СМЕСИТЕЛЬ СИГНАЛОВ
SIGNAL MIXER

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в структуре радиоприемных устройств ВЧ- и СВЧ-диапазонов.
В современных системах телекоммуникаций в качестве смесителей двух сигналов (СС) находят применение различные модификации перемножающей ячейки Джильберта [1-24] (термин «ячейка Джильберта» широко используется в микроэлектронике, см., например, патент №7054609 и обозначает «перемножающую» архитектуру на основе двух дифференциальных каскадов с перекрестным включением коллекторов входных транзисторов).
Особое место в рассматриваемом классе смесителей занимают схемы СС, у которых один из перемножающих сигналов подается в эмиттерные цепи транзисторов, образующих входной преобразователь «напряжение-ток» канала «Y» [25-31]. Эти СС характеризуются высокими диапазонами рабочих частот, так как у них используются усилители с общей базой.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является аналоговый смеситель сигналов фиг.1, представленный в патенте фирмы Philips US 5825231 (данная архитектура присутствует также в патентах US 7514981, fig.6, EP 2235559 fig.3, US 4331929 fig.2 и др.). Он содержит перемножающую ячейку Гильберта (1) с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами и первым 4 и вторым 5 противофазными токовыми входами, источник сигнала 6 канала «X» 6, связанный с базами транзисторов перемножающей ячейки Гильберт 1, первый 7 выходной транзистор канала «Y», коллектор которого соединен со вторым 5 токовым входом перемножающей ячейки Гильберга, а эмиттер через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 9 шиной источника питания, второй 10 выходной транзистор канала «Y», эмиттер которого через второй 11 токостабилизирующнй двухполюсник связан с первой 9 шиной источника питания, источник сигнала канала «Y» 12, связанный с эмиттером второго 10 выходного транзистора канала «Y» через первый 13 разделительный конденсатор, третий 14 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с базой второго 10 выходного транзистора капала «Y», второй 15 разделительный конденсатор, цепь нагрузки 16, включенную между второй 17 шиной источника питания и первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами перемножающей ячейки Гильберта, которые связаны с первым 18 и вторым 19 потенциальными выходами устройства, третью общую шину источника питания.
Существенный недостаток известного смесителя состоит в том, что он имеет повышенные значения напряжения отрицательного источника питания 9 , что не позволяет применять такую архитектуру в низковольтных IP-модулях и СФ-блоках с
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения питания в сравнении с прототипом не менее чем на 1 В при использовании однофазного сигнала по каналу «Y».
Поставленная задача решается тем, что в аналоговом смесителе двух сигналов, содержащем перемножающую ячейку Гильберта (1) с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами и первым 4 и вторым 5 противофазными токовыми входами, источник сигнала 6 канала «X», связанный с базами транзисторов перемножающей ячейки Гильберта 1, первый 7 выходной транзистор канала «Y», коллектор которого соединен со вторым 5 токовым входом перемножающей ячейки Гильберта, а эмиттер через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 9 шиной источника питания, второй 10 выходной транзистор канала «Y», эмиттер которого через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 9 шиной источника питания, источник сигнала канала «Y» 12, связанный с эмиттером второго 10 выходного транзистора канала «Y» через первый 13 разделительный конденсатор, третий 14 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с базой второго 10 выходного транзистора канала «Y», второй 15 разделительный конденсатор, цепь нагрузки 16, включенную между второй 17 шиной источника питания и первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами перемножающей ячейки Гильберт, которые связаны с первым 18 и вторым 19 потенциальными выходами устройства, третью общую шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор второго 10 выходного транзистора канала «Y» соединен с первым 4 токовым входом перемножающей ячейки Гильберта, база второго 10 выходного транзистора канала «Y» соединена с базой первого 7 выходного транзистора канала «Y», а также базами первого 20 и второго 21 дополнительных транзисторов, которые соединены с коллекторами данных 20, 21 дополнительных транзисторов, причем эмиттер первого 20 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 10 выходного транзистора канала «Y», эмиттер второго 21 дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого 7 выходного транзистора капала «Y», а второй 15 разделительный конденсатор включен по переменному току между эмиттером второго 7 выходного транзистора канала «Y» и третьей общей шиной источника питания.
На фиг.1 представлена схема СС-прототипа, который содержит конкретное выполнение входной перемножающей ячейки Джильберта 1.
На фиг.2 представлена схема заявляемого СС в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 представлена схема предлагаемого смесителя фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.
x
y
На фиг.4 приведена зависимость выходного дифференциального напряжения смесителя фиг.3 от напряжения u по каналу «Х» при разных напряжениях U канала «Y».
у
y
На фиг.5 показана зависимость модуля коэффициента усиления но напряжению К смесителя фиг.3 от напряжения управления u по каналу «Y».
x
y
x
y
На фиг.6 представлена осциллограмма выходного сигнала смесителя фиг.3, а на фиг.7 - спектр выходного сигнала смесителя-прототипа при f=1 МГц, f=10 кГц, u=10 мВ, u=10 мВ.
y
x
x
y
На фиг.8 показан спектр выходных сигналов заявляемого СС фиг.3 при f=1 МГц, f=10 кГц, u=10 мВ, u=10 мВ.
