СМЕСИТЕЛЬ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
MIXER OF ANALOGUE SIGNALS

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих радиотехнических устройствах. Аналоговый смеситель сигналов (АСС) является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов ВЧ- и СВЧ-диапазонов.
Аналоговые смесители сигналов реализуются, в основном, на базе перемножающей ячейки Гильберта, которая совершенствовалась в более чем 50 патентах ведущих микроэлектронных фирм (см., например, [1-8]). Предлагаемое изобретение относится к данному классу устройств.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является аналоговый смеситель сигналов (фиг.1), рассмотренный в патентне US 7812775 fig.20, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы канала «X», эмиттеры которых объединены и соединены с коллектором первого 3 входного транзистора канала «Y», третий 4 и четвертый 5 входные транзисторы канала «X», эмиттеры которых объединены и соединены с коллектором второго 6 входного транзистора канала «Y», первый 7 источник входного сигнала канала «X», соединенный с базами первого 1 и четвертого 5 входных транзисторов канала «X», второй 8 источник входного сигнала канала «X», связанный с базами второго 2 и третьего 4 входных транзисторов канала «X», первый 9 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между первым 10 выходом устройства, соединенным с коллекторами первого 1 и третьего 4 входных транзисторов канала «X» и первым 11 источником питания, второй 12 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между вторым 13 выходом устройства, соединенным с коллекторами второго 2 и четвертого 5 входных транзисторов канала «X» и первым 11 источником питания, первый 14 источник сигнала канала «Y», связанный с базой первого 3 входного транзистора канала «Y», второй 15 источник сигнала канала «Y», связанный с базой второго 6 входного транзистора канала «Y», масштабирующий резистор 16, включенный между эмиттером первого 3 входного транзистора канала «Y» и эмиттером второго 6 входного транзистора канала «Y», первый 17 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 3 входного транзистора канала «Y» и вторым 18 источником питания, второй 19 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 6 входного транзистора канала «Y» и вторым 18 источником питания, причем фазы первого 7 и второго 8 источников входного сигнала канала «X», а также фазы первого 14 и второго 15 источников сигнала канала «Y» противоположны.
Существенный недостаток известного смесителя состоит в том, что с повышением частоты сигнала по каналу «Y» свыше уровня 5÷6 ГГц (техпроцесс SGB25VD) его основные характеристики ухудшаются.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении полосы пропускания смесителя по каналу «Y» в СВЧ-диапазоне при его реализации на элементной базе техпроцесса SGB25VD.
Поставленная задача решается тем, что смесителе аналоговых сигналов, фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы канала «X», эмиттеры которых объединены и соединены с коллектором первого 3 входного транзистора канала «Y», третий 4 и четвертый 5 входные транзисторы канала «X», эмиттеры которых объединены и соединены с коллектором второго 6 входного транзистора канала «Y», первый 7 источник входного сигнала канала «X», соединенный с базами первого 1 и четвертого 5 входных транзисторов канала «X», второй 8 источник входного сигнала канала «X», связанный с базами второго 2 и третьего 4 входных транзисторов канала «X», первый 9 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между первым 10 выходом устройства, соединенным с коллекторами первого 1 и третьего 4 входных транзисторов канала «X» и первым 11 источником питания, второй 12 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между вторым 13 выходом устройства, соединенным с коллекторами второго 2 и четвертого 5 входных транзисторов канала «X» и первым 11 источником питания, первый 14 источник сигнала канала «Y», связанный с базой первого 3 входного транзистора канала «Y», второй 15 источник сигнала канала «Y», связанный с базой второго 6 входного транзистора канала «Y», масштабирующий резистор 16, включенный между эмиттером первого 3 входного транзистора канала «Y» и эмиттером второго 6 входного транзистора канала «Y», первый 17 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 3 входного транзистора канала «Y» и вторым 18 источником питания, второй 19 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 6 входного транзистора канала «Y» и вторым 18 источником питания, причем фазы первого 7 и второго 8 источников входного сигнала канала «X», а также фазы первого 14 и второго 15 источников сигнала канала «Y» противоположны, предусмотрены новые элементы и связи - первый 20 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току между эмиттером первого 3 входного транзистора канала «Y» и общей шиной первого 11 и второго 18 источников питания, второй 21 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току между эмиттером второго 6 входного транзистора канала «Y» и общей шиной первого 11 и второго 18 источников питания.
