Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Архитектура и схемотехника управляемых усилителей и смесителей сигналов

Прокопенко Н Н, Будяков П С,

Глава 7. АРХИТЕКТУРЫ УПРАВЛЯЕМЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Существует несколько базовых архитектур так называемых комплементарных дифференциальных каскадов (ДК), одна из которых показана на рис. 7.1.

Комплементарный ДУ с управляемым усилением рис. 7.2 может быть синтезирован на основе схемы рис. 7.1 путем введения новых элементов и связей между ними – транзистора VT1 и дополнительных резисторов R1 и R2 [48].  

Рис. 7.1. Комплементарный каскодный
дифференциальный усилитель (ККДУ) из патента [48]

На основе такой схемы возможна не только реализация широкополосных ВЧ и СВЧ усилителей с регулируемыми параметрами, но и создание более сложных функциональных узлов, например, аналоговых перемножителей сигналов.

Рис. 7.2. Способ управления усилением комплементарного ДУ [48]

Рассмотрим работу схемы рис. 7.2 в режиме управляемого усилителя напряжения ux для случая, когда коллектор транзистора VT4 не связан со входом токового зеркала.

В статическом режиме при нулевом напряжении управления (uy = 0) токи через резисторы R1 и R2 близки к нулю.

Коэффициент усиления по напряжению Ku для дифференциального выхода определяется формулой

(7.1)

где Rн – эквивалентное сопротивление нагрузки, зависящее от резисторов R3 и R4; SS – крутизна преобразования напряжения ux в коллекторные токи транзисторов VT4 и VT5.

Причем

(7.2)

где φт = 26 мВ – температурный потенциал; I0 – статический ток эмиттерных переходов транзисторов VT2–VT5; rэVTi = φт/Iэi – сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора схемы при статистическом токе эмиттера Iэi = I0.

Таким образом, при uy = 0 для схемы на рис. 7.2

(7.3)

Если управляющее напряжение Uy на управляющем входе «Вх.у» получает положительное () приращение, то это приводит к изменению тока iR через резисторы R1 и R2:

(7.4)

где R1 = R2 – сопротивления резистора R1 и R2 (R1 >> rэVT4 = rэVT5).

Приращения iR полностью поступают в эмиттеры транзисторов VT4 и VT5, изменяя сопротивления их эмиттерных переходов

(7.5)

(7.6)

(7.7)

Данный эффект объясняется тем, что благодаря отрицательной обратной связи через токовое зеркало синфазные коллекторные токи транзисторов VT2 и VT3 схемы рис. 7.2 (пунктир) не изменяются:

I _кVT2 + I _кVT3 = 0. (7.8)

Следовательно, при изменении uy статический режим транзисторов VT2 и VT3 не изменяется, а управление Кu обусловлено влиянием uy на статистический режим только транзисторов VT4 и VT5:

(7.9)

Рассмотрим далее работу схемы на рис. 7.2 для случая, когда коллектор транзистора VT1 связан со входом токового зеркала.

В этом режиме токи iR, обусловленные изменением Uy, передаются в противофазе по двум каналам – через транзисторы VT2, VT3 и транзистор VT1. Как следствие, это вызывает уменьшение только тока эмиттеров транзисторов VT2 и VT3 на величину iR, что приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению из-за уменьшения первой составляющей крутизны S∑ (7.2), обусловленной сопротивлениями rэVT2 = rэVT3:

(7.10)

При другой фазе напряжения uy коэффициент Ku увеличивается пропорционально величине Uy.

На рис. 7.3 приведен пример моделирования схемы управляемого ККДУ в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Полученные характеристики (см. рис. 7.4–7.7) позволяют судить о возможности реализации на основе этой схемы ККДУ смесителей и/или перемножителей сигналов.

Важной особенностью схемы на рис. 7.2 является подавление передачи сигнала управления uy на выход ККДУ, что весьма важно для построения смесителя и/или перемножителя сигналов [48].

На основе предлагаемого управляемого усилителя реализуются перемножители напряжений (рис. 7.8) [48].

Рис. 7.3. Схема ККДУ в среде компьютерного
моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов
ФГУП НПП «Пульсар» [48]

Рис. 7.4. Зависимость коэффициентов усиления Ku
от напряжения управления Uy
в диапазоне частот

Рис. 7.5. Зависимость коэффициентов усиления Ku от напряжения управления Uy при сопротивлениях резисторов R3 = R4 =  100 Oм

Рис. 7.6. Зависимость коэффициентов усиления Ku от напряжения управления Uy при сопротивлениях резисторов R3 = R4 =  500 Oм

Рис. 7.7. Зависимость выходного синфазного напряжения Uвых.с
от сигнала управления Uy

а

б

Рис. 7.8. Архитектура перемножителя напряжения (а) и его модель
в среде PSpice (б) [48]

Рис. 7.9. Зависимость модуля коэффициента усиления АПН рис. 7.8б

Рис. 7.10. Зависимость выходного напряжения АПН рис. 7.8б

Рис. 7.11. Погрешность перемножения схемы рис. 7.8б

Таким образом, в настоящем разделе создана архитектура ККДУ с малым напряжением питания и электронным управлением его коэффициента усиления по напряжению [48], а также обеспечена возможность практической реализации перемножителей сигналов по SiGe технологии SG25H2 (рабочее напряжение для n-p-n транзисторов U_p = 1,9 В; для p-n-p транзисторов U_n = 2,8 В).