АКТИВНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ С ШИРОКИМ ДИНАМИЧЕСКИМ ДИАПАЗОНОМ

Полезная модель относится к электронике и может быть использована для создания активных смесителей с нулевой чувствительностью.
III
V
Известен смеситель [RU 2473166, C1, G06G 7/12, H03D 7/00, 20.01.2013], содержит коаксиально-волноводный тройник в виде отрезка прямоугольного волновода, коаксиальную линию передачи - вывод преобразованной частоты, изолирующую подложку, на одной стороне которой выполнено металлизированное покрытие, а на другой - интегральная схема с активным элементом, низкочастотный фильтр, при этом, изолирующая подложка размещена вдоль волновода, посередине и перпендикулярно его широкой стенке, изолирующая подложка выполнена из полупроводникового материала типа AB, металлизированное покрытие изолирующей подложки выполнено локально, неметаллизированная часть изолирующей подложки выполнена в виде плавных переходов с противоположных концов изолирующей подложки, на другой стороне изолирующей подложки с обоих противоположных ее концов дополнительно выполнены Г-образные металлические проводники, а интегральная схема с активным элементом, низкочастотный фильтр и Г-образные металлические проводники выполнены в виде монолитной интегральной схемы, активный элемент монолитной интегральной схемы выполнен в виде полевого транзистора с барьером Шотки.
Недостатком устройства является относительно узкая область применения.
Известен также смеситель [RU 2450352, C1, G06G 7/12, H03F 3/45, 10.05.2012], содержащий входную перемножающую ячейку Джильберта, эмиттерная цепь которой согласована с первой шиной источника питания, первый и второй (4) входы канала «X» перемножающей ячейки Джильберта, первый и второй входы канал «Y» перемножающей ячейки Джильберта, первый выход устройства, соединенный с первым токовым выходом перемножающей ячейки Джильберта и первым выводом первого резистора нагрузки, второй выход устройства, соединенный со вторым токовым выходом перемножающей ячейки Джильберта и первым выводом второго резистора нагрузки, причем второй вывод первого резистора нагрузки и второй вывод второго резистора нагрузки связаны со второй шиной источника питания, при этом, второй вывод первого резистора нагрузки связан со второй шиной источника питания через первый дополнительный резистор и через первый двухполюсник с малым дифференциальным сопротивлением по переменному току связан с эмиттером первого дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к первому токовому выходу перемножающей ячейки Джильберта, второй вывод второго резистора нагрузки связан со второй шиной источника питания через второй дополнительный резистор и через второй двухполюсник с малым дифференциальным сопротивлением по переменному току связан с эмиттером второго дополнительного транзистора, коллектор которого подключен ко второму токовому выходу перемножающей ячейки Джильберта), эмиттер первого дополнительного транзистора связан с первой шиной источника питания через первый дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, эмиттер второго дополнительного транзистора связан с первой шиной источника питания через второй дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, причем, база первого дополнительного транзистора соединена с выходом первой цепи установления статического режима, а база второго дополнительного транзистора соединена с выходом (23) второй цепи установления статического режима.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая стабильность коэффициента передачи, вызванная относительно высоким уровнем нелинейных искажений и относительно высоким уровнем шумов транзисторов на выходе устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является смеситель [RU 2450353, C1, G06G 7/12, H03F 3/45, 10.05.2012], содержащий входную перемножающую ячейку Джильберта, эмиттерная цепь которой согласована с первой шиной источника питания, первый и второй входы канала «X» перемножающей ячейки Джильберта, первый и второй входы канал «Y» перемножающей ячейки Джильберта, первый выходной транзистор, эмиттер которого соединен с первым токовым выходом перемножающей ячейки Джильберта, второй выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым токовым выходом перемножающей ячейки Джильберта, первый выход устройства, соединенный с коллектором первого выходного транзистора, второй выход устройства, соединенный с коллектором второго выходного транзистора, вспомогательный источник напряжения, подключенный к базам первого и второго выходных транзисторов, первый резистор нагрузки, первый вывод которого подключен к коллектору первого выходного транзистора, второй резистор нагрузки, коллектор которого подключен к коллектору второго выходного транзистора, причем второй вывод первого резистора нагрузки и второй вывод второго резистора нагрузки связаны со второй шиной источника питания, отличающийся тем, что второй вывод первого резистора нагрузки связан со второй шиной источника питания через первый дополнительный резистор и через первый двухполюсник с малым дифференциальным сопротивлением по переменному току связан с эмиттером первого выходного транзистора, а второй вывод второго резистора нагрузки связан со второй шиной источника питания через второй дополнительный резистор и через второй двухполюсник с малым дифференциальным сопротивлением по переменному току связан с эмиттером второго выходного транзистора.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая стабильность коэффициента передачи, вызванная относительно высоким уровнем нелинейных искажений и относительно высоким уровнем шумов транзисторов на выходе устройства.
