Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Архитектура и схемотехника управляемых усилителей и смесителей сигналов

Прокопенко Н Н, Будяков П С,

13.1. Низковольтный аналоговый СВЧ смеситель и перемножитель на основе токовых зеркал

Аналоговый перемножитель (смеситель) сигналов является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов ВЧ и СВЧ-диапазонов, аналоговой вычислительной и измерительной техники, квадратурных модуляторов и демодуляторов.

В цифровых интегральных микросхемах результатом увеличения скорости обработки информации стали тенденции постоянного уменьшения напряжения питания, что не приемлемо в аналоговом проектировании с высокими характеристиками. При технологических нормах 350 нм (напряжение питания 3,3 В) по прежнему достаточно схемотехнических возможностей для аналоговых проектирований с высокими характеристиками, хотя наличие 5 В питания было бы предпочтительнее. При нормах 180 нм (1,8 В) процесс усложняется и статические характеристики аналоговых устройств страдают. При 90...130 нм технологии необходимо развитие новых подходов к проектированию микросхем, ориентированных на обеспечение работоспособности при низковольтном питании.

Таким образом, при напряжении питания 1,5 В, характерных для малых технологических норм, запрещается использовать многоярусные дифференциальные пары или каскодные конфигурации. В этой связи достаточно актуальным является поиск альтернативных ячейке Гильберта архитектур смесителей сигналов, допускающих работу при малых напряжениях питания.

Архитектура смесителя и основные результаты моделирования. На рис. 13.1 приведена схема смесителя сигналов [66] для SGB25VD технологического процесса, внедряемого российскими предприятиями в рамках ФЦП «Национальная технологическая база». Особенности схемы рассмотрены в [3].

Ниже приводятся результаты исследования смесителей, соответствующих архитектуре рис. 13.1 в среде Cadence на моделях интегральных SiGe транзисторов фирмы IHP (Германия).

Схема смесителя на основе токовых зеркал по технологии SGB25VD в среде Cadence показана на рис. 13.2 и 13.3.

Рис. 13.1. КДН. Концепция построения архитектуры смесителей сигналов
на базе токовых зеркал [66]

Рис. 13.2. Схема SiGe смесителя на основе повторителей тока в среде Cadence

Для исследования были выбраны транзисторы npnVsIHP (Германия) с площадью эмиттера 11 мкм2. Максимальный ток коллектора равен 48 мА. Напряжение пробоя коллектор-эмиттер – 4 В, граничная частота Ft = 50 ГГц. Сопротивление резисторов нагрузки R2 и R3 равно 1 кОм. Резисторы R4 и R5 с номиналами 500 Ом служат для преобразования напряжения гетеродина в токи токовых зеркал.  

Рис. 13.3. Статический режим предлагаемого смесителя

Входные порты тестовой схемы рис. 13.4 реализованы с помощью элемента port библиотеки analog lib и имеют внутреннее сопротивление 50 Ом. В качестве симметрирующего устройства используется элемент ideal_balun из той же библиотеки analog lib. Для согласования выхода смесителя с нагрузкой 50 Ом применен буферный усилитель E0 с коэффициентом усиления по напряжению, равном единице. Тестовая схема питается от двух источников напряжения ±1,5 В.

Порт RF работает в режиме слабого сигнала на частоте Frf = 5.001 ГГц.

На графике рис. 13.5 по оси X приводится мощность сигнала гетеродина, выраженная в дБм (децибел относительно милливатта). Частота гетеродина (LO) равна Flo = 5ГГц. На выходе смесителя присутствует гармоника на частоте 1 МГц, амплитуда которой зависит от мощности гетеродина (рис. 13.5).

Рис. 13.4. Тестовая схема для исследования параметров смесителя

Рис. 13.5. Зависимость коэффициента преобразования от мощности сигнала гетеродина plo (дБм) в исследуемой схеме смесителя

Графики на рис. 13.6, 13.7 и 13.8 были получены в результате моделирования на малом сигнале с помощью анализа AC smallsignalanalysis.

