ШИРОКОПОЛОСНЫЙ АТТЕНЮАТОР ДЛЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ АНАЛОГОВЫХ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ
BROADBAND ATTENUATOR FOR HIGH-SPEED ANALOGUE AND ANALOGUE-DIGITAL INTERFACES

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, электротехники, радиотехники, связи и может использоваться в структуре различных интерфейсов, измерительных приборах, быстродействующих аналого-цифровых (АЦП) и цифроаналоговых (ЦАП) преобразователях.
вх
вх
В устройствах информационно-измерительной техники, связи, автоматики и радиотехники широкое применение находят резистивные делители напряжения - аттенюаторы (AT), обеспечивающие заданное деление (ослабление) входного напряжения (u) [1-16]. С повышением частоты u в таких аттенюаторах возникают существенные погрешности передачи сигнала, обусловленные влиянием паразитного конденсатора Со цепи нагрузки, которая образуется, например, в параллельных АЦП входной емкостью компаратора. Снижение этих погрешностей - одна из проблем современной информационно-измерительной техники, которая решается сегодня как за счет схемотехники AT, так и за счет конструктивных особенностей входных цепей (например, специальных «щупов» СВЧ-вольтметров, осциллографов, антенных систем радиоприемников и т.п.).
В связи с достаточно широким применением резистивных аттенюаторов в различных областях техники они присутствуют в различных классах (МПК H03H 7/24, A61B, G01R 31/02, H01P 1/22, H03K 5/08, H03L 5/00, G01R 27/00, G05F 3/00, H01H 47/00, H03G 3/20).
Предполагаемое схемотехническое решение относится к подклассу аттенюаторов, в которых коэффициент передачи может изменяться в широких пределах за счет изменения сопротивлений резисторов, образующих его структуру. Такие задачи характерны при проектировании цифроуправляемых аттенюаторов [патенты US 4.837.530, US 4.839.611 fig.2, US 7.477.085, ЕР 2.337.219 fig. 2] и параллельных АЦП [патенты US 8.076.995 fig. 1,2, 7.394.420 fig.2, 7.253.700 fig. 1, 5.231.399 fig.2, 6.437.724, патентные заявки US 2007/0176664 fig. 5, 2008/0036536 fig. 43, патенты US 5.307.067 fig.3, 7.248.192 fig.5].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является резистивный делитель напряжения фиг.1, представленный в патентной заявке US 2012/0086528 fig. 8 В. Он имеет вход 1 и выход 2 устройства, между которыми включен первый резистор 3, источник входного напряжения 4, включенный по переменному току между общей шиной 5 и входом устройства 1, второй резистор 6, включенный по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, эквивалентная емкость нагрузки 7, включенная по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5.
Существенный недостаток аттенюатора-прототипа фиг.1 состоит в том, что с повышением частоты входного сигнала его коэффициент передачи существенно уменьшается из-за шунтирующего влияния эквивалентной емкости нагрузки 7. Это ограничивает частотный диапазон аттенюатора и, как следствие, быстродействие, например, параллельных АЦП. Еще более значительные частотные погрешности в аттенюаторе-прототипе возникают при большом изменении сопротивлений его первого 3 и второго 6 резисторов, что на практике осуществляется использованием вместо резистора 6 управляемого по затвору полевого транзистора или цифроуправляемых импедансов.
0
0
6
6
3
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в существенном расширении диапазона рабочих частот устройства и повышении его быстродействия при работе с импульсными сигналами большой амплитуды. Причем достижение данных качественных показателей обеспечивается в широком диапазоне изменения коэффициентов передачи AT (K), который определяется отношением K=R/(R+R). Это является одной из замечательных особенностей предлагаемого устройства, которая расширяет области его применения, например, в широкополосных цифроуправляемых аттенюаторах, R-2R делителей напряжения быстродействующих аналого-цифровых преобразователей и т.п.
Поставленная задача достигается тем, что в аттенюаторе фиг.1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, между которыми включен первый резистор 3, источник входного напряжения 4, включенный по переменному току между общей шиной 5 и входом устройства 1, второй резистор 6, включенный по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, эквивалентная емкость нагрузки 7, включенная по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, предусмотрены новые элементы и связи - выход устройства 2 связан по переменному току со входом неинвертирующего повторителя напряжения 8 и токовым выходом 9 неинвертирующего повторителя тока 10, причем между выходом неинвертирующего повторителя напряжения 8 и входом неинвертирующего повторителя тока 10 включен двухполюсник цепи коррекции 11.
На фиг.1 приведена схема аттенюатора-прототипа.
На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и 2 формулы изобретения.
12
к
3
6
0
На фиг.3 приведена частотная зависимость коэффициента передачи аттенюатора фиг.2 от емкости конденсатора 12 (C=С) при R=10 кОм, R=1 кОм, т.е. при K≈0,1. Эти, а также последующие графики получены в результате моделирования схемы фиг.2 в среде Cadence на моделях интегральных компонентов.
12
к
3
6
0
На фиг.4 показана частотная зависимость коэффициента передачи аттенюатора фиг.2 от емкости конденсатора 12 (C=С) при R=R=1 кОм, т.е. при K=5.
12
к
6
0
6
6
3
На фиг.5 представлена частотная зависимость коэффициента передачи аттенюатора фиг.2 от емкости конденсатора 12 (С=С) при R3=1 кОм, R=100 Ом, т.е. при К=R/(R+R)=0,09.
