ФАЗОРАСЩЕПИТЕЛЬ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА
PHASE SPLITTER OF HIGH-FREQUENCY SIGNAL

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, СВЧ-усилителях, фазорасщепителях сигналов для усилителей мощности или аналоговых перемножителей напряжения и т.п.).
Широкое применение СВЧ дифференциальных сигналов в современной микроэлектронике позволяет снизить влияние синфазных помех, нелинейных искажений четного порядка, повысить качество обработки сигналов при низких значениях напряжения питания. Применение дифференциальных сигналов часто сопровождается необходимостью преобразования их в однофазный сигнал и обратно, так как большинство периферийных устройств могут работать лишь с однофазными сигналами. Для выполнения таких преобразований служат специальные симметрирующие устройства - так называемые «балуны» (balanced to unbalanced). Балуны наиболее часто применяются при построении усилителей мощности, смесителей и аналоговых перемножителей. Заявляемое устройство может быть отнесено к данному классу усилительных каскадов, которые применяются не только в качестве фазорасщепителей сигналов, но и для их усиления по мощности в трансформаторных схемах.
В настоящее время в ВЧ и СВЧ электронике широко применяются транзисторные усилители двухфазного переменного тока с парафазным выходом реализованные на основе классических эмиттерных повторителей [1-10].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является усилитель переменного тока фиг.1, рассмотренный в патенте фирмы Toshiba US №6.768.379 fig.14.
Существенный недостаток известного усилителя переменного тока состоит в том, что он обеспечивает на выходах входных эмиттерных повторителей при однофазном входном сигнале два противофазных выходных напряжения.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в получении на выходах входных эмиттерных повторителей двух противофазных выходных напряжений при однофазном входном сигнале.
Поставленная задача достигается тем, что в фазорасщепителе высокочастотного сигнала фиг.1, содержащем источник входного напряжения 1, связанный через разделительный конденсатор 2 со входом 3 первого 4 эмиттерного повторителя, имеющего первый 5 потенциальный выход устройства, первый 6 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан с первым 7 источником питания через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник, первый 9 вспомогательный резистор, включенный между коллектором первого 6 вспомогательного транзистора и входом 3 первого 4 эмиттерного повторителя, второй 10 вспомогательный резистор, включенный между коллектором первого 6 вспомогательного транзистора и входом 11 второго 12 эмиттерного повторителя, имеющего второй 13 потенциальный выход устройства, второй 14 вспомогательный транзистор, второй 15 источник питания, связанный с эмиттерными цепями первого 4 и второго 12 эмиттерных повторителей, общую шину 16 первого 7 и второго 15 источников питания, предусмотрены новые элементы и связи - база первого 6 вспомогательного транзистора соединена с первым 5 потенциальным выходом устройства через первый 17 дополнительный резистор и через второй 18 дополнительный резистор подключена ко второму 13 потенциальному выходу устройства, эмиттер первого 6 вспомогательного транзистора соединен с эмиттером второго 14 вспомогательного транзистора и через второй 19 токостабилизирующий двухполюсник связан со вторым 15 источником питания, причем база второго 14 вспомогательного транзистора связана с общей шиной первого 7 и второго 15 источников питания.
На чертеже фиг.1 представлена схема усилителя переменного тока-прототипа.
На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого фазорасщепителя (ФР) в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения.
На чертежах фиг.3 и фиг.4 приведены схемы ФР фиг.2, иллюстрирующие его применение в схемах классических логарифматоров (фиг.3) и классических перемножителей Гильберта (фиг.4).
На чертеже фиг.5 показана схема фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов, а на чертежах фиг.6 и фиг.7 - частотная зависимость коэффициентов усиления (фиг.6) и фазового сдвига (фиг.7) для дифференциального выхода (out1-out2), а также для первого (out1) и второго (out2) выходов.
Фазорасщепитель высокочастотного сигнала фиг.2 содержит источник входного напряжения 1, связанный через разделительный конденсатор 2 со входом 3 первого 4 эмиттерного повторителя, имеющего первый 5 потенциальный выход устройства, первый 6 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан с первым 7 источником питания через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник, первый 9 вспомогательный резистор, включенный между коллектором первого 6 вспомогательного транзистора и входом 3 первого 4 эмиттерного повторителя, второй 10 вспомогательный резистор, включенный между коллектором первого 6 вспомогательного транзистора и входом 11 второго 12 эмиттерного повторителя, имеющего второй 13 потенциальный выход устройства, второй 14 вспомогательный транзистор, второй 15 источник питания, связанный с эмиттерными цепями первого 4 и второго 12 эмиттерных повторителей, общую шину 16 первого 7 и второго 15 источников питания. База первого 6 вспомогательного транзистора соединена с первым 5 потенциальным выходом устройства через первый 17 дополнительный резистор и через второй 18 дополнительный резистор подключена ко второму 13 потенциальному выходу устройства, эмиттер первого 6 вспомогательного транзистора соединен с эмиттером второго 14 вспомогательного транзистора и через второй 19 токостабилизирующий двухполюсник связан со вторым 15 источником питания, причем база второго 14 вспомогательного транзистора связана с общей шиной первого 7 и второго 15 источников питания.