На фиг.1 показана схема АСС-прототипа, а на фиг.2 - схема заявляемого АСС в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 приведена схема АСС фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe-интегральных транзисторов, а на фиг.4 показана зависимость модуля коэффициента передачи АСС по каналу «Y» от частоты (при сравнительно низкоомных двухполюсниках 9 и 12 (R9=R12=500 Ом и выборе C20=C21=C4=150 фФ).
Фиг.5 иллюстрирует зависимость модуля коэффициента передачи АСС фиг.3 при изменении емкостей конденсаторов 20 и 21 в диапазоне до 0÷150 фФ.
в
На чертеже фиг.6 показана зависимость верхней граничной частоты АСС фиг.3 (f) от емкостей корректирующих конденсаторов 20, 21 (С20=С21=Сп=0÷150 фФ).
Заявляемый смеситель аналоговых сигналов фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы канала «X», эмиттеры которых объединены и соединены с коллектором первого 3 входного транзистора канала «Y», третий 4 и четвертый 5 входные транзисторы канала «X», эмиттеры которых объединены и соединены с коллектором второго 6 входного транзистора канала «Y», первый 7 источник входного сигнала канала «X», соединенный с базами первого 1 и четвертого 5 входных транзисторов канала «X», второй 8 источник входного сигнала канала «X», связанный с базами второго 2 и третьего 4 входных транзисторов канала «X», первый 9 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между первым 10 выходом устройства, соединенным с коллекторами первого 1 и третьего 4 входных транзисторов канала «X» и первым 11 источником питания, второй 12 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между вторым 13 выходом устройства, соединенным с коллекторами второго 2 и четвертого 5 входных транзисторов канала «X» и первым 11 источником питания, первый 14 источник сигнала канала «Y», связанный с базой первого 3 входного транзистора канала «Y», второй 15 источник сигнала канала «Y», связанный с базой второго 6 входного транзистора канала «Y», масштабирующий резистор 16, включенный между эмиттером первого 3 входного транзистора канала «Y» и эмиттером второго 6 входного транзистора канала «Y», первый 17 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 3 входного транзистора канала «Y» и вторым 18 источником питания, второй 19 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 6 входного транзистора канала «Y» и вторым 18 источником питания, причем фазы первого 7 и второго 8 источников входного сигнала канала «X», а также фазы первого 14 и второго 15 источников сигнала канала «Y» противоположны. В схему введен первый 20 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току между эмиттером первого 3 входного транзистора канала «Y» и общей шиной первого 11 и второго 18 источников питания, второй 21 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току между эмиттером второго 6 входного транзистора канала «Y» и общей шиной первого 11 и второго 18 источников питания.
На фиг.2 первый 14 и второй 15 источники сигнала по каналу «Y» содержат, в частном случае, элементы 22÷26.
кб.3
20
ск3
c20
кб.3
20
20
к3
ск3
c20
Рассмотрим работу АСС фиг.2 в диапазоне высоких частот. При изменении входного напряжения по каналу «Y» на базе транзистора 3 через емкость коллектор-база транзистора 3 (С) и емкость корректирующего конденсатора 20 (С) создаются токи i и i, зависящие от частоты сигнала и численных значений С и С. Ток через конденсатор 20 поступает в эмиттер, а затем в коллектор транзистора 3. Поэтому в узле «A» (при определенном выборе численных значений С и С) происходит взаимная компенсация противоположно направленных паразитных составляющих токов i и i. Как следствие, частотный диапазон АСС по каналу «Y» существенно расширяется (фиг.6).
20
21
20
кб.3
21
кб.6
кб.3
20
кб.6
21
Указанный положительный эффект, как показал эксперимент, реализуется только при оптимальном выборе величин С и С:С≈1÷1,2 С, С≈1÷1,2 С. Это хорошо согласуется с рассмотренными выше теоретическими представлениями о взаимной компенсации емкостей С и С, а также С и С.
Таким образом, предлагаемое техническое решение характеризуется более высоким частотным диапазоном.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №6456142 fig.8.
2. Патент США №5821810.
3. Патент США №5184088.
4. Патентная заявка США №2006/0232334.
5. Патент США №7676212.
6. Патент Японии JP 3095241.
7. Патент EP 1455441.
8. Патент США №4344188 fig.3.