Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Архитектура и схемотехника управляемых усилителей и смесителей сигналов
Прокопенко Н Н, Будяков П С,
1.5. Аналоговый перемножитель с противофазным управлением по каналу «Y» и резистивным сумматором выходных токов
На рис. 1.33 представлена схема предлагаемого АПН [13]. Решаемая им задача – расширение частотного диапазона за счет исключения из структуры АПН управляемых источников тока канала «Y», которые традиционно реализуются в известных схемах на четырех транзисторах. Такое количество инерционных активных элементов сказывается на частотном диапазоне АПН. В схеме также осуществляется «привязка» источников входного напряжения ux и uy к общей шине источника питания. Решение этой задачи существенно упрощает согласование АПН по входам с источниками сигналов ux и uy, которые могут подаваться относительно общей шины без цепей смещения статического режима, влияющих на стабильность нулевого уровня АПН.
Особенность АПН рис. 1.33 – введение резисторов R3-R6, которые обеспечивают «изоляцию» емкостей на подложку транзисторов VT2, VT3 и VT6, VT7 от выходных узлов Вых.1, Вых.2.
В схеме рис. 1.33, площади эмиттерных p-n переходов входных транзисторов VT2, VT3, VT6, VT7 в N ≥ 2 раз больше площадей эмиттерных p-n переходов входных транзисторов VT1, VT4, VT5, VT8. В частном случае отношение площадей VT2, VT3, VT6, VT7 входных транзисторов к площадям VT1, VT4, VT5, VT8 входных транзисторов равно 16 единицам (N = 16).
Статический режим по току входных транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4 (верхний канал усиления) и VT5, VT6, VT7, VT8 (нижний канал усиления) устанавливается источниками тока I1, I2, I3, I4. В частном случае это могут быть резисторы. В схеме АПН рис. 1.33, имеющих напряжения источников питания более 1,5...1,6 В, в качестве этих токостабилизирующих двухполюсников можно использовать классические транзисторные стабилизаторы тока или токовые зеркала.
Напряжение на выходах Вых.1 и Вых.2 АПН рис. 1.33 зависят от
токов, протекающих в резисторах нагрузки R1 и R2. В свою очередь
переменные токи через эти резисторы формируются входными транзисторами
VT1, VT2, VT3, VT4 (верхний канал усиления) и входными
транзисторами VT5, VT6, VT7, VT8 (нижний канал усиления). Причем эти токи имеют несколько составляющих:
– переменные токи, пропорциональные ux, формируемые верхним каналом усиления на входных транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4;
– переменные токи, пропорциональные ux, формируемые нижним каналом усиления на входных транзисторах VT5, VT6, VT7, VT8;
– переменные токи, зависящие от сигнала управления uy транзисторами верхнего канала усиления (транзисторы VT1, VT2, VT3, VT4);
– переменные токи, зависящие от сигнала управления 
транзисторами нижнего канала усиления (транзисторы VT5, VT6, VT7, VT8).
Рис. 1.33. Предлагаемый перемножитель напряжений [13]
Численные значения токов 
определяются сопротивлениями эмиттерных переходов соответствующих транзисторов, которые управляются напряжениями uy и 
.
При этом увеличение положительного напряжения источника входного
напряжения канала «Y» uy вызывает уменьшение коэффициентов передачи
сигналов ux и 
со входов Вх.x1 и Вх.x2 канала «X» через входные транзисторы VT1, VT2,
VT3, VT4 (верхний канал усиления) в цепь нагрузки, а увеличение
отрицательного напряжения источника сигнала 
приводит к увеличению противофазной передачи ux и 
через транзисторы VT5, VT6, VT7, VT8 в цепь нагрузки ЦН по нижнему каналу усиления. Если 
, то передача ux и 
на выход будет близка к нулю.
Данные зависимости иллюстрируются графиками рис. 1.34.
Рис. 1.34. Характеристики управления АПН при N = 16
Для расширения рабочего диапазона изменения ux и uy следует использовать предварительное логарифмирование этих сигналов, которое применяется в традиционных схемах перемножителей на основе ячейки Гильберта.
