Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Архитектура и схемотехника управляемых усилителей и смесителей сигналов

Прокопенко Н Н, Будяков П С,

2.3. Метод расширения частотного диапазона модифицированных перемножающих ячеек Гильберта

Одним из функциональных узлов многих приемопередатчиков являются смесилители сигналов. Классические смесители (рис. 2.8) имеют недостаточно широкий диапазон рабочих частот, обусловленный наличием инерционности в выходных узлах «А» и «В»:

(2.1)

(2.2)

где C_ΣA, C_ΣB – эквивалентные постоянные времени, обусловленные паразитными ёмкостями на подложку и ёмкостями коллектор-база транзисторов VT1-VT6.

Верхняя граничная частота смесителя рис. 2.8 находтся по следующей формуле:

(2.3)

Как видно из (2.3) емкости CΣA и CΣB снижают верхнюю граничную частоту.  

Рис. 2.8. Схемаклассического смесителя с парафазным выходом

Расширение диапазона рабочих частот смесителя со структурой рис. 2.8 можно обеспечить за счет введения специальных цепей взаимной компенсации паразитных емкостей.

На рис. 2.9 представлена схема смесителя с парафазным выходом, в котором повышается верхняя граничная частотаfв (по уровню – 3 дБ).

Статический режим по току транзисторов смесителя рис. 2.9 устанавливается токостабилизирующеми двухполюсниками I1, I2, I3 и I4. Причем исчтоники тока I1 и I2 являются управляющими. И при замене их на преобразователи напряжение-ток позволяют создать второй канал Yи управляя крутизной дифференциальных каскадов на транзисторах VT1-VT2 и VT3-VT4 модулировать сигнал по каналу X.

В данном смесителе буферные усилители реализованы на транзисторахVT7 и VT8, ток которых задается источниками тока I3 и I4. Конденсаторы C∑3 и C∑4. моделируют эквивалентные ёмкости в соответствующих высокоимпедансных узлах, которые обусловлены ёмкостями на подложку элементов VT3, I2, VT4, I3, а также ёмкостями коллектор-база транзисторов VT3, VT7 и VT4, VT6.

Рис. 2.9. Схема широкополосного смесителя с цепями взаимной
компенсации паразитных емкостей

Особенность схемы рис. 2.10 состоит в том, что за счет введения корректирующих конденсаторов C1 и C2 более чем в два раза расширяется диапазон его рабочих частот (рис. 2.11) – верхняя граничная частота fв увеличивается от 173 до 400 МГц. Данный эффект объясняется взаимной компенсацией паразитных ёмкостей на подложку, ёмкостей коллектор-база и корректирующих конденсаторов C1, C2. При этом, эффективные ёмкости в высокоимпедансных узлах СА.эф, СВ.эф уменьшаются до величины:

(2.4)

(2.5)

где αVT5 ≈ αVT6 ≈ 0,9...0,99 – коэффициент усиления по току эмиттера транзисторов VT5 и VT6; Ky.VT7 ≈ Ky.VT8 – коэффициенты усиления по напряжения буферных усилителей на транзисторах VT7 и VT8; C∑A ≈ C∑B – эквивалентныеемкости в узлах A и B; C1 ≈ C2 – корректирующие конденсаторы.

В результате эквивалентные постоянные времени в высокоимпедансных узлах А и В (коллекторах транзисторов VT5 и VT6) уменьшаются, что повышает верхнюю граничную частоту fв смесителя (рис. 2.11).

Рис. 2.10. Схема смесителя в среде компьютерного моделирования PSpice

На рис. 2.11 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению смесителя рис. 2.10 при разных значениях ёмкостей корректирующих конденсаторов С₁ и С₂.

На рис. 2.12 приведена зависимость выходных напряжений смесителяпри входном синусоидном сигнале U_x1 = U_x2 = 1 мВ, частоте входного сигнала F_x1 = F_x2 = 282 МГц и емкости корректирующих конденсаторов С1 = С2 = 400 фФ и напряжении на канале «Y» 50 мВ.

График рис. 2.13 показывает работу смесителя рис. 2.10 в режиме управляемого усилителя.

Рис. 2.11. Частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению

Рис. 2.12. Зависимость выходных напряжений смесителя при входном синусоидном сигнале Ux1 = Ux2 = 1 мВ

Рис. 2.13 ЛАЧХ смесителя в режиме управляемого усилителя,
при С1 = С2 = 400 фФ, V9 = V12 = Vvar = 10...100 мВ, c шагом 10 мВ

Результаты компьютерного моделирования схемы рис. 2.10 показывают (рис. 2.11–2.13), что введение корректирующих емкостей С1, С2 позволяет расширить диапазон рабочих частот классического смесителя, а величины этих емкостей малы и не приведут к увеличению площади кристалла.