Как видно из графика рис. 13.9 коэффициент преобразования смесителя практически не меняется в зависимости от выходной частоты преобразования. Мощность гетеродина при этом равна 15 дБм на частоте 5 ГГц.

Исследование шумовых параметров. Шум исследуемого смесителя, ослабленный усилением МШУ, устанавливает предел амплитуды выделяемого без искажений сигнала, что влияет на чувствительность приемника. Для определения шумов ниже используется коэффициент шума (NF), который показывает, во сколько раз изменилось отношение сигнал/шум на выходе смесителя по отношению ко входному соотношению сигнал/шум. Коэффициент NF 0 дБ – идеальный случай, означает, что смеситель не добавляет шума к сигналу. Коэффициент NF-3дБ подразумевает, что смеситель добавил величину шума, равную уже существующему шуму в сигнале. Для типичного смесителя NF »» 15 дБ. Рис. 13.10 показывает, что коэффициент шума предлагаемого смесителя рис. 13.2 равен 10,6 дБ, что меньше, чем типичное значение.  

Рис. 13.6. Зависимость коэффициента усиления по напряжению от статического напряжения гетеродина Uy на частоте 5 ГГц

Рис. 13.7. Зависимость коэффициента усиления по напряжению от статического напряжения гетеродина Uy на частоте 100 МГц

Рис. 13.8. Зависимость коэффициента усиления от частоты

Рис. 13.9. Зависимость коэффициента преобразования от выходной промежуточной частоты IF

Коэффициент NF измерялся с помощью pnoise анализа: частота гетеродина Flo = 5 ГГц, мощность гетеродина равна 15 дБм.

На рис. 13.11 изображен график зависимости выходного шума смесителя, выраженного в дБ, от выходной частоты.

Эффективность изоляции между портами RF, IF и LO. Развязка (изоляция) портов представляет собой параметр, характеризующий степень подавления паразитного прохождения сигнала, приложенного к какому-либо входу (порту) смесителя, на два других выхода. Единственный сигнал, который должен присутствовать на выходе смесителя – это сигнал промежуточной частоты. Неидеальность развязки портов приводит, в частности, к возникновению явления самосмешения сигналов, существенно ухудшающему качество функционирования тракта.  

Рис. 13.10. Зависимость коэффициента однополосного (SSB) шума
от промежуточной частоты

Рис. 13.11. Зависимость выходного шума от промежуточной частоты

Частота гетеродина Flo = 5 ГГц, мощность гетеродина равна 15 дБм.

Величина развязки зависит от того, является ли смеситель небалансным, простым балансным или двойным балансным. В небалансных смесителях вообще отсутствует развязка между портами. Наилучшую развязку между всеми тремя портами обеспечивают двойные балансные смесители.

Рис. 13.12 показывает, что изоляция от порта LO к порту IF в рассматриваемом смесителе равна –277 дБ.  

Рис. 13.12. Изоляция (прохождение сигнала)
от порта LO (гетеродин) к порту IF (нагрузка)

Анализ рис. 13.13 показывает, что изоляция от порта RF к порту IF равна –68 дБ.  

Рис. 13.13. Изоляция (прохождение сигнала) от порта RF (сигнал радиочастоты) к порту IF (нагрузка) в зависимости от частоты сигнала

Анализ рис. 13.14 и 13.15 показывают, что изоляция от порта LO к порту RF в схеме рассматриваемого смесителя равна минус 322 дБ, а от порта RF к порту LO – минус  260 дБ.

Таким образом, изоляция от порта LO к порту RF равна –250 дБ.  

