АНАЛОГОВЫЙ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЙ
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 кристале.
Аналоговый перемножитель напряжений (АПН) современных систем связи и телекоммуникаций реализуется, в основном, на базе перемножающей ячейки Джильберта, которая совершенствовалась в более чем 50 патентах ведущих микроэлектронных фирм (смотри, например, [1-36]). Предлагаемое изобретение относится к данному классу устройств.
На основе ячейки Джильберта реализуются не только перемножители. напряжений, но и управляемые усилители и смесители (миксеры) сигналов ВЧ и СВЧ диапазонов. В этом смысле АПН является базовым функциональным узлом современной микроэлектроники, определяющим качественные показатели многих систем связи.
x
y
y
y
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является аналоговый перемножитель напряжений (АПН, фиг.1), рассмотренный в патентной заявке фирмы Sharp US №2006 0066362, fig 15, содержащий первый 1 источник первого перемножаемого напряжения u, второй 2 источник первого перемножаемого напряжения , противофазный первому 1 источнику, преобразователь «напряжение u - ток» 3, связанный с источником 4 второго перемножаемого напряжения u, имеющий первый 5 и второй 6 противофазные выходы, первый 7 входной транзистор, база которого подключена к первому 1 источнику первого перемножаемого напряжения, второй 8 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером первого 7 входного транзистора и связан с первым 5 выходом преобразователя «напряжение u - ток» 3, а коллектор соединен с первым 9 выходом аналогового перемножителя сигналов и первым элементом нагрузки 10, третий 11 входной транзистор, база которого подключена ко второму 2 источнику первого перемножаемого напряжения, а эмиттер соединен с эмиттером четвертого 12 входного транзистора и вторым 6 выходом преобразователя «напряжение-ток» 3, причем коллектор четвертого 12 входного транзистора соединен с первым 9 выходом аналогового перемножителя напряжений, а коллектор первого 1 входного транзистора соединен с коллектором третьего 11 входного транзистора.
x
Существенный недостаток известного перемножителя напряжений состоит в том, что он характеризуется многоканальной передачей перемножаемого сигнала u к выходному узлу 9 АПН. Действительно, к выходу 9 входное напряжение от источников их 1 и 2 передается несколькими путями:
- по первому основному неинвертирующему каналу - «первый источник 1 - транзисторы 7 и 8»;
к12
- по паразитному неинвертирующему каналу - «первый источник 1 - емкость коллектор-база С - выход 9»;
- по неинвертирующему каналу - «источник 2, транзистор 11 - транзистор 12 - выход 9».
x
x
к8
x
5
Многоканальный характер передачи напряжения u создает проблему обеспечения широкополосности и быстродействия АПН. Это обусловлено разной инерционностью каналов передачи u, а также фазовыми характеристиками каналов. Например, прямая неинвентирующая передача сигнала  от источника 2 к выходу 9 через паразитную емкость коллектор-база С транзистора 8 увеличивается с повышением частоты. С другой стороны, инвертирующая передача сигнала u (источник 1) к выходу 9 через транзисторы 7 и 8 уменьшается с повышением частоты, так как этот канал шунтируется паразитной емкостью на подложку C выходных транзисторов, входящих в преобразователь «напряжение-ток» 3.
Следует заметить, что фазы сигналов по первому и второму каналам не совпадают, что создает проблему их согласования, а также ухудшает погрешность перемножения.
x
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в расширении полосы пропускания АПН путем повышения симметрии каналов передачи напряжения u.
x
y
y
y
Поставленная цель достигается тем, что в АПН, содержащем первый 1 источник первого перемножаемого напряжения u, второй 2 источник первого перемножаемого напряжения , противофазный первому 1 источнику, преобразователь «напряжение u - ток» 3, связанный с источником 4 второго перемножаемого напряжения u, имеющий первый 5 и второй 6 противофазные выходы, первый 7 входной транзистор, база которого подключена к первому 1 источнику первого перемножаемого напряжения, второй 8 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером первого 7 входного транзистора и связан с первым 5 выходом преобразователя «напряжение u - ток» 3, а коллектор соединен с первым 9 выходом аналогового перемножителя сигналов и первым элементом нагрузки 10, третий 11 входной транзистор, база которого подключена ко второму 2 источнику первого перемножаемого напряжения, а эмиттер соединен с эмиттером четвертого 12 входного транзистора и вторым 6 выходом преобразователя «напряжение-ток» 3, причем коллектор четвертого 12 входного транзистора соединен с первым 9 выходом аналогового перемножителя напряжений, а коллектор первого 1 входного транзистора соединен с коллектором третьего 11 входного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - база второго 8 входного транзистора соединена с базой четвертого 12 входного транзистора и подключена ко вспомогательному входу 13 аналогового перемножителя сигналов.
На фиг.1 показана схема АПН-прототипа, на чертеже фиг.2 - схема заявляемого АПН в соответствии с п1, п2 и п3 формулы изобретения.
На фиг.3 представлена схема АПН, соответствующая п4 формулы изобретения.
