НИЗКОВОЛЬТНЫЙ АНАЛОГОВЫЙ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЙ
LOW-VOLTAGE ANALOGUE VOLTAGE MULTIPLIER

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».
п
п
эб
эб
Существенный недостаток известного перемножителя состоит в том, что он не работоспособен при низковольтном питании, например Е=±1,5 В. Это связано с его архитектурой, которая требует напряжения питания E≥±(3U)≈2,1 В, где U=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 γ может быть достаточно малой (γ≤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.
x
у
В статическом режиме (u=0, u=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.
x
у
у
Для выполнения операции перемножения двух напряжений u и u в АПН фиг.2 необходимо обеспечить противофазное изменение токов в общих эмиттерных цепях 6 и 12 дифференциальных каскадов под действием напряжений u и  канала «Y». В заявляемой схеме АПН этот эффект реализуется следующим образом.
у
x
у
Если u и  получают приращение, а u≈0, то ток  через резистор 24 и ток  через резистор 25 изменяются пропорционально u:
24
25
24
25
э
где R, R - сопротивления резисторов 24, 25 (R=R>>r)
у
- крутизна преобразования напряжения u в токи , ;
эi
r - дифференциальное сопротивление p-n переходов схемы.
u1
u2
Поэтому коэффициент усиления по напряжению K каскада 1 уменьшается, а каскада 7 (K) увеличивается:
1
7
где I=I - суммарный статический ток эмиттеров транзисторов первого 1 и второго 7 дифференциальных каскадов;
T
φ≈25 мВ - температурный потенциал;
н.экв
Р - эквивалентное сопротивление нагрузки 19 АПН в узле 9.
x
y
Поэтому переменное выходное напряжение АПН пропорционально произведению u и u:
x
x
у
x
Следует заметить, что в схеме фиг.2 каналы передачи напряжения uот источников сигналов u и  идентичны, что расширяет полосу пропускания АПН особенно при малых величинах u, u.
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».
у
у
Замечательная особенность схемы фиг.2 - подавление передачи сигнала u на выходы Вых.1 и Вых.2. Действительно, при изменении тока  в эмиттерах транзисторов первого 1 дифференциального каскада их коллекторные токи изменяются пропорционально u. 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.
x
у
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 u и u. Для повышения диапазона перемножения по каналу «X» следует использовать традиционный схемотехнический прием - включение по входу «X» логарифмирующих диодов.
п
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≥±(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.