6
12
к
0
На фиг.6 показана частотная зависимость коэффициента передачи аттенюатора фиг.2 при R=1 кОм, C=С=l,9 пФ и различных значениях сопротивления резистора R3 (1 кОм, 5 кОм, 10 кОм). Данным номиналам элементов соответствуют К=0,5; 0,166; 0,09.
6
12
к
12
к
0
На фиг.7 показана частотная зависимость коэффициента передачи аттенюатора фиг.2 при R=1 кОм, C=С=2 пФ и различных значениях сопротивления резистора R3 (1 кОм, 5 кОм, 10 кОм). В этом идеальном случае при выходе C=С=2 пФ обеспечивается предельно-возможное расширение частотного диапазона AT независимо от К.
Широкополосный аттенюатор фиг.2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, между которыми включен первый резистор 3, источник входного напряжения 4, включенный по переменному току между общей шиной 5 и входом устройства 1, второй резистор 6, включенный по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, эквивалентная емкость нагрузки 7, включенная по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5. Выход устройства 2 связан по переменному току со входом неинвертирующего повторителя напряжения 8 и токовым выходом 9 неинвертирующего повторителя тока 10, причем между выходом неинвертирующего повторителя напряжения 8 и входом неинвертирующего повторителя тока 10 включен двухполюсник цепи коррекции 11.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения двухполюсник цепи коррекции выполнен в виде конденсатора 12, емкость которого функционально связана с эквивалентной емкостью нагрузки 7.
Рассмотрим работу устройства фиг.2.
у
у
i
i1
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
При коэффициенте передачи по напряжению (К) неинвертирующего повторителя напряжения 8 К=0 и коэффициенте передачи по току (K) неинвертирующего повторителя тока 10 K=0 изменение входного напряжения
передается в цепь нагрузки на выход 2:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>К</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>τ</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
н
3.6
7
где τ=RC,
3.6
3
6
3
6
R=RR/(R+R).
<mrow><msub><mi>К</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ч</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
- коэффициент передачи AT в диапазоне низких частот.
y
1
11
9
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
В схеме фиг.2 при K≠0, K≠0 выходное напряжение устройства
поступает на выход неинвертирующего повторителя напряжения 8 с низким выходным сопротивлением, что создает входной (İ), а затем выходной (İ) токи неинвертирующего повторителя тока 10, который в идеальном случае имеет нулевое входное сопротивление:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>у</mi></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>14</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><mn>9</mn></msub><mo>=</mo><mi>j</mi><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>у</mi></msub><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>14</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
где
- комплекс коэффициента передачи по току неинвертирующего повторителя тока 10;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>y</mi></msub></mrow>
- комплекс коэффициента передачи по напряжению неинвертирующего повторителя напряжения 8.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
В линейном режиме для комплексов входного (
) и выходного (
) напряжений схемы фиг.2 можно записать следующее уравнение
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>К</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>τ</mi><mrow><mn>3.6</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>у</mi></msub><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>7</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
Если обеспечить
,
, то, как следует из (2), условием существенного уменьшения влияния эквивалентной емкости нагрузки C7 на амплитудно-частотную характеристику аттенюатора фиг.2 будет равенство
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>7</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>K</mi><mi>у</mi></msub><msub><mi>K</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
3.6
В этом идеальном случае сомножитель при τ в (2) равен нулю и, как следствие, коэффициент передачи аттенюатора становится не зависящим от частоты. Данные выводы подтверждаются моделированием.
у
i
12
7
12
7
Следовательно, в первом приближении при К=K=1 емкости конденсаторов C и C должны иметь следующую взаимосвязь: C≤C.
Таким образом, в схеме фиг.2 создаются условия для существенного расширения малосигнального диапазона рабочих частот, который на практике будет определяться (или ограничиваться) инерционностью неинвертирующего повторителя тока 10 и неинвертирующего повторителя напряжения 8.
В том случае, если эквивалентная емкость нагрузки 7 не является идеальным конденсатором и содержит, например, последовательно соединенный с емкостью паразитный резистор, то двухполюсник цепи коррекции 11 должен содержать аналогичные элементы.
7
12
к
Из графиков фиг.5, в частности, следует, что диапазон рабочих частот предлагаемого аттенюатора (при C=2 пФ, С-С=1,9 пФ и идеальных повторителе тока 10 и повторителе напряжения 8) расширяется до 2 ГГц, в то время как верхняя граничная частота классического аттенюатора (по уровню -3дБ) имеет значение 100 МГц.
Графики фиг.6 показывают, что при изменении сопротивления резистора 3 (R3) в 10 раз верхняя граничная частота коэффициента передачи заявляемого аттенюатора практически не изменяется.
Выполненный выше анализ, а также результаты компьютерного моделирования показывают, что в схеме фиг.2 решена одна из проблем современной аналоговой микросхемотехники - расширение частотного диапазона и повышение быстродействия аттенюаторов сигналов, являющихся базовым узлом аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.
Библиографический список.
1. Патент US 5.867.018.
2. Патент US 5.363.070, fig. 2а.
3. Патент US 4.912.394.
4. Патент US 8.076.995.
5. Патент US 4.050.055, fig. 5.
6. Патент US 4.198.988, fig. 1.
7. Патентная заявка US 2007/0176664, fig. 2.
8. Патент US 4.839.611, fig. 2.
9. Патент US 4.670.723, fig. 2.
10. Патент US 4.272.739, fig. 1.
11. Патент JP 10-211-0068595.
12. Патент JP 2010-252241.
13. Патент ЕР 2337219, fig. 2.
14.Патент ЕР 0753937, fig. 1.
15.Патент ЕР 0612982.
16.Патент US 7.477.085, fig. 1.