АНАЛОГОВЫЙ СМЕСИТЕЛЬ СИГНАЛОВ
ANALOGUE SIGNAL MIXER

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в радиоприемных устройствах, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления канала «Y». Аналоговый смеситель сигналов (АСС) является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов ВЧ и СВЧ-диапазонов.
Аналоговые смесители сигналов реализуются в основном в виде перемножающей ячейки Гильберта, которая совершенствовалась в более чем 50 патентах ведущих микроэлектронных фирм. В этом смысле АСС является базовым функциональным узлом современной микроэлектроники, определяющим качественные показатели многих систем связи. Предлагаемое изобретение относится к данному классу устройств.
Среди известных АСС можно выделить подкласс устройств, в которых один из перемножаемых сигналов (как правило, канала «Y») подается в эмиттерные цепи входных дифференциальных каскадов АСС через последовательно соединенные резисторы и конденсаторы [1-10].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства, архитектура которого присутствует также и в других АСС [1-10], является аналоговый смеситель сигналов фиг.1 по патентной заявке US №2010/0327939, fig 4, содержащий первый 1 и второй 2 противофазные входы, к которым подключены соответствующие первый 3 и второй 4 источники сигналов канала «X», первый 5 и второй 6 входные транзисторы, базы которых подключены к соответствующим первому 1 и второму 2 противофазным входам, а объединенные эмиттеры через первый 7 токостабилизирующий двухполюсник соединены с первой 8 шиной источника питания, третий 9 и четвертый 10 входные транзисторы, базы которых подключены к соответствующим первому 1 и второму 2 противофазным входам, а эмиттеры соединены с первым выводом второго 11 токостабилизирующего двухполюсника, первый 12 и второй 13 двухполюсники нагрузки, включенные между второй 14 шиной источника питания и соответствующими первым 15 и вторым 16 выходами устройства, связанными с коллекторами соответствующих первого 5 и второго 6 входных транзисторов, источник входного напряжения канала «Y» 17, связанный с эмиттерами первого 5 и второго 6 входных транзисторов через последовательно соединенные первый 18 конденсатор и первый 19 вспомогательный резистор, последовательно соединенные второй 20 конденсатор и второй 21 вспомогательный резистор.
Существенный недостаток известного смесителя состоит в том, что для обеспечения его работоспособности необходимо иметь два противофазных сигнала по каналу «Y», что требует применения специальных фазорасщепителей - так называемых «балунов» (bulun). В конечном итоге введение фазорасщепителей и их фазовая погрешность отрицательно сказываются на качестве смешения (перемножения) двух сигналов канала «X» и канала «Y».
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в обеспечении работоспособности смесителя сигналов при однофазном управлении по каналу «Y».
Поставленная задача решается тем, что в АСС фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 противофазные входы, к которым подключены соответствующие первый 3 и второй 4 источники сигналов канала «X», первый 5 и второй 6 входные транзисторы, базы которых подключены к соответствующим первому 1 и второму 2 противофазным входам, а объединенные эмиттеры через первый 7 токостабилизирующий двухполюсник соединены с первой 8 шиной источника питания, третий 9 и четвертый 10 входные транзисторы, базы которых подключены к соответствующим первому 1 и второму 2 противофазным входам, а эмиттеры соединены с первым выводом второго 11 токостабилизирующего двухполюсника, первый 12 и второй 13 двухполюсники нагрузки, включенные между второй 14 шиной источника питания и соответствующими первым 15 и вторым 16 выходами устройства, связанными с коллекторами соответствующих первого 5 и второго 6 входных транзисторов, источник входного напряжения канала «Y» 17, связанный с эмиттерами первого 5 и второго 6 входных транзисторов через последовательно соединенные первый 18 конденсатор и первый 19 вспомогательный резистор, последовательно соединенные второй 20 конденсатор и второй 21 вспомогательный резистор, предусмотрены новые элементы и связи - второй 11 токостабилизирующий двухполюсник включен между объединенными эмиттерами третьего 9 и четвертого 10 входных транзисторов и второй 14 шиной источников питания, источник входного напряжения канала «Y» 17 соединен с объединенными эмиттерами третьего 9 и четвертого 10 входных транзисторов через последовательно соединенные второй 20 конденсатор и второй 21 вспомогательный резистор, коллектор третьего 9 входного транзистора, соединенный с третьим 22 выходом устройства, связан с первой 8 шиной источника питания через третий 23 двухполюсник нагрузки, коллектор четвертого 10 входного транзистора связан с четвертым 24 выходом устройства и подключен к первой 8 шине источника питания через четвертый 25 двухполюсник нагрузки, причем второй 16 выход устройства связан с третьим 22 выходом устройства через третий 26 конденсатор, а первый 15 выход устройства соединен с четвертым 24 выходом устройства через четвертый 27 конденсатор.
