АНАЛОГОВЫЙ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЙ
ANALOG MULTIPLIER OF VOLTAGES

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 кристалле.
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.
В современной микроэлектронике важное место занимают биполярно-полевые технологии, обеспечивающие для электронных систем элементную базу с качественными n-p-n биполярными транзисторами и полевыми транзисторами с р-каналом. Такая технология освоена многими микроэлектронными фирмами, в том числе НПО «Интеграл» (г.Минск), выпускающими широкую гамму различных микроэлектронных устройств на основе аналоговых биполярно-полевых базовых матричных кристаллов (БМК) (а.с. СССР 1746440). Замечательная особенность БМК - высокая радиационная стойкость, что делает их особенно привлекательными для применения в изделиях космической и атомной техники. Предлагаемое изобретение ориентировано на решение данного класса задач.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является аналоговый перемножитель напряжений (АПН, фиг.1), рассмотренный в патентной заявке США №2006/0232334, fig 1, содержащий перемножающую ячейку 1 на основе двух транзисторных дифференциальных каскадов с первым 2 и вторым 3 потенциальными входами канала «X», первым 4 и вторым 5 противофазными токовыми входами канала «Y», первым 6 и вторым 7 противофазными потенциальными входами канала «Y», первым 8 и вторым 9 токовыми выходами, связанными с цепью нагрузки 10.
Первый существенный недостаток известного перемножителя напряжений состоит в том, что он характеризуется «трехъярусным» включением p - n переходов в цепи отрицательного источника питания E, что накладывает ограничения на допустимый диапазон изменения напряжения питания
Второй существенный недостаток известного АПН - необходимость согласования статических потенциалов входов канала «Y» 6 и 7 с общей шиной источников питания. Для этой цели применяются специальные цепи смещения (см., например, патент US 5.151.624, fig.2), что отрицательно сказывается на точности АПН, его статических погрешностях. Кроме этого, наличие емкости на подложку у транзисторов канала «Y», коллекторы которых подключены к первому 4 и второму 5 токовым входам, отрицательно сказывается на частотных характеристиках АПН.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в решении проблемы «привязки» входов канала «Y», так же как и канала «X», к общей шине источников питания в базисе элементов BiFET-технологий.
Дополнительные цели - расширение диапазона рабочих частот по каналу «X» и снижение напряжения питания.
Поставленная цель достигается тем, что в АПН, содержащем перемножающую ячейку 1 на основе транзисторных дифференциальных каскадов с первым 2 и вторым 3 потенциальными входами канала «X», первым 4 и вторым 5 противофазными токовыми входами канала «Y», первым 6 и вторым 7 противофазными потенциальными входами канала «Y», первым 8 и вторым 9 токовыми выходами, связанными с цепью нагрузки 10, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 11 и второй 12 полевые транзисторы, истоки которых связаны с соответствующими первым 4 и вторым 5 противофазными токовыми входами канала «Y», затворы соединены с соответствующими первым 6 и вторым 7 потенциальными входами канала «Y», а стоки связаны с шиной 13 напряжения питания.
На фиг.1 показана схема АПН-прототипа, а на фиг.2 - схема заявляемого АПН в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На фиг.3 представлена схема АПН, соответствующая п.2 формулы изобретения.
На фиг.4 приведена схема АПН фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП "Пульсар», а на фиг.5 показана зависимость ее выходного напряжения от напряжений на входах каналов «X» и «Y». Такой режим характеризует перемножающие свойства АПН. Эти графики показывают, что заявляемый АПН является четырехквадрантным перемножителем. При этом погрешность перемножения γ, характеризующаяся графиками, может быть достаточно малой (γ≤0,2%).
Заявляемый АПН фиг.2 содержит перемножающую ячейку 1 на основе транзисторных дифференциальных каскадов с первым 2 и вторым 3 потенциальными входами канала «X», первым 4 и вторым 5 противофазными токовыми входами канала «Y», первым 6 и вторым 7 противофазными потенциальными входами канала «Y», первым 8 и вторым 9 токовыми выходами, связанными с цепью нагрузки 10. В схему введены первый 11 и второй 12 полевые транзисторы, истоки которых связаны с соответствующими первым 4 и вторым 5 противофазными токовыми входами канала «Y», затворы соединены с соответствующими первым 6 и вторым 7 потенциальными входами канала «Y», а стоки связаны с шиной 13 напряжения питания.
Множительная ячейка 1 в схеме фиг.2 реализована на транзисторах 14, 15, 16 и 17, а цепь нагрузки включает в частном случае резисторы 18 и 19.
В схеме фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения истоки первого 11 и второго 12 полевых транзисторов связаны с соответствующими первым 4 и вторым 5 противофазными токовыми входами канала «Y» через первый 20 и второй 21 дополнительные резисторы.
Рассмотрим работу АПН фиг.3.
x
y
y
Для реализации функции перемножения двух напряжений u и u в схеме фиг.3 необходимо обеспечить преобразование напряжения канала «Y» u в два противофазно изменяющихся тока , которые управляют величиной коэффициента усиления по напряжению дифференциальных каскадов на транзисторах 14, 15 и 16, 17, где S - крутизна преобразования. В схеме фиг.3 при увеличении суммарного тока 15 эмиттерной цепи транзисторов 16 и 17 коэффициент усиления по напряжению увеличивается
а транзисторов 11 и 12 уменьшается
y
4
5
где S - крутизна преобразования напряжения u в ток i(i).
x
Y
Поэтому переменное выходное напряжение АПН пропорционально произведению u и u:
y
x
Следует заметить, что в схеме фиг.3 каналы передачи напряжения их от источников сигналов  и  идентичны, что расширяет полосу пропускания АПН по выходу 9 особенно при малых величинах u, u.
Кроме этого, схема фиг.3 характеризуется многократной интеграцией функций применяемых активных элементов. Так на транзисторах 11, 12 и 14, 17 реализованы одновременно:
- источники опорного тока;
- перемножающая ячейка;
- преобразователь «напряжение канала «Y» - ток».
Схема фиг.3 имеет малые значения паразитной емкости в узлах 4 и 5, что улучшает ее перемножающие свойства в области высоких частот по каналу «X».
y
4
y
Замечательная особенность схемы фиг.3 - подавление передачи сигнала u на выходы 8 и 9. Действительно, при изменении тока i в эмиттерах транзисторов 14 и 15 их коллекторные токи изменяются пропорционально u. Однако противофазно изменяются и коллекторные токи транзисторов 16 и 17, что компенсирует соответствующее приращение тока коллектора транзисторов 14 и 15 и стабилизирует статическое напряжение на резисторах 18 и 19.
4
5
y
x
y
При реализации в АПН в соответствии с пунктом 2 формулы изобретения (фиг.2) дополнительно повышается диапазон линейной работы АПН по каналу «Y». Это объясняется тем, что при введении резисторов 20 и 21 обеспечивается более линейная зависимость токов i и i от напряжения u. В конечном итоге это повышает точность перемножения u и u.
x
y
Кроме этого, работоспособность АПН фиг.2 (фиг.3) обеспечивается без источников опорного тока, что снижает погрешность перемножения u и u в диапазоне высоких частот.
Для существенного расширения динамического диапазона перемножаемых сигналов по каналу следует использовать их предварительное логарифмирование.
Таким образом, предлагаемое техническое решение является альтернативой широко распространенным АПН с классической архитектурой [1 - 36] и характеризуется более высокими качественными параметрами при высокой радиационной стойкости.
Источники 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.