низковольтный аналоговый перемножитель напряжений
Классы МПК: | H03F3/45 дифференциальные усилители |
Автор(ы): | Прокопенко Николай Николаевич (RU), Серебряков Александр Игоревич (RU), Хруслов Алексей Александрович (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-02-24 публикация патента:
10.07.2010 |
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления. Технический результат: снижение напряжения питания меньше 1,5 В. Низковольтный аналоговый перемножитель напряжений содержит первый (1) дифференциальный каскад (ДК), второй (7) ДК, первый (2) и второй (3) токовые выходы первого (1) ДК связаны соответственно со вторым (9) и первым (8) токовыми выходами второго (7) ДК, второй (5) потенциальный вход первого (1) ДК соединен с первым (10) потенциальным входом второго (7) ДК и связан с первым (13) входом канала перемножения «X», первый (4) потенциальный вход первого (1) ДК соединен со вторым (11) потенциальным входом второго (7) ДК и связан со вторым (14) входом канала перемножения «X», а токовый вход (6) первого (1) ДК и токовый вход (12) второго (7) ДК соединены с первым (15) источником питания (ИП) соответственно через первый (16) и второй (17) токостабилизирующие двухполюсники, первый (2) и второй (3) токовые выходы первого (1) ДК связаны с цепью нагрузки (19), причем аналоговый перемножитель имеет также первый (20) вход канала перемножения «Y», второй (21) вход канала перемножения «Y». В схему введен первый (22), второй (23), третий (24) и четвертый (25) вспомогательные резисторы (Р), первый (26) и второй (27) прямо смещенные p-n переходы, первый вход 20 канала перемножения «Y» соединен с токовым входом (6) в общей эмиттерной цепи первого (1) ДК через последовательно соединенные третий (24) Р и первый (26) прямо смещенный p-n переход, второй вход (21) канала перемножения «Y» соединен с токовым входом (12) в общей эмиттерной цепи второго (7) ДК через последовательно соединенные четвертый (25) Р и второй (27) прямо смещенный p-n переход, причем первый (28) общий узел третьего (24) Р и первого (26) прямо смещенного p-n перехода соединен через первый (22) Р со вторым (18) ИП, а второй (29) общий узел четвертого (25) Р и второго (27) прямо смещенного p-n перехода соединен через второй (23) Р со вторым (18) ИП. 4 ил.
Формула изобретения
Низковольтный аналоговый перемножитель напряжений, содержащий первый (1) дифференциальный каскад, имеющий первый (2) и второй (3) токовые выходы, первый (4) и второй (5) потенциальные входы и токовый вход (6) в общей эмиттерной цепи первого (1) дифференциального каскада, второй (7) дифференциальный каскад, имеющий первый (8) и второй (9) токовые выходы, первый (10) и второй (11) потенциальные входы и токовый вход (12) в общей эмиттерной цепи второго (7) дифференциального каскада, причем первый (2) токовый выход первого (1) дифференциального каскада связан со вторым (9) токовым выходом второго (7) дифференциального каскада, а второй (3) токовый выход первого (1) дифференциального каскада связан с первым (8) токовым выходом второго (7) дифференциального каскада, второй (5) потенциальный вход первого (1) дифференциального каскада соединен с первым (10) потенциальным входом второго (7) дифференциального каскада и связан с первым (13) входом канала перемножения «X», первый (4) потенциальный вход первого (1) дифференциального каскада соединен со вторым (11) потенциальным входом второго (7) дифференциального каскада и связан со вторым (14) входом канала перемножения «X», токовый вход (6) первого (1) дифференциального каскада соединен с первым (15) источником питания через первый (16) токостабилизирующий двухполюсник, токовый вход (12) второго (7) дифференциального каскада соединен с первым (15) источником питания через второй (17) токостабилизирующий двухполюсник, первый (2) и второй (3) токовые выходы первого (1) дифференциального каскада связанны с цепью нагрузки (19), причем аналоговый перемножитель имеет также первый (20) вход канала перемножения «Y», второй (21) вход канала перемножения «Y», отличающийся тем, что в схему введен первый (22), второй (23), третий (24) и четвертый (25) вспомогательные резисторы, первый (26) и второй (27) прямо смещенные p-n переходы, первый вход (20) канала перемножения «Y» соединен с токовым входом (6) в общей эмиттерной цепи первого (1) дифференциального каскада через последовательно соединенные третий (24) вспомогательный резистор и первый (26) прямо смещенный p-n переход, второй вход (21) канала перемножения «Y» соединен с токовым входом (12) в общей эмиттерной цепи второго (7) дифференциального каскада через последовательно соединенные четвертый (25) вспомогательный резистор и второй (27) прямо смещенный p-n переход, причем первый (28) общий узел третьего (24) вспомогательного резистора и первого (26) прямо смещенного p-n перехода соединен через первый (22) вспомогательный резистор со вторым (18) источником питания, а второй (29) общий узел четвертого (25) вспомогательного резистора и второго (27) прямо смещенного p-n перехода соединен через второй (23) вспомогательный резистор со вторым (18) источником питания.