На чертеже фиг.1 показана схема АСС-прототипа, а на чертеже фиг.2 - схема заявляемого АСС в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг.3 представлена схема заявляемого АСС в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
x
x
y
y
На чертеже фиг.4 приведена осциллограмма выходного напряжения АСС фиг.3 при U=150 мВ, f=100 КГц, U=1 В, f=1 КГц.
x
x
На чертеже фиг.5 показан спектр выходного сигнала АСС фиг.3 при U=150 мВ, f=100 КГц, Uy=1 В, fy=1 КГц. При этом из графиков следует, что схема фиг.3 обеспечивает подавление центральной гармоники в 19 раз.
Заявляемый АСС фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 противофазные входы, к которым подключены соответствующие первый 3 и второй 4 источники сигналов канала «X», первый 5 и второй 6 входные транзисторы, базы которых подключены к соответствующим первому 1 и второму 2 противофазным входам, а объединенные эмиттеры через первый 7 токостабилизирующий двухполюсник соединены с первой 8 шиной источника питания, третий 9 и четвертый 10 входные транзисторы, базы которых подключены к соответствующим первому 1 и второму 2 противофазным входам, а эмиттеры соединены с первым выводом второго 11 токостабилизирующего двухполюсника, первый 12 и второй 13 двухполюсники нагрузки, включенные между второй 14 шиной источника питания и соответствующими первым 15 и вторым 16 выходами устройства, связанными с коллекторами соответствующих первого 5 и второго 6 входных транзисторов, источник входного напряжения канала «Y» 17, связанный с эмиттерами первого 5 и второго 6 входных транзисторов через последовательно соединенные первый 18 конденсатор и первый 19 вспомогательный резистор, последовательно соединенные второй 20 конденсатор и второй 21 вспомогательный резистор. Второй 11 токостабилизирующий двухполюсник включен между объединенными эмиттерами третьего 9 и четвертого 10 входных транзисторов и второй 14 шиной источников питания, источник входного напряжения канала «Y» 17 соединен с объединенными эмиттерами третьего 9 и четвертого 10 входных транзисторов через последовательно соединенные второй 20 конденсатор и второй 21 вспомогательный резистор, коллектор третьего 9 входного транзистора, соединенный с третьим 22 выходом устройства, связан с первой 8 шиной источника питания через третий 23 двухполюсник нагрузки, коллектор четвертого 10 входного транзистора связан с четвертым 24 выходом устройства и подключен к первой 8 шине источника питания через четвертый 25 двухполюсник нагрузки, причем второй 16 выход устройства связан с третьим 22 выходом устройства через третий 26 конденсатор, а первый 15 выход устройства соединен с четвертым 24 выходом устройства через четвертый 27 конденсатор.
Рассмотрим работу АСС фиг.2 в диапазоне средних частот, когда влиянием конденсаторов 18, 20 и 26, 27 можно пренебречь из-за малого сопротивления на переменном токе.
y
Увеличение напряжения u (17) канала «Y» (положительная «полуволна») приводит к появлению синфазных токов через резисторы 21 и 19, которые «втекают» в общие эмиттерные цепи транзисторов 9, 10 и 5, 6:
0
y
0
При этом токи эмиттеров транзисторов 9 и 10 увеличиваются от статического уровня I на величину i, а токи эмиттеров транзисторов 5 и 6 уменьшаются на величину
от статического уровня I:
При увеличении суммарного тока эмиттерной цепи транзисторов 9 и 10 их коэффициент усиления по напряжению со входов 1 и 2 увеличивается
а транзисторов 5 и 6 уменьшается
т
где φ≈26 мВ - температурный потенциал;
н.экв
R - эквивалентное сопротивление нагрузки в цепи выходов 16, 22 и 15, 24.
x
y
Поэтому дифференциальное выходное напряжение АСС между выходами 15 и 16 пропорционально произведению u и u:
Из (7) следует, что заявляемое устройство обеспечивает смешение (перемножение) двух сигналов при однофазном управлении по каналу «Y», что подтверждается результатами моделирования фиг.4, фиг.5.
y
В СВЧ-смесителях сигналов фиг.2 резисторы 21 и 19 могут выполнять функции устройств согласования источника входного напряжения канала «Y» 17 u и АСС с заданным волновым сопротивлением, например 50 Ом.
Замечательная особенность заявляемого устройства фиг.2 - возможность работы при малых напряжениях питания (например,±1 В), что позволяет рекомендовать его схему для использования в системах СВЧ-связи, реализуемых на основе SiGe техпроцессов.
Таким образом, предлагаемое техническое решение является дальнейшим развитием широко распространенного смесителя Гильберта [1-10] и характеризуется отсутствием фазорасщепителя сигнала по каналу «Y» - одного из основных источников погрешности АСС.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент DE 10351115, fig. 4.
2. Патент US №7.356.317, fig. 2.
3. Патент US №6.178.320, fig. 2.
4. Патент US №4.912.520 fig. 2.
5. Патент US №6.871.057, fig. 1.
6. Патент WO 2010062702.
7. Патент US №6.396.330, fig. 10.
8. Патент EP 1480333, fig. 17.
9. Патентная заявка US №2010/0164595, fig. 2.
10. Патент JP 2010-206263 (P2010-206263A).