УПРАВЛЯЕМЫЙ УСИЛИТЕЛЬ И АНАЛОГОВЫЙ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЬ СИГНАЛОВ НА ЕГО ОСНОВЕ
CONTROLLED AMPLIFIER AND ANALOGUE MULTIPLIER OF SIGNALS ON ITS BASIS

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 является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов ВЧ и СВЧ-диапазонов, аналоговой вычислительной и измерительной техники.
В настоящее время в аналоговой микросхемотехнике в составе перемножителей двух напряжений, систем электронной регулировки усиления широкое применение находит так называемая перемножающаяся ячейка Джильберта. Такая структура стала основой построения практически всех известных в настоящее время прецизионных аналоговых перемножителей сигналов на основе дифференциальных каскадов [1-36]. В этой связи задача улучшения параметров этого функционального узла относится к числу достаточно актуальных задач современной микроэлектроники.
1
np
x
пр
1
Последние несколько лет источники питания с напряжением 5В вытесняются более низковольтными. Требования к уменьшению рассеиваемой мощности и уменьшению числа батарей в таких приложениях, как беспроводные устройства связи и персональные компьютеры, привели к снижению напряжения питания до уровня 1,5 В. Эта тенденция реализована в современных SiGe транзисторах, которые сконструированы так, чтобы обеспечить максимальную частоту среза (f) в компромиссе с напряжением пробоя (U). Для кремниевых транзисторов существует следующее фундаментальное ограничение: f×U≈const, т.е. малые размеры транзисторов, обеспечивающие высокие значения f (до 200 ГГц), привели к снижению напряжения питания микросхем до 1,0÷1,5В.
n
п
бэ
Уменьшение напряжения питания (Е) в биполярных схемах приводит к появлению новых проблем и некоторые из них становятся трудноразрешимыми при напряжении питания менее 2 В. Принципиальная сложность уменьшения напряжения Е состоит в том, что биполярный транзистор имеет фиксированное напряжение база-эмиттер U, которое не уменьшается линейно с уменьшением технологических норм, так как
,
T
К
s
бэ
K
S
бэ
бэ
п
где φ=kT/q, I - ток коллектора и I - обратный ток эмиттерного р-n перехода. При этом параметры транзистора и уровни тока оказывают слабое влияние на напряжение U. На практике плотность тока в биполярном транзисторе (I/I), изменяя свое значение, также слабо влияет на напряжение U. Если в используемой технологии U =0,7÷0,8 В, то использование 1,5 В источника питания приводит к тому, что между «землей» и шиной Е не может быть включено больше, чем один р-n переход.
бэ
Учитывая вышесказанное, а также численные значения напряжения U≈700÷800 мВ, можно сделать вывод о том, что при напряжении питания 1,5 В запрещается использовать многоярусные дифференциальные пары или каскодные конфигурации (архитектуры).
Таким образом, отсутствие возможности масштабирования напряжения на переходе база-эмиттер обостряет проблему дальнейшего масштабирования напряжения питания интегральных схем на биполярных транзисторах.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является управляемый усилитель (УУ) (фиг.1), рассмотренный в патенте фирмы Philips GB №1.485.092 fig.1, содержащий первый 1 входной и первый 2 выходной транзисторы, базы которых объединены, первый токостабилизирующий двухполюсник 3, соединенный с коллектором первого 1 входного транзистора и связанный с базами первого 1 входного и первого 2 выходного транзисторов, цепь нагрузки 4, подключенную к коллектору первого 2 выходного транзистора, первый источник сигнала 5, связанный с эмиттером первого 1 входного транзистора, первый 6 источник сигнала управления усилением.
п
у
п
Существенный недостаток известного УУ и устройств на его основе состоит в том, что он не может работать при низких напряжениях питания, например Е=1,0В, которые необходимо использовать для микросистем на базе перспективных SiGe технологий. Действительно, особенности архитектуры УУ-прототипа создают проблемы с потенциальным управлением усилением, так как требуют предварительного преобразования сигнала управления u в ток токостабилизирующего двухполюсника 3, что отрицательно сказывается на минимально возможных величинах Е.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении допустимого напряжения питания УУ до уровня меньше чем 1,5В.
Предлагаемое техническое решение является альтернативой широко распространенной перемножающей ячейки Джильберта [1-36].