Описание изобретения к патенту
Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления. Аналоговый перемножитель (АПН) является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов ВЧ- и СВЧ-диапазонов, аналоговой вычислительной и измерительной техники, позволяет решать задачи выделения разностной частоты, аттенюации сигналов. АПН является неотъемлемым звеном квадратурных модуляторов и демодуляторов, а также синхронных фильтров. Высоколинейный широкополосный АПН может служить базовой ячейкой нелинейных СФ-блоков систем на кристалле.
Аналоговый перемножитель напряжений реализуется, в основном, на базе перемножающей ячейки Джильберта, которая совершенствовалась в более чем 30 патентах ведущих микроэлектронных фирм (смотри, например, [1-36]). Предлагаемое изобретение относится к данному классу устройств.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является аналоговый перемножитель напряжений (фиг.1), рассмотренный в патентной заявке США № 2006/0232334, fig.1, содержащий первый 1 дифференциальный каскад, имеющий первый 2 и второй 3 токовые выходы, первый 4 и второй 5 потенциальные входы и токовый вход 6 в общей эмиттерной цепи первого 1 дифференциального каскада, второй 7 дифференциальный каскад, имеющий первый 8 и второй 9 токовые выходы, первый 10 и второй 11 потенциальные входы и токовый вход 12 в общей эмиттерной цепи второго 7 дифференциального каскада, причем первый 2 токовый выход первого 1 дифференциального каскада связан со вторым 9 токовым выходом второго 7 дифференциального каскада, а второй 3 токовый выход первого 1 дифференциального каскада связан с первым 8 токовым выходом второго 7 дифференциального каскада, второй 5 потенциальный вход первого 1 дифференциального каскада соединен с первым 10 потенциальным входом второго 7 дифференциального каскада и связан с первым 13 входом канала перемножения «X», первый 4 потенциальный вход первого 1 дифференциального каскада соединен со вторым 11 потенциальным входом второго 7 дифференциального каскада и связан со вторым 14 входом канала перемножения «X», токовый вход 6 первого 1 дифференциального каскада соединен с первым 15 источником питания через первый 16 токостабилизирующий двухполюсник, токовый вход 12 второго 7 дифференциального каскада соединен с первым 15 источником питания через второй 17 токостабилизирующий двухполюсник, первый 2 и второй 3 токовые выходы первого 1 дифференциального каскада связанны с цепью нагрузки 19, причем аналоговый перемножитель имеет также первый 20 вход канала перемножения «Y», второй 21 вход канала перемножения «Y».
Существенный недостаток известного перемножителя состоит в том, что он не работоспособен при низковольтном питании, например Еп=±1,5 В. Это связано с его архитектурой, которая требует напряжения питания Eп ±(3Uэб) 2,1 В, где Uэб=0,7÷0,8 В - напряжение эмиттер-база биполярного транзистора.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в обеспечении работоспособности АПН при напряжениях питания меньше 1,5 В (выполнении, например, АПН на низковольтных SiGe транзисторах техпроцесса SGB25VD).