На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 4 эмиттерный повторитель содержит первый 20 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 5 потенциальным выходом устройства и через третий 21 токостабилизирующий двухполюсник связан со вторым 15 источником питания, база соединена со входом 3 первого 4 эмиттерного повторителя, а коллектор является токовым выходом 22 первого 4 эмиттерного повторителя.
На чертеже фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, второй 12 эмиттерный повторитель содержит первый 23 входной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 13 потенциальным выходом устройства и через четвертый 24 токостабилизирующий двухполюсник связан со вторым 15 источником питания, база соединена со входом 11 второго 12 эмиттерного повторителя, а коллектор является токовым выходом 25 второго 12 эмиттерного повторителя.
В соответствии с п.4 формулы изобретения, база второго 14 вспомогательного транзистора может быть соединена с общей шиной 16 первого 7 и второго 15 источников питания через дополнительную цепь смещения потенциалов.
Классический логарифматор сигнала фиг.3 содержит предлагаемый фазорасщепитель фиг.2, а также логарифмирующие p-n переходы 26 и 27.
Аналогично, в схеме типового смесителя сигналов Гильберта фиг.4 предлагаемый РФ фиг.2 выполняет функцию «управителя» токами дифференциальных каскадов 29-30 и 31-32, входящих в перемножитель Гильберта 28.
Рассмотрим работу фазорасщепителя фиг.2.
кi
Статические токи коллекторов транзисторов схемы фиг.2 (I) устанавливаются двухполюсниками 21, 24, 8, 19:
0
где I - значение опорного тока, например, 1 мА.
5
13
Первая особенность схемы ФР фиг.2 состоит в том, что постоянные составляющие его выходных напряжений в узлах 5 и 13 близки к нулю U=U≈0. Это позволяет существенно упростить согласование ФР с последующими функциональными узлами радиотехнических систем, более эффективно использовать их низковольтные напряжения питания.
вх
вх
вх
Рассмотрим далее работу схемы фиг.2 при подаче на вход (Вх.1) положительной полуволны входного сигнала u. Изменение u приводит к передаче u в эмиттер транзистора 20 (на выход 5):
у1
где К≈1 - коэффициент передачи по напряжению эмиттерного повторителя 4.
Σ
Вторая особенность схемы фиг.2 - близкое к нулю переменное напряжение на базе транзистора 6 (u≈0), что обеспечивается отрицательной обратной связью по петле и «база транзистора 6 - коллектор транзистора 6 - базы транзисторов 20 и 23 - резисторы 17 и 18 - база транзистора 6». Поэтому токи через резисторы 17 и 18 и напряжение на выходе 5
y2
вx
где K - коэффициент передачи u на инвертирующий выход 5.
к6
вx
Переменное напряжение u на коллекторе транзистора 6 имеет противоположную u фазу, причем
11
где u - напряжение на входе 11 второго 12 эмиттерного повторителя.
Ток в резисторе 9, определяющий входное сопротивление ФР:
22
25
вых.1
5
вых.2
13
вx
Таким образом, в схеме фиг.2 токи выходов 22 и 25, а также напряжения на выходах 5 и 13 противофазны, но равны друг другу: i≈i, u=u=u=u=u. Это позволяет использовать ФР не только в схемах с потенциальными выходами, но и в схемах ФР с токовыми выходами (фиг.3, фиг.4).
вых.2
13
вх
вх
17
18
18
17
13
вх
у2
вых
вх
13
вx
Полученные выше теоретические выводы соответствуют результатам компьютерного моделирования схемы ФР фиг.5, представленными графиками фиг.6, фиг.7. Из них следует, что ФР фиг.5 (фиг.2) имеет на выходе 13 противофазное выходное напряжение u=u=u. В соответствии с (4) необходимый коэффициент передачи u на второй выход ФР определяются отношением резисторов 17 и 18 (фиг.2), что позволяет за счет изменения R/R скорректировать амплитудную погрешность ФР по выходу 13. Так, если выбрать R>R, то амплитуда напряжения на втором потенциальном выходе ФР (u) будет больше амплитуды входного сигнала (u). To есть коэффициент преобразования К=u/u=u/u станет в этом случае больше единицы.
Таким образом, заявляемое устройство выполняет функции ВЧ и СВЧ-фазовращателя, обеспечивающего преобразование в диапазоне частот до 2÷3 ГГц однофазного сигнала в два противофазных как для потенциальных (5, 13), так и для токовых (22, 25) выходов. Данные функции в усилителе-прототипе не реализуется.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №7.538.616 fig.3.
2. Патент США №5.886.577 fig.1.
3. Патент США №5/712.810 fig.25.
4. Патентная заявка 2009/127724.
5. Патентная заявка 2009/0212865 fig.5.
6. Патентная заявка 2009/0058522 fig.1.
7. Патент №6.972.624 fig.6A.
8. Патентная заявка США №2006/0049877.
9. Патент США №5.138.318 fig.2.
10. Патент США №6.621.333 fig.6.