Рис. 13.14. Изоляция (прохождение сигнала) от порта LO (гетеродин)
к порту RF (сигнал радиочастоты)

Рис. 13.15. Изоляция (прохождение сигнала) от порта RF (сигнал радиочастоты) к порту LO (гетеродин) в зависимости от промежуточной частоты

Интермодуляционные искажения и точка компрессии при использовании QPSS и QPAC анализов. Искажения в рассматриваемом смесителе ограничивают чувствительность приемника, если на входе действует большой сигнал помехи, частота которой находится в полосе пропускания входного РЧ фильтра. Существует два способа оценки искажений, представляющих интерес:

– уровень нелинейных искажений;

– уровень интермодуляционных искажений.

По определению 1 дБ точка компрессии (CP1) (рис. 13.16) это точка, где мощность основной гармоники пересекает линию, экстраполированную от слабого сигнала, по –1 дБ. Точка компрессии 3 порядка (IP3) это точка, когда продукты третьего порядка, экстраполированные от режима слабого сигнала, пересекаются с мощностью основной гармоники, так же экстраполированной от режима слабого сигнала.

Экстраполирование линии от слабого сигнала означает, что изменение выходной мощности измеряется/рассчитывается на малом сигнале, когда нелинейности малы. При этом точка пересечения находится путем продолжения получившейся на малом сигнале линии. Оба графика CP1 и IP3 показаны на рис. 13.16.  

Рис. 13.16. Точка компрессии (1 дБ) и точка пересечения третьего порядка

Интермодуляционные искажения проявляются, когда сигналы на частотах f1 и f2 смешиваются и формируют сигналы на частотах 2f1 – f2 и 2f2 – f1. Если f1 и f2 достаточно близки по частоте, то интермодуляционные продукты 2f1 – f2 и 2f2 – f1 находятся в полосе пропускания РЧ тракта и будут мешать приему входного сигнала. Далее, вследствие попадания в полосу пропускания РЧ тракта гармоник нечетного порядка интермодуляционных частот искажается выходной сигнал.

Интермодуляционные искажения обычно измеряются в виде точки пересечения третьего порядка. Как показано на рис. 13.16, можно определить точку пересечения третьего порядка (IP3) путем построения мощности основной гармоники и мощности продуктов интермодуляции третьего порядка по сравнению с входной мощностью. Входные и выходные мощности должны быть построены в логарифмическом масштабе. Экстраполируя обе кривые от низкого уровня входной мощности можно определить точку их пересечения, то есть точку пересечения третьего порядка. Чтобы определить ее с хорошей точностью, необходимо иметь широкую линейную область, где бы обе кривые следовали их асимптотическому поведению. Тогда в асимптотической области наклон n-ого порядка продукта искажений будет иметь n-дБ наклон. Таким образом, при измерении IP3, кривая мощности основной гармоники экстраполируется от той точки, где кривая имеет наклон 1 дБ относительно ее линейной области. Точка пересечения интермодуляционных продуктов третьего порядка экстраполируется из точки, где ее кривая имеет наклон 3 дБ относительно ее линейной области.

Рекомендуемые параметры для измерения IP3: необходимо задать сигнал LO (сигнал гетеродина) и сигнал RF (сигнал радиочастоты) с одной частотой и выполнить анализ QPSS. Затем вводится вторая гармоника, близкая по частоте к сигналу RF и выполняется анализ QPAC для вычисления IP3. Мощность сигнала в режиме small-signal, должна быть достаточно мала, чтобы попасть в асимптотические диапазоны интермодуляционных продуктов первого и третьего порядка.  

Рис. 13.17. Однодецибельная точка компрессии (–16,9 дБм)

Рис. 13.18. Точка пересечения третьего порядка (–7,2 дБм)

Из приведенных выше характеристик рис. 13,17–13,18 можно сделать вывод о том, что предлагаемая архитектура смесителя (перемножителя) сигналов является альтернативой ячейке Гильберта и может применяться в низковольтных SiGe технологиях. Схема рис. 13.1 имеет меньшее напряжение питания (±1,5 В), чем ячейка Гильберта, так как не содержит многоярусной архитектуры. В схеме отсутствуют входные согласующие статический режим цепи.