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 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).  

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.  

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 .

Это значение тока передается на вход дополнительного усилителя

I₁₆ = 2I₁₅ = I₀.

а

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 = I₄ + 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:

i_φ = ФS_φ,

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

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

Как следствие, ток входа Вх.2: I _φВх.2 = 0,5i_φ.

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»:

u_вых = K_xu_xФ_Y,

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.

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).  

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].

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:

I_к14 ≈ I₁₈ ≈ I_к15 ≈ 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»:

u_вых = K_xu_xФ_Y,

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).

Рис. 10.7. Результаты компьютерного моделирования второй архитектуры АПС  

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.