Задачей, которая решается в предложенном техническом решении, является создание смесителя с повышенной стабильностью коэффициента передачи, с малым уровнем нелинейные искажения с одновременным подавлением шумов транзисторов и пониженную чувствительность к отклонениям технологического процесса изготовления микросхемы.
Требуемый технический результат заключается в повышении стабильности коэффициента передачи.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее перемножающую ячейку Джильберта, первый и второй входы которой являются входами сигнала гетеродина, а также первый и второй источники тока, первый и второй транзисторы и первый, второй, третий и четвертый резисторы, согласно полезной модели, введены третий и четвертый источники тока, транзисторы с третьего по десятый и резисторы с пятого по двенадцатый, причем, первые клеммы первого, второго, третьего и четвертого источников тока заземлены, базы пятого и шестого транзисторов соединены с выходом источника входного сигнала, вторая клемма первого источника тока через четвертый резистор соединена с эмиттером пятого транзистора и с базой второго транзистора, а через шестой резистор соединена с эмиттером шестого транзистора и с базой первого транзистора, вторая клемма второго источника тока через первый резистор соединена с эмиттером первого транзистора, а через второй резистор соединена с эмиттером второго транзистора, вторая клемма третьего источника тока соединена с базой шестого транзистора и через девятый резистор соединена с эмиттером седьмого транзистора, вторая клемма четвертого источника тока соединена с базой пятого транзистора, а через десятый резистор соединена с эмиттером восьмого транзистора, база которого соединена с коллектором первого транзистора и через седьмой резистор соединена с эмиттером девятого транзистора, база которого соединена с коллектором пятого транзистора, а через третий резистор соединена с эмиттером третьего транзистора, база которого заземлена, а коллектор соединен с третьим входом перемножающей ячейки Джильберта, база седьмого транзистора соединена с коллектором второго транзистора и через восьмой резистор соединена с эмиттером десятого транзистора, база которого соединена с коллектором шестого транзистора и через пятый резистор соединена с эмиттером четвертого транзистора, база которого заземлена, а коллектор соединен с четвертым входом перемножающей ячейки Джильберта, коллекторы седьмого, восьмого, девятого и десятого транзисторов объединены и через одиннадцатый и двенадцатый резисторы соединены, соответственно, с первым и вторым выходами перемножающей ячейки Джильберта, при этом, выбирают равными значения сопротивлений первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого резисторов, токи первого и второго источников тока, а также площади первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, девятого и десятого транзисторов, а значение проводимости седьмого резистора выбирают из условия
21
22
24
OC
15
16
где: g - проводимость шестого резистора, g - проводимость седьмого резистора; g - проводимость девятого резистора; g - проводимость последовательного соединения пятого резистора и выходного сопротивления эмиттера четвертого транзистора; S - крутизна выходной характеристики в рабочей точке шестого транзистора; S - крутизна выходной характеристики в рабочей точке седьмого транзистора.
