МОДУЛЯТОР НА МОП-ТРАНЗИСТОРАХ
MODULATOR ON MOS-TRANSISTORS

Изобретение относится к области усилительной техники и может быть использовано для модуляции слабых постоянных и инфранизкочастотных электрических токов и напряжений в усилителях типа МДМ (модулятор-демодулятор).
Когда входной сигнал, поступающий на усилитель, имеет частоту ниже или вблизи нижней границы частотного диапазона усилителя, решением проблемы является преобразование входного сигнала в модулированный сигнал более высокой частоты, его усиление, а затем демодуляция до исходной частоты (модуляция-усиление-демодуляция). Характеристики модулятора вносят весьма существенный, а зачастую определяющий вклад в конечные результаты усиления, особенно при низком уровне входного сигнала.
В МДМ-усилителях преимущественное распространение получили контактные и транзисторные модуляторы. Последние характеризуются высокой надежностью и долговечностью [1-3].
Известен транзисторный модулятор, содержащий два МОП-транзистора, включенных в цепь сигнала и возбуждаемых (управляемых) знакопеременными прямоугольными импульсами тока, и согласующее устройство в виде RC-цепочки [3, стр.54, рис.2.19].
Это устройство принято нами за прототип.
Схема известного устройства показана на фиг.1,а.
1
2
0
вых
На схеме изображены: 1 - два МОП-транзистора; 2 - возбуждающие импульсы тока i(t) и i(t); 3 - согласующее устройство в виде RC-цепочки; U - входное напряжение; u(t) - выходное модулированное напряжение.
1
2
вых
На фиг.1,б приведены графики, поясняющие работу известного устройства. Здесь изображены (сверху вниз): i(t) и i(t) - возбуждающие импульсы тока u(t) - импульсы выходного напряжения. Угол α задан начальными условиями настройки генератора возбуждения.
1
2
0
вых.1
m1
1
1
МОП-транзисторы работают как ключи, коммутируя входное напряжение. Наилучшие результаты показывает режим, при котором α→0 и длительность импульсов i(t) и i(t) равна π (скважность равна 2). МОП-транзисторы работают противофазно, а модулированный ток i(t) приобретает форму меандра. При этом из спектра выходного напряжения, содержащего основную частоту и высшие нечетные гармоники, выделяют напряжение основной частоты u(t)=Usin(ωt+φ), где φ - начальная фаза, которое и служит выходным сигналом модулятора.
Недостатком известного устройства является то, что выходной сигнал и подводимый к модулятору ток возбуждения имеют одну и ту же частоту. Поскольку часть энергии из цепи возбуждения неминуемо проникает в сигнальную цепь модулятора, являясь внутренней помехой, это существенно ограничивает характеристики устройства, особенно при усилении очень малых токов и напряжений. Отфильтровать эту помеху невозможно, поскольку она имеет частоту выходного сигнала.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение смещения и дрейфа нуля модулятора (и в целом МДМ-усилителя) по сравнению с прототипом.
Указанный недостаток прототипа устраняется тем, что в предлагаемом изобретении частота возбуждения модулятора и частота модулированного сигнала разделены (различны): модуляция сигнала осуществляется на удвоенной частоте относительно частоты возбуждения, что создает возможность эффективно отфильтровать полезный сигнал от помехи основной частоты.
Модулирование на удвоенной частоте достигается тем, что в заявляемом устройстве использована комплементарная пара МОП-транзисторов (КМОП-пара), включенных по параллельной схеме и возбуждаемых попеременно импульсами тока длительностью π/2. По зависимому пункту 2 формулы изобретения отсекающим основную частоту элементом является RC-фильтр высоких частот,
Схема заявляемого устройства по п.2 показана на фиг.2,а.
1
2
0
вых
На схеме изображены: 1 - входной RC-фильтр нижних частот; 2 - КМОП-пара транзисторов; 3 - i(t) и i(t) импульсы тока длительностью π/2; 4 - выходной фильтр RC-высоких частот; U и u(t)- входное и выходное напряжения соответственно.
1
2
вых
На фиг.2,б показаны графики, поясняющие работу заявляемого устройства. Здесь изображены (сверху вниз): i(t) и i(t) - возбуждающие импульсы тока длительностью π/2 (α=π/4, скважность равна 4); u(t) - выходное напряжение модулятора. Угол α=π/4 задан начальными условиями настройки генератора возбуждения.
Заявляемое устройство по п.2 работает следующим образом. Благодаря использованию комплементарной пары МОП-транзисторов, включенных параллельно, открывающихся поочередно длительностью π/2, перед выходным RC-фильтром формируются прямоугольные импульсы напряжения, которые появляются дважды за период тока возбуждения основной частоты. Спектр этой последовательности содержит вторую и высшие четные гармоники. При заданной длительности импульсов наибольший вес имеет вторая гармоника, помеха первой гармоники отсекается RC-фильтром высоких частот.
Данное устройство предназначено для работы с высокоомным источником входного напряжения. Для уменьшения входных помех и повышения входного сопротивления в предлагаемом модуляторе используется RC-фильтр нижних частот.
