2 с объединенными выходами.

На фиг.6 приведена схема УУ, в котором введены (в соответствии с п.6 формулы изобретения) дополнительные буферные усилители 21 и 23.

На фиг.7 приведена схема УУ фиг. 2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП "Пульсар».

На фиг.8 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению УУ фиг.7 в диапазоне частот при разных значениях напряжения управления УУ.

На фиг.9 приведен график зависимости коэффициента усиления УУ фиг.7 от управляющего напряжения U_y в диапазоне средних частот.

На фиг.10 приведена схема аналогового перемножителя на базе УУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП "Пульсар», а на фиг.11 - его модуляционная характеристика при перемножении u_x с частотой 100 МГц и u_y с частотой 100 кГц.

График фиг.12 иллюстрирует спектр выходных сигналов АП фиг.10 при частоте сигнала управления 100 кГц.

Пример построения аналогового перемножителя на базе УУ фиг.2 приведен на фиг.13, а на фиг.14 показано выходное напряжение АП фиг.13 при перемножении двух сигналов u_x с частотой 100 МГц и u_y с частотой 100 кГц.

График фиг.15 иллюстрирует спектр выходных сигналов АП фиг.14 при частоте сигнала управления 100 кГц.

Заявляемый управляемый усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной и первый 2 выходной транзисторы, базы которых объединены, первый токостабилизирующий двухполюсник 3, соединенный с коллектором первого 1 входного транзистора и связанный с базами первого 1 входного и первого 2 выходного транзисторов, цепь нагрузки 4, подключенную к коллектору первого 2 выходного транзистора, первый источник сигнала 5, связанный с эмиттером первого 1 входного транзистора, первый 6 источник сигнала управления усилением. В схему введен второй 7 входной транзистор, эмиттер которого связан с первым 6 источником сигнала управления усилением, коллектор подключен к первому токостабилизирующему двухполюснику 3, а база соединена с базой первого 1 входного транзистора.

На фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения коллектор первого 1 входного транзистора связан с первым 8 блокирующим конденсатором.

На фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения первый токостабилизирующий двухполюсник 3 связан с базами первого 1 входного и первого 2 выходного транзисторов через эмиттерно-базовый переход первого 9 дополнительного транзистора.

На фиг.4 в соответствии с п.4 формулы изобретения в схему введены третий 10 и четвертый 11 входные транзисторы, базы которых объединены, а коллекторы соединены со вторым токостабилизирующим двухполюсником 12, второй 13 выходной транзистор, база которого соединена с базами третьего 10 и четвертого 11 входных транзисторов, коллектор подключен к цепи нагрузки 4, эмиттер третьего 10 входного транзистора, а также эмиттер второго 13 выходного транзистора соединены с первым источником сигнала управления усилением 6, эмиттер четвертого 11 входного транзистора связан с общей шиной первого источника сигнала 5 и первым 6 источником сигнала управления усилением, причем второй 12 токостабилизирующий двухполюсник связан с базой третьего 10 входного транзистора и вторым 14 блокирующим конденсатором.

На фиг.5 в соответствии с п.5 формулы изобретения в схему введены второй 15 источник сигнала, противофазный первому 5 источнику сигнала, второй 16 источник сигнала управления усилением, противофазный первому 6 источнику сигнала управления усилением, пятый 17 и шестой 18 входные транзисторы, базы которых объединены, коллекторы подключены к третьему 19 токостабилизирующему двухполюснику, третий 20 выходной транзистор, коллектор которого соединен с цепью нагрузки 4, а эмиттер подключен ко второму 15 источнику сигнала и эмиттеру пятого 17 входного транзистора, причем второй 16 источник сигнала управления усилением связан с эмиттером шестого 18 выходного транзистора, а коллектор пятого 17 входного транзистора связан с базой шестого 18 входного транзистора.

На фиг.6 в соответствии с п.6 формулы изобретения в качестве первого источника сигнала 5 используется выход первого 21 эмиттерного повторителя, вход которого соединен с первым 22 источником преобразуемого напряжения, а в качестве первого 6 источника сигнала управления усилением используется выход второго 23 эмиттерного повторителя, вход которого соединен с первым источником напряжения 24, управляющего усилением.

Рассмотрим вначале работу схемы фиг. 2.

В статическом режиме (u_x=0, u_y=0) ток I₃=2I₀ двухполюсника 3 делится пополам между транзисторами 1 и 7:

.

Так как транзисторы 1 и 2 образуют токовое зеркало, то статический ток коллектора транзистора 2 равен

I_к2=I_э2=I₀.

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению каскада с общей базой на транзисторе 2 равен

,

где R_н.4.экв - эквивалентное сопротивление нагрузки 4;

;

φ_т≈25 мВ - температурный потенциал.

Если на вход Вх.у подается напряжение управления U_y≠0, то это создает в элементах схемы ток

:

,

где r_э7, r_э1 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 1 и 7.

Как следствие, эмиттерный ток транзистора 2 и сопротивление его эмиттерного перехода изменяются

.

В свою очередь это вызывает изменение коэффициента усиления, который растет:

.

Таким образом, устройство фиг. 2 обладает свойствами управляемого усилителя, что подтверждается результатами моделирования фиг. 8, фиг. 9.

Емкость 8 обеспечивает шунтирование переменных составляющих сигнала u_х.

Для расширения диапазона линейной работы по каналу U_y между p-n переходами транзисторов 1 и 7 целесообразно включать дополнительный резистор.

Минимальное напряжение питания

в схеме фиг.2 определяется падением напряжения на двухполюснике 3:

.

Практически в схеме фиг.2:

.

Управляемый усилитель фиг.4 имеет глубокое подавление сигнала управления u_у на выходе, что обеспечивается его архитектурой.

