ШИРОКОПОЛОСНЫЙ АТТЕНЮАТОР С УПРАВЛЯЕМЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПЕРЕДАЧИ
BROADBAND ATTENUATOR WITH CONTROLLED TRANSMISSION RATIO

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
0
В устройствах информационно-измерительной техники и связи широкое применение находят резистивные делители напряжения - аттенюаторы (AT), обеспечивающие заданное деление (ослабление) входного напряжения (u) [1-9]. С повышением частоты u в таких аттенюаторах возникают существенные погрешности передачи сигнала, обусловленные влиянием паразитного конденсатора С 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 [1-9], 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).
Предлагаемое 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 2006/0176074 fig.1. Он имеет вход 1 и выход 2 устройства, между которыми включен первый 3 резистор, 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, конденсатор цепи нагрузки 7, включенной по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, корректирующий конденсатор 8.
8
3
7
6
3
6
8
7
6
8
7
0
6
6
3
0
Существенный недостаток аттенюатора-прототипа фиг.1 состоит в том, что условием частотной независимости его коэффициента передачи являются хорошо известное равенство CR-CR, где R, R - сопротивления первого 3 и второго 6 резисторов, C, C - емкости корректирующего конденсатора 8 и конденсатора цепи нагрузки 7. Если R изменяется, то при C=const, C=const в AT-прототипе возникают значительные частотные погрешности. На практике такой режим AT осуществляется путем использования вместо резистора 6 управляемого по затвору полевого транзистора или других цифроуправляемых импедансов. Таким образом, широкополосный аттенюатор-прототип не может иметь переменный коэффициент передачи K=R/(R+R). Если его K изменяется, то AT-прототип не может иметь широкий диапазон рабочих частот. Данное противоречие неразрешимо в рамках известных схемотехнических решений.
0
6
6
3
Основная задача предполагаемого 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 K0=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 3 резистор, 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, конденсатор цепи нагрузки 7, включенный по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, корректирующий конденсатор 8, предусмотрены новые элементы и связи - выход устройства 2 связан по переменному току со входом неинвертирующего усилителя напряжения 9, между выходом неинвертирующего усилителя напряжения 9 и выходом 2 устройства включен корректирующий конденсатор 8.
На фиг.1 приведена схема аттенюатора - прототипа.
На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства фиг.2 в среде PSpice.
7
0
На фиг.4 показана частотная зависимость коэффициента передачи аттенюатора фиг.3 при его сопротивлениях R1=R2=10 кОм и конденсаторе цепи нагрузки C=C=2 пФ.
0
На фиг.5 показана частотная зависимость коэффициента передачи аттенюатора фиг.2 при R1=10 кОм, C=2 пФ, но более низкоомном R2=1 кОм.
0
8
к
На фиг.6 показана частотная зависимость коэффициента передачи аттенюатора фиг.2 при сравнительно низкоомных и идентичных сопротивлениях R1=R2=1 кОм, C=2 пФ. Данные графики показывают, что при увеличении емкости C=C до 2 пФ ширина полосы пропускания существенно увеличивается.
8
к
На фиг.7 показана таблица, характеризующая зависимость верхней граничной частоты заявляемого AT фиг.3 от параметров резисторов R1 и R2 и емкости корректирующего конденсатора 8 (C=C).
Широкополосный аттенюатор с управляемым коэффициентом передачи фиг.2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, между которыми включен первый 3 резистор, 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, конденсатор цепи нагрузки 7, включенный по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, корректирующий конденсатор 8. Выход устройства 2 связан по переменному току со входом неинвертирующего усилителя напряжения 9, причем между выходом неинвертирующего усилителя напряжения 9 и выходом 2 устройства включен корректирующий конденсатор 8.
у
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, неинвертирующий усилитель напряжения 9 имеет коэффициент передачи по напряжению больше единицы (K>1), высокое входное и низкое выходное сопротивления, причем емкость корректирующего конденсатора 8 удовлетворяет условию
<mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>К</mi><mi>у</mi></msub><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
,
7
где C - емкость конденсатора цепи нагрузки.
Рассмотрим работу схемы фиг.2.
В результате анализа схемы фиг.2 можно получить следующее уравнение для ее коэффициента передачи по напряжению в операторной форме:
<mrow><msub><mi>К</mi><mi>п</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>р</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>К</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mi>P</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mn>7</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mi>у</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                     (1)</mtext></mrow>
12
3
6
3
6
0
6
6
3
где R=RR/(R+R), K=R/(R+R).
Комплексный коэффициент передачи по напряжению AT фиг.2
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>п</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>K</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>в</mi><mo>.</mo><mi>Σ</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                           (2)</mtext></mrow>
в.Σ
12
7
8
y
где τ=R[С+С(1-K)].
При этом верхняя граничная частота AT фиг.2
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>в</mi><mo>.</mo><mi>Σ</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mn>7</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mi>у</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                         (3)</mtext></mrow>
8
у
Условие частотной независимости коэффициента передачи можно представить в виде ограничений на параметры C и K
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable columnalign="left"><mtr columnalign="left"><mtd columnalign="left"><mrow><msub><mi>С</mi><mn>8</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>С</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mi>у</mi></msub><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow></mtd></mtr><mtr columnalign="left"><mtd columnalign="left"><mrow><msub><mi>K</mi><mi>у</mi></msub><mo>></mo><mn>1</mn></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow><mo>.</mo><mtext>                                                 (4)</mtext></mrow>
у
8
к
7
у
7
Если K=2, то емкость корректирующего конденсатора C=C=С. При K=1,1 численные значения C8=10C и т.п.
Важное достоинство AT рис.1 - это независимость условий расширения частотного диапазона от сопротивлений резисторов R3 и R6, которые могут быть переменными.
Таким образом, в схеме фиг.2 создаются условия для существенного расширения диапазона рабочих частот, который на практике будет определяться (или ограничиваться) инерционностью неинвертирующего усилителя напряжения 9.
0
Из графиков фиг.5 в частности следует, что диапазон рабочих частот предлагаемого аттенюатора с переменным K расширяется до 2 ГГц, в то время как верхняя граничная частота классического аттенюатора (по уровню -3 дБ) имеет значение 118,7 МГц.
Графики фиг.6 и таблица фиг.7 показывают, что при изменении сопротивлений резисторов 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 переменных аттенюаторов, являющихся базовым узлом различных аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.
Литература:
1. Патентная заявка US 2006/0176074 fig.1.
2. Патент JP 2006/215037.
3. Патент US 3.984.793 fig.1.
4. Патент ЕР 2.273.677 fig.1.
5. Патентная заявка US 2003/0102913.
6. Патентная заявка US 2009/0184785 fig.2.
7. Патентная заявка US 2006/0284681 fig.1.
8. Патентная заявка US 2009/0231069.
9. Патент US 4.051.432.