Поставленная цель достигается тем, что в АПН, содержащем первый 1 дифференциальный каскад, имеющий первый 2 и второй 3 токовые выходы, первый 4 и второй 5 потенциальные входы и токовый вход 6 в общей эмиттерной цепи первого 1 дифференциального каскада, второй 7 дифференциальный каскад, имеющий первый 8 и второй 9 токовые выходы, первый 10 и второй 11 потенциальные входы и токовый вход 12 в общей эмиттерной цепи второго 7 дифференциального каскада, причем первый 2 токовый выход первого 1 дифференциального каскада связан со вторым 9 токовым выходом второго 7 дифференциального каскада, а второй 3 токовый выход первого 1 дифференциального каскада связан с первым 8 токовым выходом второго 7 дифференциального каскада, второй 5 потенциальный вход первого 1 дифференциального каскада соединен с первым 10 потенциальным входом второго 7 дифференциального каскада и связан с первым 13 входом канала перемножения «X», первый 4 потенциальный вход первого 1 дифференциального каскада соединен со вторым 11 потенциальным входом второго 7 дифференциального каскада и связан со вторым 14 входом канала перемножения «X», токовый вход 6 первого 1 дифференциального каскада соединен с первым 15 источником питания через первый 16 токостабилизирующий двухполюсник, токовый вход 12 второго 7 дифференциального каскада соединен с первым 15 источником питания через второй 17 токостабилизирующий двухполюсник, первый 2 и второй 3 токовые выходы первого 1 дифференциального каскада связаны с цепью нагрузки 19, причем аналоговый перемножитель имеет также первый 20 вход канала перемножения «Y», второй 21 вход канала перемножения «Y», предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый 22, второй 23, третий 24 и четвертый 25 вспомогательные резисторы, первый 26 и второй 27 прямо смещенные p-n переходы, первый вход 20 канала перемножения «Y» соединен с токовым входом 6 в общей эмиттерной цепи первого 1 дифференциального каскада через последовательно соединенные третий 24 вспомогательный резистор и первый 26 прямо смещенный p-n переход, второй вход 21 канала перемножения «Y» соединен с токовым входом 12 в общей эмиттерной цепи второго 7 дифференциального каскада через последовательно соединенные четвертый 25 вспомогательный резистор и второй 27 прямо смещенный p-n переход, причем первый 28 общий узел третьего 24 вспомогательного резистора и первого 26 прямо смещенного p-n перехода соединен через первый 22 вспомогательный резистор со вторым 18 источником питания, а второй 29 общий узел четвертого 25 вспомогательного резистора и второго 27 прямо смещенного p-n перехода соединен через второй 23 вспомогательный резистор со вторым 18 источником питания.
На чертеже фиг.1 показана схема АПН-прототипа, а на чертеже фиг.2 - схема заявляемого АПН в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг.3 приведена схема АПН фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертеже фиг.4 показана зависимость ее выходного напряжения от напряжений на входах каналов «X» и «Y». Такой режим характеризует перемножающие свойства АПН. Эти графики показывают, что заявляемый АПН является четырехквадрантным перемножителем. При этом погрешность перемножения может быть достаточно малой ( 0,2%).