Поставленная цель достигается тем, что в УУ фиг. 1, содержащем первый 1 входной и первый 2 выходной транзисторы, базы которых объединены, первый токостабилизирующий двухполюсник 3, соединенный с коллектором первого 1 входного транзистора и связанный с базами первого 1 входного и первого 2 выходного транзисторов, цепь нагрузки 4, подключенную к коллектору первого 2 выходного транзистора, первый источник сигнала 5, связанный с эмиттером первого 1 входного транзистора, первый 6 источник сигнала управления усилением, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен второй 7 входной транзистор, эмиттер которого связан с первым 6 источником сигнала управления усилением, коллектор подключен к первому токостабилизирующему двухполюснику 3, а база соединена с базой первого 1 входного транзистора.
На фиг.1 показана схема УУ-прототипа, а на фиг.2 - схема заявляемого УУ в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
Схема фиг.3 соответствует п.3 формулы изобретения.
На фиг.4 показан УУ, соответствующий п.4 формулы изобретения, в котором обеспечивается высокое подавление сигнала управления.
На фиг.5 представлена схема аналогового перемножителя сигналов на основе двух УУ фиг. 2 с объединенными выходами.
На фиг.6 приведена схема УУ, в котором введены (в соответствии с п.6 формулы изобретения) дополнительные буферные усилители 21 и 23.
На фиг.7 приведена схема УУ фиг. 2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП "Пульсар».
На фиг.8 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению УУ фиг.7 в диапазоне частот при разных значениях напряжения управления УУ.
y
На фиг.9 приведен график зависимости коэффициента усиления УУ фиг.7 от управляющего напряжения U в диапазоне средних частот.
x
y
На фиг.10 приведена схема аналогового перемножителя на базе УУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП "Пульсар», а на фиг.11 - его модуляционная характеристика при перемножении u с частотой 100 МГц и u с частотой 100 кГц.
График фиг.12 иллюстрирует спектр выходных сигналов АП фиг.10 при частоте сигнала управления 100 кГц.
x
y
Пример построения аналогового перемножителя на базе УУ фиг.2 приведен на фиг.13, а на фиг.14 показано выходное напряжение АП фиг.13 при перемножении двух сигналов u с частотой 100 МГц и u с частотой 100 кГц.
График фиг.15 иллюстрирует спектр выходных сигналов АП фиг.14 при частоте сигнала управления 100 кГц.
Заявляемый управляемый усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной и первый 2 выходной транзисторы, базы которых объединены, первый токостабилизирующий двухполюсник 3, соединенный с коллектором первого 1 входного транзистора и связанный с базами первого 1 входного и первого 2 выходного транзисторов, цепь нагрузки 4, подключенную к коллектору первого 2 выходного транзистора, первый источник сигнала 5, связанный с эмиттером первого 1 входного транзистора, первый 6 источник сигнала управления усилением. В схему введен второй 7 входной транзистор, эмиттер которого связан с первым 6 источником сигнала управления усилением, коллектор подключен к первому токостабилизирующему двухполюснику 3, а база соединена с базой первого 1 входного транзистора.
На фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения коллектор первого 1 входного транзистора связан с первым 8 блокирующим конденсатором.
На фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения первый токостабилизирующий двухполюсник 3 связан с базами первого 1 входного и первого 2 выходного транзисторов через эмиттерно-базовый переход первого 9 дополнительного транзистора.
На фиг.4 в соответствии с п.4 формулы изобретения в схему введены третий 10 и четвертый 11 входные транзисторы, базы которых объединены, а коллекторы соединены со вторым токостабилизирующим двухполюсником 12, второй 13 выходной транзистор, база которого соединена с базами третьего 10 и четвертого 11 входных транзисторов, коллектор подключен к цепи нагрузки 4, эмиттер третьего 10 входного транзистора, а также эмиттер второго 13 выходного транзистора соединены с первым источником сигнала управления усилением 6, эмиттер четвертого 11 входного транзистора связан с общей шиной первого источника сигнала 5 и первым 6 источником сигнала управления усилением, причем второй 12 токостабилизирующий двухполюсник связан с базой третьего 10 входного транзистора и вторым 14 блокирующим конденсатором.
На фиг.5 в соответствии с п.5 формулы изобретения в схему введены второй 15 источник сигнала, противофазный первому 5 источнику сигнала, второй 16 источник сигнала управления усилением, противофазный первому 6 источнику сигнала управления усилением, пятый 17 и шестой 18 входные транзисторы, базы которых объединены, коллекторы подключены к третьему 19 токостабилизирующему двухполюснику, третий 20 выходной транзистор, коллектор которого соединен с цепью нагрузки 4, а эмиттер подключен ко второму 15 источнику сигнала и эмиттеру пятого 17 входного транзистора, причем второй 16 источник сигнала управления усилением связан с эмиттером шестого 18 выходного транзистора, а коллектор пятого 17 входного транзистора связан с базой шестого 18 входного транзистора.
