АНАЛОГОВЫЙ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЙ
ANALOGUE 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 и совершенствовался 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.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является аналоговый перемножитель напряжений (АПН), (фиг.1), рассмотренный в монографии Е.И.Старченко «Аналоговые перемножители напряжений» - Шахты: Издательство ЮРГУЭС, 2006. - 57 с., стр.12, рис.2.2. Кроме того, данная структура АПН представлена в учебном пособии для вузов В.Н.Ногина «Аналоговые электронные устройства» - М.: Радио и связь, 1992. - 304 с., стр.260, рис.16.11, а также в патенте US 6.456.142, fig.8.
Известный АПН содержит перемножающую ячейку Джильберта 1, противофазные токовые выходы которой 2 и 3 связаны с первой 4 шиной источника питания через симметричную цепь нагрузки 5, первый 6 и второй 7 токовые входы канала «Y» перемножающей ячейки Джильберта 1, соединенные с соответствующими токовыми выходами преобразователя «напряжение-ток» канала «Y» 8, первый 9 и второй 10 потенциальные входы канала «X» перемножающей ячейки Джильберта 1, связанные с коллекторами соответствующих первого 11 и второго 12 входных транзисторов, первый 13 и второй 14 логарифмирующие p-n переходы, первые выводы которых объединены и через цепь согласования потенциалов 15 связаны с шиной первого 4 источника питания, причем второй вывод первого 13 логарифмирующего p-n перехода соединен с коллектором первого 11 входного транзистора, а второй вывод второго 14 логарифмирующего p-n перехода соединен с коллектором второго 12 входного транзистора, масштабирующий резистор 16, включенный между эмиттерами первого 11 и второго 12 входных транзисторов, первый 17 источник опорного тока, включенный между эмиттером первого 11 входного транзистора и второй 18 шиной источника питания, второй 19 источник опорного тока, включенный между эмиттером второго 12 входного транзистора и второй 18 шиной источника питания.
Существенный недостаток известного перемножителя напряжений (АПН) состоит в том, что он имеет сравнительно невысокий диапазон рабочих частот, который ограничивается паразитными емкостями применяемых транзисторов (емкостью коллектор-база и емкостью на подложку).
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот (полосы пропускания) АПН.
Поставленная задача достигается тем, что в АПН, содержащем перемножающую ячейку Джильберта 1, противофазные токовые выходы которой 2 и 3 связаны с первой 4 шиной источника питания через симметричную цепь нагрузки 5, первый 6 и второй 7 токовые входы канала «Y» перемножающей ячейки Джильберта 1, соединенные с соответствующими токовыми выходами преобразователя «напряжение-ток» канала «Y» 8, первый 9 и второй 10 потенциальные входы канала «X» перемножающей ячейки Джильберта 1, связанные с коллекторами соответствующих первого 11 и второго 12 входных транзисторов, первый 13 и второй 14 логарифмирующие p-n переходы, первые выводы которых объединены и через цепь согласования потенциалов 15 связаны с шиной первого 4 источника питания, причем второй вывод первого 13 логарифмирующего p-n перехода соединен с коллектором первого 11 входного транзистора, а второй вывод второго 14 логарифмирующего p-n перехода соединен с коллектором второго 12 входного транзистора, масштабирующий резистор 16, включенный между эмиттерами первого 11 и второго 12 входных транзисторов, первый 17 источник опорного тока, включенный между эмиттером первого 11 входного транзистора и второй 18 шиной источника питания, второй 19 источник опорного тока, включенный между эмиттером второго 12 входного транзистора и второй 18 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первая 20 и вторая 21 группы вспомогательных транзисторов, причем объединенные эмиттеры и базы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов первой 20 группы соединены с эмиттером первого 11 входного транзистора, объединенные эмиттеры и базы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов второй 21 группы соединены с эмиттером второго 12 входного транзистора, а коллекторы всех вспомогательных транзисторов первой 20 и второй 21 группы объединены и связаны с первой 4 шиной источника питания.
На чертеже фиг.1 показана схема АПН-прототипа.
На чертеже фиг.2 представлена схема классической перемножающей ячейки Джильберта (1), которая реализована на транзисторах 33÷36.
На чертеже фиг.3 приведена схема заявляемого АПН в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг.4 показана схема аналогового перемножителя фиг.3 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов с цепями расширения частотного диапазона, реализованными на основе первой 20 и второй 21 группы вспомогательных транзисторов.
На чертеже фиг.5 приведена зависимость коэффициента усиления АПН фиг.4 от частоты с использованием восьми вспомогательных транзисторов первой 20 и второй 21 групп с различными площадями эмиттерных переходов при сопротивлении масштабирующего резистора 16, равном R16=200 Ом, и напряжении управления по каналу «Y», равном Vу=100 мВ.
Чертеж фиг.6 иллюстрирует зависимость коэффициента усиления АПН от частоты при подключении двух вспомогательных транзисторов первой 20 и второй 21 группы с различными площадями эмиттерных переходов при сопротивлении масштабирующего резистора 16 R16=1 кОм и напряжении управления по каналу «Y», равном Vу=100 мВ.