Заявляемый смеситель двух сигналов фиг.2 содержит перемножающую ячейку Гильберта (1) с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами и первым 4 и вторым 5 противофазными токовыми входами, источник сигнала 6 канала «X» 6, связанный с базами транзисторов перемножающей ячейки Гильберта 1, первый 7 выходной транзистор канала «Y», коллектор которого соединен со вторым 5 токовым входом перемножающей ячейки Гильберта, а эмиттер через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 9 шиной источника питания, второй 10 выходной транзистор канала «Y», эмиттер которого через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 9 шиной источника питания, источник сигнала канала «Y» 12, связанный с эмиттером второго 10 выходного транзистора канала «Y» через первый 13 разделительный конденсатор, третий 14 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с базой второго 10 выходного транзистора канала «Y», второй 15 разделительный конденсатор, цепь нагрузки 16, включенную между второй 17 шиной источника питания и первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами перемножающей ячейки Гильберта, которые связаны с первым 18 и вторым 19 потенциальными выходами устройства, третью общую шину источника питания, коллектор второго 10 выходного транзистора канала «Y» соединен с первым 4 токовым входом перемножающей ячейки Гильберта, база второго 10 выходного транзистора канала «Y» соединена с базой первого 7 выходного транзистора канала «Y», а также базами первого 20 и второго 21 дополнительных транзисторов, которые соединены с коллекторами данных 20, 21 дополнительных транзисторов, причем эмиттер первого 20 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 10 выходного транзистора канала «Y», эмиттер второго 21 дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого 7 выходного транзистора канала «Y», а второй 15 разделительный конденсатор включен по переменному току между эмиттером второго 7 выходного транзистора канала «Y» и третьей общей шиной источника питания.
На фиг.2 перемножающая ячейка Джильберта 1 реализована но классической схеме на транзисторах 20, 21, 22, 23. Цепь нагрузки 16 выполнена (в частном случае) на резисторах 24 и 25.
Рассмотрим работу СС фиг.2.
x
y
Синусоидальные напряжения первого смешиваемого сигнала u (на входах Вх.х,  канала «X») и второго смешиваемого сигнала u (на входе Вх.у канала «Y») «перемножаются» традиционным образом в ячейке Джильберта 1.
y
Переменное входное напряжение канала u для диапазона частот, когда можно пренебречь сопротивлением первого 13 и второго 15 разделительных конденсаторов, создает токи эмиттера транзисторов 20 и 21:
э20
э21
э
где r=r=r - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 20 и 21;
т
φ=26 мВ - температурный потенциал;
0
2I - статический ток третьего 14 токостабилизирующего двухполюсника.
Так как эмиттерно-базовые переходы транзисторов 20 и 10, а также 21 и 7 включены параллельно, коллекторные токи транзисторов 10 и 7, и соответственно, входные токи  перемножающей ячейки Гильберта 1 будут противофазны. Это является необходимым условием качественного смещения сигналов.
x
y
Анализ фиг.4, а также фиг.5, 6, 7 и 8 показывает, что смеситель фиг.2 обеспечивает достаточно качественное преобразование сигналов u и u.
Для обеспечения работоспособности СС-прототипа минимально-возможное напряжение отрицательного источника питания  находится из уравнения Кирхгофа:
В заявляемом СС фиг.2:
Таким образом, в предлагаемом устройстве минимальное напряжение питания  отличается от напряжения питания СС-прототипа фиг.1 на величину:
(-)
В практических схемах с учетом реальных параметров элементов ΔE≥1÷1.5 В, что весьма существенно для СС с низковольтным питанием.
Таким образом, заявляемый смеситель двух сигналов имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом, а также другими СС с малым напряжением питания, использующим низковольтный однофазный вход по каналу «Y».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патентная заявка US №2008/113644.
2. Патентная заявка US №2006/0232334, fig.1.
3. Патент US №4.965.528. fig.2.
4. Патент US №6.744.308.
5. Патент US №7.633328.
6. Патент US №7,110.740.
7. Патентная заявка US №2009/0085663, fig.2.
8. Патент US №7.514.981. fig.1.
9. Авт.св. СССР №642843.
10. Патент US №5.933.771, fig.2.
11. Патент US №6.016.079, fig.4.
12. Патент US №5.057,784.
13. Патент US №4.286.226.
14. Патентная заявка US №2008/0261552, fig.1.
15. Патент US №6.373.345. fig.2.
16. Патентная заявка US №2010/0164595, fig.2.
17. Патентная заявка US №2010/0141325.
18. Патент US №4.344.188, fig.1, fig.3.
19. Патент ЕР 1455441.
20. Патент US №7.812.775, fig.20. fig, 16.
21. Патент ЕР 2235559, fig.3.
22. Патент US №7.676.212, fig.2.
23. Патентная заявка US №2008/0180156, fig.1, fig.5.
24. Патент US №5,825.231, fig.1.
25. Патент US №5.825.231, fig.7.
26. Патент US №7.514.981, fig.6.
27. