Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

1.6. Аналоговый перемножитель с уменьшенным уровнем статического тока в резисторах коллекторной нагрузки

Рассмотренные ранее структуры обладают некоторой избыточностью, что приводит к повышенным уровням статического тока в резисторах коллекторной нагрузки и в конечном итоге снижает усиление АПН.

От данного недостатка свободна схема рис. 1.43 [14], в которой через резисторы коллекторной нагрузки протекают в два раза меньшие статические токи.  

23163.png 

Рис. 1.43. Предлагаемая схема АПН [14]

Статический режим по току входных транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4 (верхний канал усиления) и VT5, VT6, VT7, VT8 (нижний канал усиления) устанавливается токостабилизирующими двухполюсниками I1, I2, I3, I4. В частном случае данные двухполюсники могут быть резисторами. В схемах АПН, имеющих напряжения первого и второго источников
питания более 1,5...1,6 В можно использовать классические транзисторные стабилизаторы тока или токовые зеркала.

Напряжение на выходах Вых.1 и Вых.2 АПН зависят от токов, протекающих в резисторах нагрузки Rн1 и Rн2. 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:

– 23171.png – переменные токи, пропорциональные ux, формируемые верхним каналом усиления на входных транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4;

– 23178.png – переменные токи, пропорциональные ux, формируемые нижним каналом усиления на входных транзисторах VT5, VT6, VT7, VT8;

– 23189.png – переменные токи, зависящие от сигнала управления uy транзисторами VT1, VT2, VT3, VT4 верхнего канала усиления;

– 23199.png – переменные токи, зависящие от сигнала управления uy транзисторами VT5, VT6, VT7, VT8 нижнего канала усиления.

Численные значения токов 23207.png определяются сопротивлениями эмиттерных переходов соответствующих транзисторов, которые управляются напряжениями uy3 и uy4. При этом увеличение положительного напряжения источника входного напряжения канала «Y» uy3 вызывает уменьшение коэффициентов передачи сигналов ux и 23214.png 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 uy4 приводит к увеличению противофазной передачи ux и 23222.png через транзисторы VT5, VT6, VT7, VT8 в цепь нагрузки по нижнему каналу усиления. Если uy3 = uy4 = 0, то передача ux и 23235.png на выход будет близка к нулю.

Для расширения рабочего диапазона изменения ux и uy следует использовать предварительное логарифмирование этих сигналов, которое применяется в традиционных схемах перемножителей на основе ячейки Гильберта.

Первая существенная особенность предлагаемого АПН [14] 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 Nв = Nн = 16 и uy = 0 коэффициенты передачи сигналов 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 Ky по этим каналам. Если Nв = Nн ≠ 16, то коэффициенты передачи этих каналов при uy = 0
оказываются неодинаковы, что приводит к нессиметрии характеристики управления и снижению допустимых амплитуд перемножаемых напряжений. При N = 1, так же как и при N >> 1 схема рис. 1.43 теряет свойства перемножителя напряжений ux и uy. Таким образом, следует подчеркнуть, что оптимальная работоспособность схемы обеспечивается только в случае, когда Nв = Nн ≈ 16.

Вторая существенная особенность схемы, обязательная для любых перемножителей, состоит в том, что передача напряжений источников и uy3 и uy4 в цепь нагрузки близка к нулю.

Для суммирующих точек Σ1 и, Σ2 выполняются условия:

23242.png (1.9)

23251.png (1.10)

Следовательно, сигнал управления uy = uy3 = uy4 отсутствует в нагрузке, что характерно для перемножителей напряжения.

Анализ предельных значений минимального напряжения питания 23259.png показывает, что при малых амплитудах выходного напряжения в АПН (23270.png) напряжения 23277.png. Отрицательное напряжение питания 23287.png при использовании известных способов стабилизации может принимать значение 23297.png. Таким образом, общее напряжение питания АПН 23305.png, что недостижимо в классическом АПН.

На рис. 1.44 приведены графики, поясняющие особенности работы АПН – зависимость коэффициентов усиления Ky верхнего (входные транзисторы VT1, VT2, VT3, VT4) и нижнего (входные транзисторы VT5, VT6, VT7, VT8) каналов усиления от отношения площадей эмиттерных переходов входных транзисторов

23316.png и  23325.png (1.11)

где Sк.n – площади эмиттерных переходов к-го и n-го транзистора.

При Nв = Nн = 16 начальное положение рабочей точки (uy = 0) соответствует координате Q.

На рис. 1.45 показана схема АПН, в которой напряжения на коллекторах транзисторов VT2, VT3, VT6, VT7 устанавливаются цепью смещения Ес. Это снижает погрешность перемножения сигналов, связанные влиянием внутренней обратной связи (малой величиной напряжения Эрли).