На чертеже представлена электрическая схема активного смесителя с широким динамическим диапазоном.
Активный смеситель с широким динамическим диапазоном содержит перемножающую ячейку 1 Джильберта, первый и второй входы которой являются входами сигнала гетеродина, а также первый 2 и второй 3 источники тока, первый 4 и второй 5 транзисторы и первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 резисторы.
Кроме того, активный смеситель с широким динамическим диапазоном содержит третий 10 и четвертый 11 источники тока, транзисторы с третьего по десятый 12…19, соответственно, и резисторы с пятого по двенадцатый 20…27, соответственно.
Перемножающая ячейка 1 Джильберта выполнена по классической схеме на четырех транзисторах 26, 27, 28, 29.
В активном смесителе с широким динамическим диапазоном первые клеммы первого 2, второго 3, третьего 10 и четвертого 11 источников тока заземлены, базы пятого 14 и шестого 15 транзисторов соединены с выходом источника входного сигнала.
Кроме того, вторая клемма первого источника 2 тока через четвертый резистор 9 соединена с эмиттером пятого транзистора 14 и с базой второго транзистора 5, а через шестой резистор 21 соединена с эмиттером шестого транзистора 15 и с базой первого транзистора 4.
В предложенном устройстве вторая клемма второго источника 3 тока через первый резистор 6 соединена с эмиттером первого транзистора 4, а через второй резистор 7 соединена с эмиттером второго транзистора 5, вторая клемма третьего источника 10 тока соединена с базой шестого транзистора 15 и через девятый резистор 24 соединена с эмиттером седьмого транзистора 16, вторая клемма четвертого источника 11 тока соединена с базой пятого транзистора 14, а через десятый резистор 25 соединена с эмиттером восьмого транзистора 17, база которого соединена с коллектором первого транзистора 4 и через седьмой резистор 22 соединена с эмиттером девятого транзистора 18, база которого соединена с коллектором пятого транзистора 14, а через третий резистор 8 соединена с эмиттером третьего транзистора 12, база которого заземлена, а коллектор соединен с третьим входом перемножающей ячейки 1 Джильберта, база седьмого транзистора 16 соединена с коллектором второго транзистора 5 и через восьмой резистор 23 соединена с эмиттером десятого транзистора 19, база которого соединена с коллектором шестого транзистора 15 и через пятый резистор 20 соединена с эмиттером четвертого транзистора 13, база которого заземлена, а коллектор соединен с четвертым входом перемножающей ячейки 1 Джильберта.
Помимо отмеченного, в предложенном устройстве коллекторы седьмого 16, восьмого 17, девятого 18 и десятого 19 транзисторов объединены и через одиннадцатый 26 и двенадцатый 27 резисторы соединены, соответственно, с первым и вторым выходами перемножающей ячейки 1 Джильберта.
Электрическая схема активного смесителя с широким динамическим диапазоном приведена для диапазона средних частот, в которой не указаны цепи установки рабочей точки и не показаны развязывающие емкости, поскольку в диапазоне средних частот их можно считать короткозамкнутыми.
Представленная схема реализована на базе биполярных транзисторов, но возможна реализация и на МОП структурах.
В классической схеме перемножающей ячейки Джильберта динамический диапазон определяется входным преобразователем напряжение-ток. Поэтому при реализации структуры на транзисторном уровне достаточно расширить динамический диапазон входного преобразователя. Перемножение полезного сигнала в виде дифференциальных токов и гетеродина осуществляется с помощью перемножающей ячейки Джильберта.
Активный смеситель с широким динамическим диапазоном работает следующим образом.
ист.сигн
иcт
Входной сигнал от источника U с выходным сопротивлением Rпоступает на вход основного преобразователя напряжение-ток, состоящего из пятого 14 и шестого 15 транзисторов, четвертого 9 и шестого 21 резисторов и первого источника 2 тока. Переменный входной дифференциальный сигнал, поступающий на базы пятого 14 и шестого 15 транзисторов, возбуждает в последних переменные токи коллекторов и эмиттеров, которые, кроме полезного сигнала, содержат в себе шумы и нелинейные искажения.