Заявляемый АПН фиг.2 содержит первый 1 дифференциальный каскад, имеющий первый 2 и второй 3 токовые выходы, первый 4 и второй 5 потенциальные входы и токовый вход 6 в общей эмиттерной цепи первого 1 дифференциального каскада, второй 7 дифференциальный каскад, имеющий первый 8 и второй 9 токовые выходы, первый 10 и второй 11 потенциальные входы и токовый вход 12 в общей эмиттерной цепи второго 7 дифференциального каскада, причем первый 2 токовый выход первого 1 дифференциального каскада связан со вторым 9 токовым выходом второго 7 дифференциального каскада, а второй 3 токовый выход первого 1 дифференциального каскада связан с первым 8 токовым выходом второго 7 дифференциального каскада, второй 5 потенциальный вход первого 1 дифференциального каскада соединен с первым 10 потенциальным входом второго 7 дифференциального каскада и связан с первым 13 входом канала перемножения «X», первый 4 потенциальный вход первого 1 дифференциального каскада соединен со вторым 11 потенциальным входом второго 7 дифференциального каскада и связан со вторым 14 входом канала перемножения «X», токовый вход 6 первого 1 дифференциального каскада соединен с первым 15 источником питания через первый 16 токостабилизирующий двухполюсник, токовый вход 12 второго 7 дифференциального каскада соединен с первым 15 источником питания через второй 17 токостабилизирующий двухполюсник, первый 2 и второй 3 токовые выходы первого 1 дифференциального каскада связаны с цепью нагрузки 19, причем аналоговый перемножитель имеет также первый 20 вход канала перемножения «Y», второй 21 вход канала перемножения «Y». В схему введен первый 22, второй 23, третий 24 и четвертый 25 вспомогательные резисторы, первый 26 и второй 27 прямо смещенные p-n переходы, первый вход 20 канала перемножения «Y» соединен с токовым входом 6 в общей эмиттерной цепи первого 1 дифференциального каскада через последовательно соединенные третий 24 вспомогательный резистор и первый 26 прямо смещенный p-n переход, второй вход 21 канала перемножения «Y» соединен с токовым входом 12 в общей эмиттерной цепи второго 7 дифференциального каскада через последовательно соединенные четвертый 25 вспомогательный резистор и второй 27 прямо смещенный p-n переход, причем первый 28 общий узел третьего 24 вспомогательного резистора и первого 26 прямо смещенного p-n перехода соединен через первый 22 вспомогательный резистор со вторым 18 источником питания, а второй 29 общий узел четвертого 25 вспомогательного резистора и второго 27 прямо смещенного p-n перехода соединен через второй 23 вспомогательный резистор со вторым 18 источником питания.
Рассмотрим работу АПН фиг.2.
В статическом режиме (ux =0, uу=0) эмиттерные токи транзисторов первого 1 и второго 7 дифференциальных каскадов устанавливаются двухполюсниками 16 и 22, 17 и 23. При этом входные токи канала «Y» (токи через резисторы 24 и 25) близки к нулю.
Для выполнения операции перемножения двух напряжений ux и uу в АПН фиг.2 необходимо обеспечить противофазное изменение токов в общих эмиттерных цепях 6 и 12 дифференциальных каскадов под действием напряжений uу и канала «Y». В заявляемой схеме АПН этот эффект реализуется следующим образом.
Если uу и получают приращение, а ux 0, то ток через резистор 24 и ток через резистор 25 изменяются пропорционально uу :
где R24, R25 - сопротивления резисторов 24, 25 (R24=R25>>r э)
- крутизна преобразования напряжения uу в токи , ;
rэi - дифференциальное сопротивление p-n переходов схемы.
Поэтому коэффициент усиления по напряжению Ku1 каскада 1 уменьшается, а каскада 7 (Ku2) увеличивается:
где I1=I7 - суммарный статический ток эмиттеров транзисторов первого 1 и второго 7 дифференциальных каскадов;
T 25 мВ - температурный потенциал;
Рн.экв - эквивалентное сопротивление нагрузки 19 АПН в узле 9.
Поэтому переменное выходное напряжение АПН пропорционально произведению ux и uy:
Следует заметить, что в схеме фиг.2 каналы передачи напряжения ux от источников сигналов ux и идентичны, что расширяет полосу пропускания АПН особенно при малых величинах uу, ux.
Схема фиг.2 имеет малые значения паразитной емкости в узлах 6 и 12, что улучшает ее перемножающие свойства в области высоких частот по каналу «X».
