Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Глава 10. ЧЕТЫРЕХКВАДРАТНЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ПЕРЕМНОЖИТЕЛИ СИГНАЛОВ ДВУХПОЛЮСНЫХ СЕНСОРОВ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

В составе перемножителей двух напряжений, систем электронной регулировки усиления систем связи и телекоммуникаций широкое применение находит так называемая перемножающаяся ячейка Джильберта, ставшая основой построения практически всех известных в настоящее время прецизионных аналоговых перемножителей сигналов (АПС).

При построении систем на кристалле в ряде случаев приходится решать задачу перемножения двух неэлектрических сигналов [56] (рис. 10.1).  

29701.png 

а                б

Рис. 10.1. АПС-прототип (а) и его функциональная схема (б) [56]

В качестве двухполюсника преобразователя «сигнал канала «Y» – ток» в данной схеме используется фотодиод. В частных случаях это может быть также магниторезистор, тензодиод, датчик давления и т.п. Существенный недостаток такого перемножителя состоит в том, что он не обеспечивает прямого четырехквадрантного перемножения первичной переменной канала «Y» (например, светового потока Ф, магнитного поля В, силы F, давления P и т.п.) на входное напряжение канала «Х» (ux). Это не позволяет создавать на его основе специальные системы обработки информации, содержащейся в электрических (ux) и неэлектрических (Ф, В, F, Р) сигналах и использующих недифференциальные двухполюсные преобразователи измеряемых параметров.  

29711.png 

Рис. 10.2. Первая архитектура предлагаемого АПС [56]

Прямое четырехквадрантное перемножение измеряемой координаты канала «Y» (Ф, В, F, Р) на координату канала «Х» (ux), которая также может быть функционально связана с неэлектрическим сигналом «Х», предлагается осуществлять на основе архитектуры рис. 10.2 [56].

Рассмотрим работу АПС с архитектурой (рис. 10.2) [56] на примере анализа частного варианта реализации общей схемы на рис. 10.3.

При отсутствии светового потока (Ф = 0) суммарный ток общей эмиттерной цепи транзисторов VT5 и VT8 равен току I1 (I10 = I0). Этот ток I0 перераспределяется между транзисторами VT5–VT8. Поэтому ток в цепи вспомогательного выхода равен 29718.png.

Это значение тока передается на вход дополнительного усилителя

I16 = 2I15 = I0.

29760.png 

а

29771.png 

б

Рис. 10.3. Частный случай реализации АПС (а) и его представление в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (б)

Для того, чтобы выполнялось равенство I4 = I0, необходимо обеспечить

I9 = I+ I16 = 2I0.

Если под действием светового потока Ф двухполюсный преобразователь VD1 сформирует выходной ток iφ, то это создаст ток в цепи коллекторов транзисторов VT5–VT7:

iφ = ФSφ,

где Sφ – крутизна преобразования светового потока Ф в ток iφ.

Данное приращение 29725.png делится на четыре части между эмиттерами транзисторов VT5 и VT8, VT6 и VT7:

29732.png 29744.png

Как следствие, ток входа Вх.2: I φВх.2 = 0,5iφ.

Поэтому составляющая тока iφ(VT5, VT8) уменьшает коэффициент усиления по напряжению каскада на транзисторах VT5 и VT8. Однако приращение iφ передается через усилитель тока в эмиттерную цепь транзисторов VT1, VT4 и VT2, VT3 и вызывает увеличение суммарного тока эмиттерной цепи транзисторов VT1, VT4 и VT2, VT3, что является вторым дополнительным условием четырехквадрантного перемножения сигналов по каналам «Х» и «Y»:

uвых = KxuxФY,

где Kx – коэффициент пропорциональности.

В отличие от схемы на рис. 10.1, в качестве перемножающей ячейки 1 в предлагаемой схеме АПС могут применяться различные модификации ячейки Джильберта. Важным преимуществом АПС является возможность работы при экстремально низких напряжениях питания [Eп < ±(1...1,5 В)]. Это позволяет использовать в схеме сверхбыстродействующие SiGe транзисторы с технологическими нормами  130 нм, для которых напряжение питания Eп < ±1,5 В.

Результаты компьютерного моделирования схемы на рис. 10.3б для случая перемножения напряжения Ux и тока Iy, пропорционального неэлектрической величине (Ф, В, F, Р и т.п.) показывают (рис. 10.4), что предлагаемый АПС является четырехквадрантным перемножителем двух сигналов ux и Фy.

29780.png 

Рис. 10.4. Результаты компьютерного моделирования АПС с первой архитектурой

При этом он обеспечивает удовлетворительную для многих областей применения погрешность выполнения операции перемножения. Так погрешность перемножения, характеризующаяся зависимостью на рис. 10.7, не превышает 0,35 % (рис. 10.5).  

29790.png 

Рис. 10.5. Зависимость погрешности перемножения
от напряжения на входе канала «Y»

Вторая архитектура аналогового перемножителя двух неэлектрических сигналов показана на рис. 10.6 [58].

29802.png 

Рис. 10.6. Вторая архитектура предлагаемого АПС [58]

В схеме на рис. 10.6 при отсутствии светового потока (Ф = 0) для суммарного тока общей эмиттерной цепи выполняется условие:

Iк14 ≈ I18 ≈ Iк15 ≈ I19 = I0.

Если под действием светового потока Ф = 0 двухполюсный преобразователь VD1 сформирует выходной ток iφ, то это создаст дополнительный ток общей эмиттерной цепи множительной ячейки по входу 1: iφ = ФSφ, где Sφ – крутизна преобразования светового потока Ф в ток iφ, определяющаяся свойствами двухполюсника VD1.

Данное приращение iφ поступает в эмиттер транзистора VT1 и создает противофазное изменение тока коллектора этого транзистора (iкVT1 = iФ = SФ), что является условием четырехквадрантного перемножения сигналов «Х» и «Y»:

uвых = KxuxФY,

где Kx – параметр перемножителя.

Как и в случае схемы АПС на рис. 10.2, схема АПС на рис. 10.6 также является четырехквадрантным перемножителем двух сигналов. При этом погрешность перемножения не превышает 0,30 % (рис. 10.7 и 10.8).

 

30060.png 

Рис. 10.7. Результаты компьютерного моделирования второй архитектуры АПС 30070.png 

Рис. 10.8. Зависимость погрешности перемножения от тока на входе канала «Y»

Таким образом, предлагаемые способы нелинейного преобразования сигналов от двухполюсных сенсоров [58, 59] обеспечивают четырех­квадрантное перемножение, что позволяет использовать их в качестве смесителей двух неэлектрических сигналов при построении различных измерительных систем, например, в области оптической связи или обработки оптической информации и т.п.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074