На базе заявляемого УУ реализуется аналоговый перемножитель сигналов фиг.5.

Особенность схемы фиг.6 - более высокое входное сопротивление по входам Вх.х* и Вх.у*, что обеспечивается буферными усилителями 21 и 23, которые осуществляют «привязку» к общей шине источников питания сигналов u_у и

.

Таким образом, заявляемый АП может иметь приемлемый для большинства применений диапазон изменения напряжения питания при E_п.min=1÷1,5 В.

Таким образом, предлагаемые схемы управляемого усилителя и аналогового перемножителя на его основе имеют более низкие значения напряжений питания, что позволяет использовать их для построения более высокочастотных SiGe транзисторов и расширить при этом диапазон рабочих частот.

Литература

1. Патент GB 2318470, H03F 3/45.

2. Патент EP 1369992.

3. Патент США №5874857.

4. Патент США №6456142, фиг.8.

5. Патент США №3931583, фиг.9.

6. Патентная заявка США №2007/0139114, фиг.1.

7. Патентная заявка США №2005/0073362, фиг.1.

8. Патент США №5057787.

9. Патентная заявка WO 2004/041298.

10. Патент США №5389840, фиг.1А.

11. Патент США №5883539, фиг.1.

12. Патентная заявка США №2005/0052239.

13. Патент США №5151625, фиг.1.

14. Патент США №4458211, фиг.5.

15. Патентная заявка США №2005/0030096, фиг.6.

16. Патентная заявка США №2007/0090876.

17. Патент США №6727755.

18. Патент США №5552734, фиг.13, фиг.16.

19. Патентная заявка США №2006/0232334.

20. Патент США №5767727.

21. Патент США №6229395, фиг.2.

22. Патент США №5115409.

23. Патентная заявка США №2005/0231283, фиг.1.

24. Патентная заявка США №2006/0066362, фиг.15.

25. Патент США №5151624, фиг.1, фиг.2.

26. Патент США №5329189, фиг.2.

27. Патент США №4704738.

28. Патент США №4480337.

29. Патент США №5825231.

30. Патент США №6211718, фиг.1, фиг.2.

31. Патент США №5151624.

32. Патент США №5329189.

33. Патент США №5331289.

34. Патент GB №2323728.

35. Патентная заявка США №2008/0122540, фиг.1.

36. Патент США №4965528.

Claims

1. Управляемый усилитель и аналоговый перемножитель сигналов на его основе, содержащий первый (1) входной и первый (2) выходной транзисторы, базы которых объединены, первый токостабилизирующий двухполюсник (3), соединенный с коллектором первого (1) входного транзистора и связанный с базами первого (1) входного и первого (2) выходного транзисторов, цепь нагрузки (4), подключенную к коллектору первого (2) выходного транзистора, первый источник сигнала (5), связанный с эмиттером первого (1) входного транзистора, первый (6) источник сигнала управления усилением, отличающийся тем, что в схему введен второй (7) входной транзистор, эмиттер которого связан с первым (6) источником сигнала управления усилением, коллектор подключен к первому токостабилизирующему двухполюснику (3), а база соединена с базой первого (1) входного транзистора.

2. Управляемый усилитель и аналоговый перемножитель сигналов на его основе по п.1, отличающийся тем, что коллектор первого (1) входного транзистора связан с первым (8) блокирующим конденсатором.

3. Управляемый усилитель и аналоговый перемножитель сигналов на его основе по п.1, отличающийся тем, что первый токостабилизирующий двухполюсник (3) связан с базами первого (1) входного и первого (2) выходного транзисторов через эмиттерно-базовый переход первого (9) дополнительного транзистора.

4. Управляемый усилитель и аналоговый перемножитель сигналов на его основе по п.1 или 2, отличающийся тем, что в схему введены третий (10) и четвертый (11) входные транзисторы, базы которых объединены, а коллекторы соединены со вторым токостабилизирующим двухполюсником (12), второй (13) выходной транзистор, база которого соединена с базами третьего 10 и четвертого (11) входных транзисторов, коллектор подключен к цепи нагрузки (4), эмиттер третьего (10) входного транзистора, а также эмиттер второго (13) выходного транзистора соединены с первым источником сигнала управления усилением (6), эмиттер четвертого (11) входного транзистора связан с общей шиной первого источника сигнала (5) и первым (6) источником сигнала управления усилением, причем второй (12) токостабилизирующий двухполюсник связан с базой третьего (10) входного транзистора и вторым (14) блокирующим конденсатором.

5. Управляемый усилитель и аналоговый перемножитель сигналов на его основе по п.1, отличающийся тем, что в схему введены второй (15) источник сигнала, противофазный первому (5) источнику сигнала, второй (16) источник сигнала управления усилением, противофазный первому (6) источнику сигнала управления усилением, пятый (17) и шестой (18) входные транзисторы, базы которых объединены, коллекторы подключены к третьему (19) токостабилизирующему двухполюснику, третий (20) выходной транзистор, коллектор которого соединен с цепью нагрузки (4), а эмиттер подключен ко второму (15) источнику сигнала и эмиттеру пятого (17) входного транзистора, причем второй (16) источник сигнала управления усилением связан с эмиттером шестого (18) выходного транзистора, а коллектор пятого (17) входного транзистора связан с базой шестого (18) входного транзистора.

6. Управляемый усилитель и аналоговый перемножитель сигналов на его основе по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве первого источника сигнала (5) используется выход первого (21) эмиттерного повторителя, вход которого соединен с первым (22) источником преобразуемого напряжения, а в качестве первого (6) источника сигнала управления усилением используется выход второго (23) эмиттерного повторителя, вход которого соединен с первым источником напряжения (24), управляющего усилением.