Для работы с низкоомными источниками входного напряжения предлагается разновидность (вариант, модификация) заявляемого устройства по п.3. Целью данной модификации предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и отношения сигнал/шум на выходе модулятора и уменьшение его входного сопротивления при работе с низкоомными источниками входного напряжения.
Эта цель достигается тем, что в разновидности заявляемого устройства использована комплементарная пара МОП-транзисторов (КМОП-пара), включенных по параллельной схеме и возбуждаемых по очереди импульсами тока длительностью π/2. По зависимому пункту 3 формулы изобретения фильтрующим элементом служит трансформатор, две идентичные первичные обмотки которого соединены с транзисторами, а вторичная обмотка настроена в резонанс на удвоенную частоту, при этом на входе модулятора установлен LC-фильтр нижних частот.
Схема разновидности заявляемого устройства по п.3 показана на фиг.3,а.
1
2
0
вых.2
m2
2
На схеме изображены: 1 - входной LC-фильтр нижних частот; 2 - КМОП-пара транзисторов; 3 - i(t) и i(t) импульсы тока длительностью π/2; 4 - трансформатор, вторичная обмотка которого настроена в резонанс на удвоенную частоту; U и u(t)=Usin(2ωt+φ) - входное и выходное напряжения модулятора соответственно.
1
2
0
вых.2
m2
2
На фиг.3,б показаны графики, поясняющие работу разновидности заявляемого устройства. Здесь изображены (сверху вниз): i(t) и i(t) - возбуждающие импульсы тока длительностью π/2; u(t) - импульсы модулированного напряжения в случае, когда вторичная обмотка не настроена в резонанс; u(t)=Usin(2ωt+φ) - выходное напряжение модулятора при настройке вторичной обмотки трансформатора в резонанс на удвоенную частоту (показано пунктиром).
Разновидность заявляемого устройства работает следующим образом. Срабатывающие поочередно КМОП-транзисторы образуют две параллельные линии коммутации входного сигнала, подключенные к соответствующим первичным обмоткам согласующего трансформатора. В результате во вторичной обмотке трансформатора (когда она не настроена в резонанс на удвоенную частоту) наводятся прямоугольные импульсы напряжения. Площадь этих импульсов значительно больше площади импульсов выходного напряжения, показанных на фиг.2,б, благодаря чему повышается чувствительность заявляемой разновидности модулятора. Прямоугольные импульсы напряжения появляются дважды за период тока возбуждения основной частоты. Спектр этой последовательности содержит вторую и высшие четные гармоники. При заданной длительности импульсов наибольший вес имеет вторая гармоника, которая и выделяется при настройке вторичной обмотки трансформатора в резонанс, что также повышает чувствительность модулятора.
Заявляемое устройство по схеме фиг.2,а может быть использовано в электрометрических устройствах. Заявляемое устройство по схеме фиг.3,а - в магнитометрических устройствах, в которых источником входного напряжения служит индукционная катушка. В обоих случаях эффект от осуществления модуляции на удвоенной частоте будет весьма значительным.
Оценим этот эффект количественно.
Как отмечалось выше, смещение и дрейф нуля известных модуляторов определяются уровнем помех, создаваемых генератором возбуждения. Наибольший вклад вносит помеха с основной частотой генератора, т.е. первая гармоника тока возбуждения. В заявляемом устройстве - модуляторе с выходом на удвоенной частоте - помеха с основной частотой легко отфильтровывается, благодаря чему и достигается эффект уменьшения смещения и дрейфа нуля.
Однако из-за несовершенства реальных генераторов возбуждения в токе возбуждения обычно присутствует и составляющая удвоенной частоты. Оценим ее уровень в 1-2% от уровня тока основной частоты (в действительности в двухтактных балансируемых генераторах этот уровень значительно ниже). Эта составляющая (с частотой 2ω) не сможет быть отфильтрована и неминуемо будет проникать в выходной сигнал и вызывать смещение и дрейф нуля модулятора, подобно тому как в известных устройствах в выходной сигнал проникает составляющая основной частоты. Тогда при прочих равных условиях смещение и дрейф нуля предлагаемого устройства будут по крайней мере в 50-100 раз меньше чем в известных модуляторах. Иными словами, получаем выигрыш в уменьшении смещения и дрейфа нуля не в разы, а на 1-2 порядка.
Поэтому внедрение предлагаемого устройства позволяет заявить о реальной возможности освоения не только микровольтового, но и нано-, и пиковольтового диапазонов усиливаемых токов и напряжений.
Литература
1. Калинчук Б.А., Пичугин О.А. Модуляторы малых сигналов. - Л.: Энергия. Ленинградское отделение, 1980. - 200 с.
2. Лондаренко О.П., Сильчев А.Ю., Цыбуленко Н.И. Высокочувствительный операционный усилитель типа модулятор-демодулятор. - Полупроводниковая электроника в технике связи, 1982, вып.22, с.75-78.
3. Полонников Д.Е. Операционные усилители: принцип построения, теория, схемотехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 216 с.