Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Архитектура и схемотехника управляемых усилителей и смесителей сигналов

Прокопенко Н Н, Будяков П С,

6.2. Аналоговые перемножители с несимметричным выходом

Основная цель предлагаемой модернизации классического АПН [45] заключается в снижении напряжения питания АПН до уровня ±(1...1,5 В) при одновременном упрощении схемы и расширении полосы пропускания АПН путем повышения симметрии каналов передачи напряжения ux, а также точности перемножения сигналов ux и uy на высоких частотах (рис. 6.17).

Рассмотрим работу схемы АПН на рис. 4.40 [45].

В статическом режиме, когда напряжение управления равно нулю (uy = 0), эмиттерные и коллекторные токи транзисторов схемы на рис. 6.17 устанавливаются резисторами R2 и R3. При этом

(6.7)

(6.8)

где Iкi – коллекторные токи транзисторов VT1, VT2, VT3 иVT4, IR2, IR3 – токи через резисторы R2 и R3.

Рис. 6.17. Архитектура предлагаемого АПН с RC-связью [45]

Емкость конденсатов С1 иС2 (С1 = С2) выбирается такой, чтобы во всем частотном диапазоне ωх сигнала ux выполнялось неравенство

(6.9)

где ωx – частота сигнала по каналу «Х»; rэVT1 – сопротивление эмиттерного перехода транзистора VT1; φт ≈ 26 мВ – температурный потенциал.

Поэтому коэффициент усиления по напряжению от источника ux:

(6.10)

где Rн.экв – эквивалентное сопротивление нагрузки (Rн.экв ≈ R1).

Если напряжения uy увеличиваются, то это приводит к появлению приращений токов и . Приращение передается на выход через транзистор VT2, а с другой стороны поступает в нагрузку R1 в противофазе через транзисторы VT4 и VT3. Если во всем диапазоне частот ωy сигнала uy выполняется неравенство

(6.11)

то все приращение практически без потерь поступает в цепь нагрузки и компенсирует составляющую коллекторного тока . В результате на выходе обеспечивается полное подавление сигнала управления Uy. Как следствие уровень постоянной составляющей выходного напряжения АПН не изменяется, что позволяет применять непосредственную связь между каскадами, связанными с дальнейшей обработкой сигналов перемножения.

В схеме на рис. 6.17 при увеличении uy коэффициент усиления по напряжению каскада на транзисторах VT1 и VT2 уменьшается

(6.12)

а каскада на транзисторах VT3 и VT4 увеличивается

(6.13)

где Rн.экв. – эквивалентное сопротивление нагрузки R1; rэVTi – сопротивление эмиттерного перехода транзистора VTi.

Поэтому, переменное выходное напряжение АПН пропорционально произведению ux и uy (при их изменении в небольших пределах):

(6.14)

Следует заметить, что в схеме на рис. 6.17 каналы передачи напряжения от источников сигналов ux и  идентичны, что расширяет полосу пропускания АПН по выходу (особенно при малых величинах uy и ux).

Важная особенность схемы на рис. 6.17 – подавление передачи сигнала uy на выход. Действительно, при изменении токов и  коллекторные токи транзисторов VT2 и VT3 изменяются относительно нагрузки R1 противофазно, что стабилизирует статическое напряжение на этом резисторе R1.

Представленные на рис. 6.19 и рис. 6.20 графики показывают, что в режиме управляемого усилителя коэффициент Кu предлагаемого АПН при выбранных сопротивлениях резисторов нагрузки изменяется в диапазоне 0...70.

Рассмотрим факторы, ограничивающие уровень напряжения питания в АПН на рис. 6.1.

Величина положительного напряжения источника питания зависит от статического падения напряжения на резисторе нагрузки R1, а также необходимого диапазона изменения выходного напряжения Uвых.max:

Uвых.max ≈ 2I0R1, (6.15)

где I0 – статический ток через резистор нагрузки R1.

Рис. 6.18. Схема АПН в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар»

Рис. 6.19. Зависимость коэффициента усиления по напряжению Ku = uвых/ux АПН от уровня напряжения Uy на входах канала «У»

Рис. 6.20. Зависимость модуля Ku = f(Uy) в диапазоне средних частот

С другой стороны для исключения насыщения транзисторов VT1, VT2, VT3 иVT4 при изменении uвых необходимо обеспечить

(6.16)

Таким образом, из (4.23) и (4.24) следует, что минимально возможное напряжение питания АПМ на рис. 6.1 находится из уравнения:

(6.17)

Следовательно, при малых Uвых.max АПН на рис. 6.1 обеспечивает устойчивую работу при .

Однако, из-за двухъярусной структуры АПН на рис. 6.1 не может работать при малых напряжениях . В этой схеме отрицательное напряжение питания должно быть больше, чем

(6.18)

где UэбVT2 ≈ 0,7 В – напряжение на переходе эмиттер-база транзистора VT2 (VT1, VT3, VT4); UR2 ≈ 0,7 В – минимально возможное напряжение на резисторе R2.

Из выражения (6.18) следует, что АПН-прототип требует отрицательного напряжения питания не менее, чем .

Рассмотрим далее ограничения на в схеме предлагаемого АПН [70].

Величина напряжения положительного источника питания определяется также как и АПНна рис 6.1 формулой (6.15).

Минимальное напряжение отрицательного источника питания АПМ на рис. 4.40 находится с учетом второго закона Кирхгофа из решения следующей системы неравенств, полученных при малых
величинах u_x и u_y:

(6.19)

где UэбVT1 = UэбVT2 ≈ 0,7 В – напряжение эмиттер-база транзисторов VT1 и VT2; UR2min = UR2min ≈ 0,1...0,3 В – минимально допустимое напряжение на резисторах R2 и R3, при котором обеспечивается заданная стабильность статистического режима транзисторов.

Результаты эксперимента подтверждают работоспособность предлагаемого АПН при .

В АПН рис. 6.18 обеспечивается достаточно линейная характеристика управления Ku = f(Uy), где Uy – напряжение на входе «Y» (V7, V10).

Предлагаемый АПН может эффективно использоваться в качестве «миксера» двух сигналов. Переходный процесс в АПН при смешении сигналов с частотами fx = 10 МГц и fy = 1 МГц приведен на рис. 6.22. График рис. 6.21 характеризует спектр выходного напряжения смесителя. Из этого графика следует, что основная гармоника на выходе существенно подавляется.  

Рис. 6.21. Результаты моделирования предлагаемого АПН в режиме смесителя двух сигналов, для случая, когда на вход «Х» (V8, V9) подается fx = 10 МГц, а на вход «Y» (V7, V10) fy = 1 МГц

Свойства АПН в режиме перемножения двух напряжений (рис. 6.22) показывает, что предлагаемое техническое решение может использоваться в качестве модулятора [45].  

Рис. 6.22. Результаты компьютерного моделирования переходных процессов смесителя рис. 6.18

При использовании двух АПН возможно построение перемножителей с дифференциальным выходом [45].

Таким образом, предлагаемая архитектура АПН [45] имеет более низкие значения напряжений питания, что позволяет использовать для ее построения более высокочастотные SiGe транзисторы и расширить при этом диапазон рабочих частот.