Коллекторные токи, протекая через последовательное соединение пар сопротивлений, преобразуются в переменное напряжение. Первая пара сопротивлений образована третьим резистором 8 и выходным сопротивлением эмиттера третьего транзистора 12. Вторая пара состоит из пятого резистора 20 и выходного сопротивления эмиттера четвертого транзистора 13. Эмиттерные токи преобразуются в дифференциальное напряжение с помощью четвертого резистора 9 и шестого резистора 21. Напряжение, снимаемое с эмиттеров пятого 14 и шестого 15 транзисторов, поступает на вспомогательный преобразователь напряжение-ток, образованный первым 4 и вторым 5 транзисторами, первым 6 и вторым 7 резисторами и вторым 3 источником тока. Сигнал, действующий на базах первого 4 и второго 5 транзисторов, является суммой полезного сигнала, нелинейных искажений и шумов пятого 14 и шестого 16 транзисторов. Коллекторные токи вспомогательного преобразователя будут содержать, кроме преобразованного входного сигнала, еще шумы и нелинейные искажения первого 4 и второго 5 транзисторов. Дифференциальное напряжение на третьем 8 и пятом 20 резисторах, снимаемое со стороны коллекторов пятого 14 и шестого 15 транзисторов, суммируется с выходным переменным током вспомогательного преобразователя.
ист.сигн
Девятый 18 и шестой 19 транзисторы, а также седьмой 22 и восьмой 23 резисторы образуют первый сумматор, результат суммирования которого поступает на первый вход второго сумматора, образованного седьмым 16 и восьмым 17 транзисторами и девятым 24 и десятым 27 резисторами. На его второй вход поступает дифференциальное переменное напряжение от источника сигналов U. Таким образом, на вход основного преобразователя будет поступать сумма полезного сигнала и нелинейные искажения пятого 14, шестого 15, и первого 4 и второго 5 транзисторов.
Как следует из представленных ниже соотношений, номиналы резисторов, параметры транзисторов и значения источников токов подбираются так, что нелинейные искажения пятого 14 и шестого 15 транзисторов основного преобразователя будут подавляться.
ИСТ
Ток третьего источника 10 тока, номиналы девятого 24 и десятого 25 резисторов выбираются из соображения обеспечения согласования по мощности с источником сигналов, т.е. активная часть последовательного соединения сопротивления девятого 24 (десятого 25) резисторов и выходного сопротивления эмиттера седьмого 16 (восьмого 17) резисторов должны быть равны половине выходного сопротивления источника сигнала R.
При условии, что значения сопротивлений первого 6, второго 7, третьего 8, четвертого 9, пятого 20 и шестого 21 резисторов равны между собой, равны между собой и токи первого 2 и второго 3 источников тока, а также равны площади первого 4, второго 5, третьего 12, четвертого 13, пятого 14, шестого 15, девятого 18 и десятого 19 транзисторов, значение проводимости седьмого резистора 22, при котором будут компенсироваться нелинейные искажения пятого 14 и шестого 15 транзисторов будет равно:
21
22
24
OC
15
16
где: g - проводимость шестого резистора 21, g - проводимость седьмого резистора 22; g - проводимость девятого резистора 24; g - проводимость последовательного соединения пятого резистора 20 и выходного сопротивления эмиттера четвертого транзистора 13; S - крутизна выходной характеристики в рабочей точке шестого транзистора 15; S - крутизна выходной характеристики в рабочей точке седьмого транзистора 16.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного устройства достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении стабильности коэффициента передачи, малого уровня нелинейных искажений с одновременным подавлением шумов транзисторов и пониженную чувствительность к отклонениям технологического процесса изготовления микросхемы.