Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Архитектура и схемотехника управляемых усилителей и смесителей сигналов

Прокопенко Н Н, Будяков П С,

3.2. Аналоговые перемножители сигналов на базе дифференциальных каскадов с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу

В настоящее время существуют схемотехнические методы, позволяющие использовать однотипные n-p-n-транзисторы с относительно низким напряжением питания в структуре не только различных узлов и устройств, но и СФ блоков систем на кристалле. Это позволяет в перспективе расширить область практического использования SGB25VD [28] SiGe технологии и, следовательно, повысить технико-экономические показатели микроэлектронных изделий. Создание схемотехники аналоговых перемножителей под указанную технологию позволит не только повысить качественные показатели СВЧ фильтров, квадратурных модуляторов, квадратурных демодуляторов и других устройств нового поколения, образующих СФ блоки СВЧ РЭА специального назначения, но и разработать принципиально новую номенклатуру ИС более широкого функционального применения [87-90].

Исследование свойств дифференциальных каскадов с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу показало [29-31], что на базе данных структур возможна реализация аналоговых перемножителей напряжения с модифицированным (в сравнении с классическим АПН на ячейке Джильберта) алгоритмом управления эмиттерными токами входных транзисторов (рис. 3.11а). Действительно, в архитектуре АПН рис. 3.11а для перемножения двух сигналов ux и uy достаточно управлять эмиттерными токами транзисторов только одной дифференциальной пары. Это упрощает структуру преобразователя «напряжение uy – ток», который может реализовываться по схеме с одним недифференциальным входом.

В схеме АПН рис. 3.11б преобразователь «управляющее напряжение – ток» содержит N параллельно включенных транзисторов, эмиттеры которых объединены и соединены со вспомогательным источником опорного тока I3 и через масштабирующий резистор R1 связаны с токовым выходом «Вых.i» преобразователя «управляющее напряжение – ток».

Рассмотрим работу схемы АПН на рис. 3.11а.  

а

б

Рис. 3.11. Архитектура АПН (а) и пример ее практической реализации (б) [31]

В статическом режиме ток через масштабирующий резистор R1 равен нулю, так как потенциалы на его выводах одинаковы. Отрицательная обратная связь по синфазному сигналу, которая вводится через дополнительный выходной ДУ1 и управляемые источники тока ИОТ1 и ИОТ2 в эмиттерные цепи каскадов ДУ1 и ДУ2, обеспечивает равенство суммы выходных токов каскадов ДУ1 и ДУ2 токам двухполюсников I2 и I3. При нулевых входных токах по входам «Вых.1» и «Вых.2»

(3.3)

(3.4)

где IкVT1, IкVT2, IкVT3, IкVT4 – статические выходные токи дифференциальных каскадов.

Причем статические токи по общим эмиттерным цепям I6 и I12 устанавливается одинаковыми

(3.5)

Известно, что для выполнения операции перемножения двух напряжений ux и uy в АПН, реализованном на перемножающей ячейке Джильберта на базе первого и второго дифференциальных каскадов, необходимо обеспечить противофазное изменение под действием напряжения (uy) на канале «Y» (вход «Вх.3») токов в общих эмиттерных цепях первого I6 и второго I12 дифференциальных каскадов. В заявляемой схеме АПН этот эффект реализуется следующим образом.

Если uy получает положительное приращение, то ток iR через резистор R1 изменяется

(3.6)

где R1 – сопротивление резистора R1; iвых.i – выходной ток преобразователя УНТ1.

В первый момент времени все приращение тока iR поступает в низкоомную эмиттерную цепь первого дифференциального каскада, что создает положительное приращение выходного синфазного напряжения uc = 0,5(u23.c + u22.c), а также выходного тока i25.с по синфазному выходу «Вых.3» дополнительного выходного дифференциального усилителя ДУ1 и, следовательно, выходных токов управляемых источников опорного тока ИОТ1 и ИОТ2.

В результате приращение выходного тока преобразователя УНТ1 iвых.i = iR складывается из двух составляющих

I _вых.i = i_R = i₆ + i₅, (3.7)

где i₆ – ток общей эмиттерной цепи ДУ1; i₅ – выходной ток управляемого источника тока.

В связи с идентичностью управляемых источников тока ИОТ1 и ИОТ2 ток общей эмиттерной цепи ДУ2

(3.8)

Таким образом, благодаря введению отрицательной обратной связи по синфазному сигналу в схеме на рис. 3.11а обеспечивается противофазное, причем, симметричное управление эмиттерными токами транзисторов первого и второго дифференциальных каскадов – ток общей эмиттерной цепи (токового входа ДУ1) уменьшается, а ток общей эмиттерной цепи ДУ2 – увеличивается на 0,5iR. Данное соотношение токов является одним из необходимых условий для перемножения
напряжений ux и uy.

При этом следует заметить, что допустимый линейный диапазон изменения напряжения uy по каналу «У» определяется в общем случае произведением

Uy.max ≈ I₁R₁, (3.9)

где I₁ – ток двухполюсника преобразователя УНТ1; R₁ – сопротивление резистора R1.

Что касается диапазона линейной работы АПН на рис. 3.11 по каналу «Х», то он достаточно мал (10-50 мВ). Это позволяет использовать АПН на рис. 3.11 в качестве смесителя двух сигналов ux и uy. Для повышения диапазона перемножения по каналу «Х» следует использовать традиционный схемотехнический прием – включение по входу «Х» логарифмических диодов.

Замечательной особенностью схем на рис. 3.11 является возможность получения выходного статического синфазного напряжения на выходах «Вых.1» и «Вых.2» (Uвых.с), близкого к нулю. Это упрощает согласование АПН с другими функциональными узлами, подключенными к его выходам «Вых.1» и «Вых.2». В частном случае (рис. 3.11б), за счет введения в эмиттеры транзисторов VT6 и VT7 вспомогательных p-n-переходов можно практически всегда получить Uвых.с ≈ 0.

Представленные на рис. 3.12 и рис. 3.13 зависимости подтверждают, что предлагаемый АПН выполняет функции перемножителя напряжений.
Данная схема может быть реализована только на однотипных n-p-n-транзисторах, что положительно влияет на частотный диапазон АПН и его характеристики как смесителя сигналов.  

Рис. 3.12. Зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению
Ku = uвых/ux АПН рис. 3.11б

Рис. 3.13. «Перемножающие» свойства АПН рис. 3.11б
в диапазоне средних частот

Таким образом, в предлагаемом подклассе АПН [31] созданы условия для получения выходных статических напряжений,«смещенных» к общей шине источников питания. Это позволяет обеспечить эффективное согласование статических режимов SiGe-АПН по выходу с его последующим функциональным узлом, а также обеспечить работоспособность АПН при сравнительно низкоомных СВЧ нагрузках (50 Ом), подключаемых к выходам «Вых.1» и «Вых.2».