23364.png 

Рис. 1.44. Зависимость коэффициентов усиления Ky верхнего и нижнего каналов усиления от отношения площадей эмиттерных переходов входных транзисторов

23373.png 

Рис. 1.45. Способ минимизации влияния напряжений Эрли входных транзисторов на характеристики АПН [14]

В схеме рис. 1.46 постоянные составляющие 23356.png источников входного напряжения канала «Y» приблизительно одинаковы по величине и имеют одинаковую полярность, а переменные составляющие первого и второго источников входного напряжения канала «Y» противофазны.

На рис. 1.47 приведены графики, поясняющие особенности работы АПН, представленного на рис. 1.46 – зависимость коэффициента передачи по напряжению Ky верхнего (VT1, VT2, VT3, VT4) и нижнего (VT5, VT6, VT7, VT8) каналов усиления при смещении нуля их характеристик управления Ky = f(uy) на величину 23343.png.

 

23384.png 

Рис. 1.46. Аналоговый перемножитель с асимметрией характеристик, устанавливаемых идентичными напряжениями смещения 23336.png 

На рис. 1.48 приведена схема АПН, в которой постоянные составляющие 23395.png первого и второго источников входного напряжения канала «Y» имеют одинаковую полярность и создаются за счет делителей напряжения на резисторах R3, R4 и R5, R6.

23404.png 

Рис. 1.47. Зависимость коэффициента передачи по напряжению Ky каналов усиления от напряжения управления uy

23412.png 

Рис. 1.48. Аналоговый перемножитель с противофазным управлением
по RC-входам канала «Y»

На рис. 1.49 показана схема АПН, в которой первая 23423.png и вторая 23431.png постоянные составляющие источников входного напряжения канала «Y» приблизительно одинаковы по величине, но имеют противоположную полярность, а переменные составляющие первого и второго источников входного напряжения канала «Y» синфазны.

 

23440.png 

Рис. 1.49. Аналоговый перемножитель с однофазным управлением по каналу «Y» и противофазными источниками смещения 23447.png и 23461.png

На рис. 1.50 приведены графики, поясняющие особенности работы АПН рис. 1.49 – при смещении нуля характеристик управления Ky = f(uy) на величины 23472.png и 23480.png для верхнего и нижнего каналов усиления и синфазным изменении переменных составляющих ey1 и ey2.

23489.png 

Рис. 1.50. Положения рабочих точек на характеристике управления АПН

На рис. 1.51 приведена схема АПН, в которой постоянные составляющие первого 23498.png и второго 23506.png источников входного напряжения канала «Y» имеют противоположную полярность и создаются за счет применения резистивных делителей напряжения на элементах R3, R4 и R5, R6.

На рис. 1.52–1.53 приведена схема АПН и её статический режим в среде компьютерного моделирования Cadance, а на рис. 1.54 показана зависимость модуля её коэффициента усиления по напряжению Ku = uвых/ux от уровня напряжения управления uy = Uvar. Такой режим измерения Ku характеризует применение заявляемого АПН в качестве управляемого усилителя.

23515.png 

Рис. 1.51. АПН с противофазным смещением нуля характеристик управления

pic_1_52.tif 

Рис. 1.52. Схема АПН с противофазным смещением нуля в среде компьютерного моделирования Cadance

pic_1_53.tif 

Рис. 1.53. Статический режим АПН в среде компьютерного моделирования Cadance

На рис. 1.54 приведена зависимость модуля коэффициента усиления АПН от напряжения управления.  

pic_1_54.tif 

Рис. 1.54. Зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению АПН
от уровня напряжения управления

Графики рис. 1.55 показывают, что предлагаемый АПН является четырехквадрантным перемножителем.  

pic_1_55.tif 

Рис. 1.55. Проходные характеристики АПН

Временная зависимость выходного напряжения АПН представлена на рис. 1.56.  

pic_1_56.tif 

Рис. 1.56. Выходной сигнал при перемножении ux и uy с частотой 1 ГГц и 10 МГц

Спектр выходных сигналов при перемножении малых ux и uy с частотой 1 ГГц и 10 мГц приведен на рис. 1.57, который показывает, что в выходном сигнале практически отсутствуют первые гармоники входных сигналов fx и fy. Данное свойство характерно для перемножителей напряжения.  

pic_1_57_a_fmt.tif 

а  

pic_1_57_b_fmt.tif 

б

Рис. 1.57. Спектры выходного напряжения АПН при перемножении малых входных сигналов

Таким образом, предполагаемый перемножитель сигналов может работать при малых напряжениях питания, обеспечивает более широкий диапазон рабочих частот и не требует входных согласующих статический режим цепей, отрицательно влияющих на стабильность нуля АПН.


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