Замечательная особенность схемы фиг.2 - подавление передачи сигнала uу на выходы Вых.1 и Вых.2. Действительно, при изменении тока в эмиттерах транзисторов первого 1 дифференциального каскада их коллекторные токи изменяются пропорционально uу . Однако противофазно изменяются и коллекторные токи транзисторов второго 7 каскада, что стабилизирует статическое напряжение на резисторах цепи нагрузки 19.
Таким образом, предлагаемое техническое решение является альтернативой широко распространенным АПН с классической архитектурой [1-36] и характеризуется более высокими качественными параметрами.
Что касается диапазона линейной работы АПН фиг.2 по каналу «X», то он, также как и в АПН-прототипе, достаточно мал (10-50 мВ). Это позволяет использовать АПН фиг.2 в качестве низковольтного смесителя двух сигналов ux и uу. Для повышения диапазона перемножения по каналу «X» следует использовать традиционный схемотехнический прием - включение по входу «X» логарифмирующих диодов.
Представленные на чертеже фиг.4 зависимости подтверждают, что заявляемое устройство выполняет функции перемножителя напряжений. Однако в отличие от АПН-прототипа предлагаемая схема работоспособна при напряжении питания Е п ±(1÷1,2) В, что позволяет рекомендовать ее для микросхем с топологическими нормами менее 0,18 мкм.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент GB 2.318.470, H03F 3/45.
2. Патент ЕР 1.369.992.
3. Патент США № 5.874.857.
4. Патент США № 6.456.142, фиг.8.
5. Патент США № 3.931.583, фиг.9.
6. Патентная заявка США № 2007/0139114, фиг.1.
7. Патентная заявка США № 2005/0073362, фиг.1.
8. Патент США № 5.057.787.
9. Патентная заявка WO 2004/041298.
10. Патент США № 5.389.840, фиг.1А.
11. Патент США № 5.883.539, фиг.1.
12. Патентная заявка США № 2005/0052239.
13. Патент США № 5.151.625, фиг.1.
14. Патент США № 4.458.211, фиг.5.
15. Патентная заявка США № 2005/0030096, фиг.6.
16. Патентная заявка США № 2007/0090876.
17. Патент США № 6.727.755.
18. Патент США № 5.552.734, фиг.13, фиг.16.
19. Патентная заявка США № 2006/0232334.
20. Патент США № 5.767.727.
21. Патент США № 6.229.395, фиг.2.
22. Патент США № 5.115.409.
23. Патентная заявка США № 2005/0231283, фиг.1.
24. Патентная заявка США № 2006/0066362, фиг.15.
25. Патент США № 5.151.624, фиг.1, фиг.2.
26. Патент США № 5.329.189, фиг.2.
27. Патент США № 4.704.738.
28. Патент США № 4.480.337.
29. Патент США № 5.825.231.
30. Патент США № 6.211.718, фиг.1, фиг.2.
31. Патент США № 5.151.624.
32. Патент США № 5.329.189.
33. Патент США № 5.331.289.
34. Патент GB № 2.323.728.
35. Патентная заявка США № 2008/0122540, фиг.1.
36. Патент США № 4.965.528.
Класс H03F3/45 дифференциальные усилители
избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном - патент 2525744 (20.08.2014) | |
мультидифференциальный операционный усилитель - патент 2523124 (20.07.2014) | |
управляемый избирательный усилитель - патент 2520418 (27.06.2014) | |
составной транзистор - патент 2519563 (10.06.2014) | |
избирательный усилитель - патент 2519558 (10.06.2014) | |
избирательный усилитель - патент 2519446 (10.06.2014) | |
гибридный дифференциальный усилитель - патент 2519373 (10.06.2014) | |
управляемый избирательный усилитель - патент 2519035 (10.06.2014) | |
инструментальный усилитель - патент 2519032 (10.06.2014) | |
дифференциальный операционный усилитель с пассивным параллельным каналом - патент 2517699 (27.05.2014) |