Рис. 1.35. Зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению АПН Ku = uвых/ux от уровня управляющего напряжения uy = Uvar
Существенная особенность предлагаемого АПН рис. 1.33 состоит в том, что площади эмиттерных переходов входных транзисторов VT2, VT3, VT6, VT7 в N-раз превышают площади эмиттерных переходов входных транзисторов VT1, VT4, VT5, VT8. При N = 16 и uy = 0 коэффициенты передачи ux и uy в цепь нагрузки через транзисторы VT1, VT2, VT3, VT4 (верхний канал) и транзисторы VT5, VT6, VT7, VT8 (нижний канал) одинаковы и составляют, примерно, половину от максимального значения коэффициентов передачи по этим каналам. Если N ≠ 16, то коэффициенты передачи этих каналов при uy = 0 оказываются неодинаковы, что приводит к нессиметрии характеристики управления (рис. 1.34) и снижению допустимых амплитуд перемножаемых напряжений. При N = 1, также как и при N >> 1, данная схема теряет свойства перемножителя напряжений ux и uy. Таким образом, следует подчеркнуть, что оптимальная работоспособность схемы рис. 1.33 обеспечивается в том случае, когда N ≈ 16.
Вторая существенная особенность схемы рис. 1.33, обязательная для
любых перемножителей, состоит в том, что передача напряжений источников
uy и 
в цепь нагрузки ЦН близка к нулю. То есть, сигнал uy подавляется
в предлагаемом АПН, причем это подавление обеспечивается в верхнем
канале (транзисторы VT1, VT2, VT3, VT4) независимо от подавления
в нижнем канале (транзисторы VT5, VT6, VT7, VT8). Данное свойство схемы
допускает некоторую ассиметрию амплитуд uy и 
без существенного ухудшения точности перемножения.
Спектр выходных сигналов при перемножении ux и uy с частотой 1 ГГц и 10 мГц приведен на рис. 1.36, 1.37, которые показывают, что в выходном сигнале практически отсутствуют первые гармоники входных сигналов fx и fy. Данное свойство характерно для перемножителей напряжения.
Рис. 1.36. Спектр выходных сигналов при перемножении малых ux и uy
Рис. 1.37. Спектр выходных сигналов при перемножении ux и uy
Анализ предельных значений минимального напряжения питания 
показывает, что при малых амплитудах выходного напряжения в АПН рис. 1.33 (
) напряжение 
. Отрицательное напряжение питания 
(при использовании известных способов стабилизации) может принимать значение 
. Таким образом, общее напряжение питания АПН 
, что недостижимо в классическом АПН.
Особенность модифицированной схемы АПН, представленной на рис. 1.38 состоит в следующем.
Рис. 1.38. АПН с расширенным частотным диапазоном и повышенным коэффициентом усиления
Во-первых, введение резисторов R2, R3 R4, R5 позволяет «изолировать» выходы АПН Вых.1 и Вых.2 от емкости на подложку транзисторов VT2, VT3 и VT6, VT7, что расширяет частотный диапазон АПН по каналу «Х».
Во-вторых, статический ток, протекающий в резисторах нагрузки R1 и R2, равен сумме коллекторных токов не четырех, а двух транзисторов, что позволяет при низковольтном питании увеличить сопротивления этих резисторов и получить более высокое усиление в АПН. За счет оптимального выбора тока источников тока I5 и I6 можно обеспечить симметрирование статического режима по напряжению коллектор-база транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6, VT7 и VT8, что позволяет выбрать сопротивления резисторов R1и R2, R3 и R4 на уровне сопротивлений резисторов R1 и R2 и тем самым повысить Ky.
На рис. 1.39–1.40 приведена схема АПН рис. 1.34 и её статический режим в среде компьютерного моделирования Cadance на моделях интегральных транзисторов IHP.
Рис. 1.39. Схема АПН в среде компьютерного моделирования Cadance
Рис. 1.40. Статический режим АПН
На рис. 1.41 приведены результаты компьютерного моделирования схемы рис. 1.39 для случая перемножения двух напряжений ux и uy. Эти графики показывают, что предлагаемый АПН является четырехквадрантным перемножителем.
На рис. 1.42 показана зависимость выходного напряжения АПН при работе с сигналами ux = 10 мВ, fx = 1 ГГц и uy = 40 мВ, fy = 10 мГц.
Таким образом, предлагаемый АПН выполняет функции перемножителя сигналов, может работать при малых напряжениях питания, обеспечивает более широкий диапазон рабочих частот и не требует входных согласующих статический режим цепей, отрицательно влияющих на его стабильность нуля.
Рис. 1.41. Схема АПН в среде компьютерного моделирования Cadance
для случая перемножения двух напряжений ux и uy
Рис. 1.42. Зависимость выходного напряжения АПН при работе
с сигналами ux = 10 мВ, fx = 1 ГГц и uy = 40 мВ, fy = 10 мГц