Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Архитектура и схемотехника управляемых усилителей и смесителей сигналов

Прокопенко Н Н, Будяков П С,

6.1. Низковольтный аналоговый перемножитель напряжений на базе токовых зеркал

За основу построения предлагаемого АПН взята известная схема управляемого усилителя (УУ) (рис. 6.2), рассмотренного в патенте фирмы Philips [44] (рис. 6.2). Данный УУ не может работать при низких напряжениях питания, например, Eп = 1 В, которые необходимо использовать для микросистем на базе перспективных SiGe технологий. Действительно, особенности архитектуры известного УУ создают проблемы с потенциальным управлением усилением, так как требуют предварительного преобразования сигнала управления uy в ток токостабилизирующего двухполюсника, что отрицательно сказывается на минимально возможных величинах Еп.  

Рис. 6.2. Схема известного управляемого усилителя

Предлагаемое техническое решение [43] является альтернативой широко распространенной перемножающей ячейки Джильберта.

На рис. 6.3 показана схема предлагаемого УУ.  

Рис. 6.3. Архитектура предлагаемого управляемого усилителя [43]

На рис. 6.4 приведена модификация схемы УУ [43].

Рассмотрим работу схемы рис. 6.3 [43].

В статическом режиме (ux = 0, uy = 0) ток I3 = 2I0 резистора R3 делится пополам между транзисторами VT1 и VT3:

(6.2)

Так как транзисторы VT1 и VT2 образуют токовое зеркало, то статический ток коллектора транзистора VT2: Iк2 = Iэ2 = I0.

Рис. 6.4. Модификация схемы УУ [43]

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению каскада с общей базой на транзисторе VT2

(6.3)

где Rн.экв – эквивалентное сопротивление нагрузки Rн.экв; ; φт ≈ 25 мВ – температурный потенциал.

Если на вход «Вх.y» подается напряжение управления Uy ≠ 0, то это создает в элементах схемы ток :

(6.4)

где rэ3, rэ1 – сопротивления эмиттерных переходов транзисторов VT1 и VT3.

Как следствие, эмиттерный ток транзистора VT2 и сопротивление его эмиттерного перехода изменяются

(6.5)

В свою очередь это вызывает изменение коэффициента усиления, который растет:

(6.6)

Таким образом, устройство рис. 6.3 обладает свойствами управляемого усилителя, что подтверждается результатами моделирования.

Емкость C1 обеспечивает шунтирование переменных составляющих сигнала uх.

Для расширения диапазона линейной работы по каналу Uу между p-n переходами транзисторов VT1 и VT3 целесообразно включать дополнительный резистор.

Минимальное напряжение питания () в схеме определяется падением напряжения на резисторе R1: . Практически в схеме .

Управляемый усилитель рис. 6.5 имеет более глубокое подавление сигнала управления uy на выходе, что обеспечивается его архитектурой.  

Рис. 6.5. УУ с высоким подавлением сигнала управления [43]

На рис. 6.6 представлена схема аналогового перемножителя сигналов на основе двух УУ (рис. 6.3) с объединенными выходами [43].

Особенность схемы рис. 6.7 – более высокое входное сопротивление по входам Вх.х* и Вх.y*, что обеспечивается буферными усилителями БУ1 и БУ2, которые осуществляют «привязку» к общей шине источников питания сигналов uy и .

На рис. 6.8 приведена схема УУ (рис. 6.3) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

Рис. 6.6. Аналоговый перемножитель сигналов на основе двух УУ с объединенными выходами [43]

Рис. 6.7. УУ с дополнительными буферными усилителями [43]

На рис. 6.9 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению УУ рис. 6.8 в диапазоне частот при разных значениях напряжения управления УУ.

Таким образом, УУ может иметь приемлемый для большинства применений диапазон изменения напряжения питания при Eп.min = 1...1,5 В.

На рис. 6.10 приведен график зависимости коэффициента усиления УУ рис. 6.8 от управляющего напряжения Uy в диапазоне средних частот.

Рис. 6.8. УУ в среде компьютерного моделирования PSpice

Рис. 6.9. Зависимость коэффициента усиления по напряжению УУ в диапазоне частот при разных значениях напряжения управления

На рис. 6.11 приведена схема аналогового перемножителя на базе УУ (рис. 6.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на рис. 6.12 – его модуляционная характеристика при перемножении ux с частотой 100 МГц и uy с частотой 100 кГц.

Рис. 6.10. Зависимость коэффициента усиления УУ от управляющего напряжения Uy в диапазоне средних частот

Рис. 6.11. Аналоговый перемножитель на базе УУ в среде компьютерного моделирования PSpice

Рис. 6.12. Модуляционная характеристика АПН

График рис. 6.13 иллюстрирует спектр выходных сигналов АП рис. 6.11 при частоте сигнала управления 100 кГц.   

Рис. 6.13. Спектр выходных сигналов АПН
при частоте сигнала управления 100 кГц

Пример построения аналогового перемножителя на базе УУ рис. 6.3 приведен на рис. 6.14, а на 6.15 показано выходное напряжение АПН рис. 6.14 при перемножении двух сигналов ux с частотой 100 МГц и uy с частотой 100 кГц.

График рис. 6.16 иллюстрирует спектр выходных сигналов АП при частоте сигнала управления 100 кГц.

Рис. 6.14. Пример построения аналогового
перемножителя на базе УУ

Рис. 6.15. Выходное напряжение АПН при перемножении
двух сигналов ux с частотой 100 МГц
и uy с частотой 100 кГц

Рис. 6.16. Спектр выходных сигналов АПН
при частоте сигнала управления 100 кГц

Таким образом, предлагаемые схемы управляемого усилителя и аналогового перемножителя на его основе [43] имеют более низкие значения напряжений питания, что позволяет использовать их для построения более высокочастотных SiGe транзисторов и расширить при этом диапазон рабочих частот.