На фиг.6 в соответствии с п.6 формулы изобретения в качестве первого источника сигнала 5 используется выход первого 21 эмиттерного повторителя, вход которого соединен с первым 22 источником преобразуемого напряжения, а в качестве первого 6 источника сигнала управления усилением используется выход второго 23 эмиттерного повторителя, вход которого соединен с первым источником напряжения 24, управляющего усилением.
Рассмотрим вначале работу схемы фиг. 2.
x
y
3
0
В статическом режиме (u=0, u=0) ток I=2I двухполюсника 3 делится пополам между транзисторами 1 и 7:
.
Так как транзисторы 1 и 2 образуют токовое зеркало, то статический ток коллектора транзистора 2 равен
к2
э2
0
I=I=I.
Следовательно, коэффициент усиления по напряжению каскада с общей базой на транзисторе 2 равен
,
н.4.экв
где R - эквивалентное сопротивление нагрузки 4;
;
т
φ≈25 мВ - температурный потенциал.
y
Если на вход Вх.у подается напряжение управления U≠0, то это создает в элементах схемы ток :
,
э7
э1
где r, r - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 1 и 7.
Как следствие, эмиттерный ток транзистора 2 и сопротивление его эмиттерного перехода изменяются
.
В свою очередь это вызывает изменение коэффициента усиления, который растет:
.
Таким образом, устройство фиг. 2 обладает свойствами управляемого усилителя, что подтверждается результатами моделирования фиг. 8, фиг. 9.
х
Емкость 8 обеспечивает шунтирование переменных составляющих сигнала u.
y
Для расширения диапазона линейной работы по каналу U между p-n переходами транзисторов 1 и 7 целесообразно включать дополнительный резистор.
Минимальное напряжение питания  в схеме фиг.2 определяется падением напряжения на двухполюснике 3:
.
Практически в схеме фиг.2:
.
у
Управляемый усилитель фиг.4 имеет глубокое подавление сигнала управления u на выходе, что обеспечивается его архитектурой.
На базе заявляемого УУ реализуется аналоговый перемножитель сигналов фиг.5.
у
Особенность схемы фиг.6 - более высокое входное сопротивление по входам Вх.х* и Вх.у*, что обеспечивается буферными усилителями 21 и 23, которые осуществляют «привязку» к общей шине источников питания сигналов u и .
п.min
Таким образом, заявляемый АП может иметь приемлемый для большинства применений диапазон изменения напряжения питания при E=1÷1,5 В.
Таким образом, предлагаемые схемы управляемого усилителя и аналогового перемножителя на его основе имеют более низкие значения напряжений питания, что позволяет использовать их для построения более высокочастотных SiGe транзисторов и расширить при этом диапазон рабочих частот.
Литература
1. Патент GB 2318470, H03F 3/45.
2. Патент EP 1369992.
3. Патент США №5874857.
4. Патент США №6456142, фиг.8.
5. Патент США №3931583, фиг.9.
6. Патентная заявка США №2007/0139114, фиг.1.
7. Патентная заявка США №2005/0073362, фиг.1.
8. Патент США №5057787.
9. Патентная заявка WO 2004/041298.
10. Патент США №5389840, фиг.1А.
11. Патент США №5883539, фиг.1.
12. Патентная заявка США №2005/0052239.
13. Патент США №5151625, фиг.1.
14. Патент США №4458211, фиг.5.
15. Патентная заявка США №2005/0030096, фиг.6.
16. Патентная заявка США №2007/0090876.
17. Патент США №6727755.
18. Патент США №5552734, фиг.13, фиг.16.
19. Патентная заявка США №2006/0232334.
20. Патент США №5767727.
21. Патент США №6229395, фиг.2.
22. Патент США №5115409.
23. Патентная заявка США №2005/0231283, фиг.1.
24. Патентная заявка США №2006/0066362, фиг.15.
25. Патент США №5151624, фиг.1, фиг.2.
26. Патент США №5329189, фиг.2.
27. Патент США №4704738.
28. Патент США №4480337.
29. Патент США №5825231.
30. Патент США №6211718, фиг.1, фиг.2.
31. Патент США №5151624.
32. Патент США №5329189.
33. Патент США №5331289.
34. Патент GB №2323728.
35. Патентная заявка США №2008/0122540, фиг.1.
36. Патент США №4965528.