к7
к11
Схема фиг.4 соответствует п4 формулы изобретения для случая, когда сопротивление двухполюсника нагрузки 10 (фиг.3) близко к нулю. В этой схеме благодаря новым связям обеспечивается взаимная компенсация влияния емкостей С и С на частные характеристики АПН.
u
вых
х
y
u
На фиг.5 приведена схема АПН фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП "Пульсар», на чертеже фиг.6 показана зависимость ее модуля коэффициента усиления по напряжению К=u/u от уровня тока i. Такой режим измерения К характеризует применение заявляемого АПН в качестве управляемого усилителя.
u
y
Фиг.7 иллюстрирует зависимость модуля коэффициента усиления АПН фиг.5 К=f(I) в диапазоне средних частот.
x
y
y
На фиг.8 приведены результаты компьютерного моделирования схемы фиг.5 для случая перемножения двух напряжений uи тока I, пропорционального U. Эти графики показывают, что заявляемый АПН является четырехквадрантным перемножителем. При этом погрешность перемножения γ, характеризующаяся графиками фиг.9, может быть достаточно малой (γ≤0,2%).
x
y
y
y
Заявляемый АПН, фиг.2, содержит первый 1 источник первого перемножаемого напряжения u, второй 2 источник первого перемножаемого напряжения , противофазный первому 1 источнику, преобразователь «напряжение u - ток» 3, связанный с источником 4 второго перемножаемого напряжения u, имеющий первый 5 и второй 6 противофазные выходы, первый 7 входной транзистор, база которого подключена к первому 1 источнику первого перемножаемого напряжения, второй 8 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером первого 7 входного транзистора и связан с первым 5 выходом преобразователя «напряжение u - ток» 3, а коллектор соединен с первым 9 выходом аналогового перемножителя сигналов и первым элементом нагрузки 10, третий 11 входной транзистор, база которого подключена ко второму 2 источнику первого перемножаемого напряжения, а эмиттер соединен с эмиттером четвертого 12 входного транзистора и вторым 6 выходом преобразователя «напряжение-ток» 3, причем коллектор четвертого 12 входного транзистора соединен с первым 9 выходом аналогового перемножителя напряжений, а коллектор первого 1 входного транзистора соединен с коллектором третьего 11 входного транзистора. База второго 8 входного транзистора соединена с базой четвертого 12 входного транзистора и подключена ко вспомогательному входу 13 аналогового перемножителя сигналов.
В схеме фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, вспомогательный вход 13 аналогового перемножителя напряжений связан в частном случае с общей шиной 14 источников питания.
x
y
Кроме этого, в схеме фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, коллекторы первого 7 и третьего 11 входных транзисторов подключены к дополнительному источнику напряжения смещения 15, статический потенциал которого приблизительно равен статическому потенциалу на первом 9 выходе аналогового перемножителя напряжений. Это повышает точность перемножений u и u.
В схеме фиг.3, в соответствии с п.4 формулы изобретения, коллекторы первого 7 и третьего 11 входных транзисторов соединены со вторым 16 выходом аналогового перемножителя напряжений и вторым 17 элементом нагрузки.
Рассмотрим работу АПН фиг.2.
x
у
y
Для реализации функции перемножения двух напряжений u и u в схеме фиг.2 необходимо с помощью преобразователя 3 обеспечить преобразование u с крутизной S в два противофазно изменяющихся тока ,  и управление этими токами величиной коэффициента усиления по напряжению каскадов на транзисторах 7, 8 и 12, 11. В схеме фиг.2 при увеличении суммарного тока эмиттерной цепи транзисторов 7 и 8 коэффициент усиления по напряжению увеличивается
а транзисторов 11 и 12 уменьшается
x
y
Поэтому переменное выходное напряжение АПН пропорционально произведению u и u:
x
y
x
Следует заметить, что в схеме фиг.2 каналы передачи напряжения uот источников сигналов 1 и 2 идентичны, что расширяет полосу пропускания АПН по выходу 9 особенно при малых величинах u, u.
y
y
Замечательная особенность схемы фиг.2 - подавление передачи сигнала u на выходы 9 и 16. Действительно, при изменении тока  в эмиттерах транзисторов 7 и 8 их коллекторные токи изменяются пропорционально u. Однако противофазно изменяется и коллекторный ток транзисторов 11 и 12, что компенсирует соответствующее приращение тока коллектора транзистора 8 и стабилизирует статическое напряжение на резисторе 10.
x
y
В схеме фиг.3 обеспечивается еще более высокая симметрия каналов передачи u и u, что при дифференциальном выходе (когда используются узлы 9 и 16, фиг.3) расширяет частотный диапазон АПН.
c1
вых.c
c1
x
y
При реализации в АПН в соответствии с пунктом 2 формулы изобретения (фиг.2) дополнительно повышается симметрия схемы. Это объясняется тем, что при напряжении источника смещения E, равном статическому напряжению на выходе 9 АПН (U≈E), обеспечивается более прецизионное деление тока  между транзисторами 7, 8 и 11, 12. Данный эффект связан с минимизацией эффекта Эрли. В конечном итоге это повышает точность перемножения u и u.
к7
к11
x
y
Кроме этого в АПН фиг.3, фиг.4 обеспечивается взаимная компенсация влияния емкостей коллекторных переходов транзисторов 7, 11 (С, С) и 8, 12 на работу схемы, что снижает погрешность перемножения u и u в диапазоне высоких частот.
x
y
x
x
x
y
Как следует из чертежа фиг.9, погрешность γ перемножения u и u при малых u (|u|<40 мВ) не превышает 0,2%. Для существенного расширения динамического диапазона перемножаемых сигналов u и U следует использовать их предварительное логарифмирование.
Таким образом, предлагаемое техническое решение является альтернативой широко распространенной перемножающей ячейки Джильберта [1-36] и характеризуется более высокими качественными параметрами.
Иисточники информации
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.