Заявляемый АПН фиг.3 содержит классическую перемножающую ячейку Джильберта 1 (фиг.2), противофазные токовые выходы которой 2 и 3 связаны с первой 4 шиной источника питания через симметричную цепь нагрузки 5, первый 6 и второй 7 токовые входы канала «Y» перемножающей ячейки Джильберта 1, соединенные с соответствующими токовыми выходами преобразователя «напряжение-ток» канала «Y» 8, первый 9 и второй 10 потенциальные входы канала «X» перемножающей ячейки Джильберта 1, связанные с коллекторами соответствующих первого 11 и второго 12 входных транзисторов, первый 13 и второй 14 логарифмирующие p-n переходы, первые выводы которых объединены и через цепь согласования потенциалов 15 связаны с шиной первого 4 источника питания, причем второй вывод первого 13 логарифмирующего p-n перехода соединен с коллектором первого 11 входного транзистора, а второй вывод второго 14 логарифмирующего p-n перехода соединен с коллектором второго 12 входного транзистора, масштабирующий резистор 16, включенный между эмиттерами первого 11 и второго 12 входных транзисторов, первый 17 источник опорного тока, включенный между эмиттером первого 11 входного транзистора и второй 18 шиной источника питания, второй 19 источник опорного тока, включенный между эмиттером второго 12 входного транзистора и второй 18 шиной источника питания. В схему введены первая 20 и вторая 21 группы вспомогательных транзисторов, причем объединенные эмиттеры и базы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов первой 20 группы соединены с эмиттером первого 11 входного транзистора, объединенные эмиттеры и базы n>2 параллельно включенных вспомогательных транзисторов второй 21 группы соединены с эмиттером второго 12 входного транзистора, а коллекторы всех вспомогательных транзисторов первой 20 и второй 21 группы объединены и связаны с первой 4 шиной источника питания.
В частном случае на чертеже фиг.3 первый 17 и второй 19 источники опорного тока выполнены на транзисторах 22 и 23. Однако в ряде случаев авторы рекомендуют использовать в качестве данных элементов сравнительно высокоомные резисторы.
В схеме фиг.3 симметричная цепь нагрузки 5 реализована на базе коллекторных резисторов 24 и 25. В других схемах включения это могут быть индуктивности или колебаторные контуры.
Конденсаторы 26 и 27 на чертеже фиг.3 характеризуют выходную емкость транзисторов 22 и 23.
Преобразователь «напряжение-ток» канала «Y» (фиг.3) выполнен по традиционной схеме на транзисторах 28 и 29, резисторе 30, токостабилизирующих двухполюсниках 31 и 32.
На чертеже фиг.2 перемножающая ячейка Джильберта 1 выполнена по классической архитектуре и содержит транзисторы 33÷36. В качестве цепи согласования потенциалов 15 могут использоваться стабилитроны, резисторы или диоды.
Рассмотрим работу АПН фиг.3.
x
у
у
x
у
Для реализации функции перемножения двух напряжений u и u в схеме фиг.3 необходимо с помощью преобразователя «напряжение-ток» канала «Y» 8 обеспечить преобразование управляющего напряжения u с крутизной S в два противофазно изменяющихся тока ,  и управление этими токами величиной коэффициента усиления по напряжению дифференциальных каскадов на транзисторах 33, 36 и 34, 35 (фиг.2). В схеме фиг.3 при увеличении тока первого 6 токового входа на величину  и уменьшении тока второго 7 токового входа на величину  коэффициент усиления по напряжению каскада на транзисторах 35, 36 (фиг.2) увеличивается, а каскад на транзисторах 37, 38 (фиг.2) уменьшается. Поэтому переменное выходное напряжение АПН пропорционально произведению напряжений u и u:
н.экв
где R - эквивалентное сопротивление цепи симметричной нагрузки 5;
т
φ≈26 мВ - температурный потенциал.
x
у
Первая замечательная особенность в АПН фиг.3 состоит в том, что в нем обеспечивается взаимная компенсация влияния на амплитудно-частотную характеристику емкости коллекторного перехода транзистора 11 (12) и вспомогательных транзисторов первой 20 (второй 21) группы, а также транзисторов ячейки Джильберта (1), что снижает погрешность перемножения u и u в диапазоне высоких частот (f>10 ГГц). При этом за счет высокой идентичности транзисторов и их паразитных емкостей условия взаимной компенсации не нарушаются в рабочих диапазонах температур. В практических схемах число элементарных транзисторов, входящих в первую 20 и вторую 21 группу вспомогательных транзисторов, лежит в пределах n=2÷8 и зависит от выбранной площади эмиттерных переходов, геометрии элементарных транзисторов и сопротивления масштабирующего резистора 16.
Действительно, анализ графиков фиг.5-фиг.6 показывает, что выигрыш по верхней граничной частоте коэффициента усиления (по уровню -3 дБ), который обеспечивает введение первой 20 и второй 21 группы вспомогательных транзисторов, лежит в пределах от 8 ГГц до 10 ГГц (в зависимости от заданного уровня неравномерности амплитудно-частотной характеристики). Это позволяет за счет оптимального выбора числа n элементарных транзисторов, входящих в первую 20 и вторую 21 группу вспомогательных транзисторов и площадей их эмиттерных переходов, скорректировать амплитудно-частотную характеристику АПН в области высоких частот и обеспечить для SiGe технологий SGB25VD верхнюю граничную частоту 18÷26 ГГц, вместо 9÷10 ГГц.
Вторая замечательная особенность предлагаемого АПН, отличающая его от других известных АПН, состоит в уменьшении температурной и радиационной зависимости статического режима его первого 11 и второго 12 входных транзисторов. Это обусловлено тем, что p-n переходы на подложку вспомогательных транзисторов первой 20 и второй 21 группы в этой схеме отключены от эмиттеров входных транзисторов 11 и 12, так как связаны с первым 4 источником питания. Поэтому температурные и радиационные изменения токов через эти p-n переходы не будут влиять на параметры АПН.
Следует заметить, что для получения заданного эффекта по верхней граничной частоте в структуре АПН фиг.3 число элементарных транзисторов в первой 20 и второй 21 группах может варьироваться в диапазоне 8÷10.
Таким образом, предлагаемое техническое решение характеризуется более высокими качественными параметрами по частотному диапазону.
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.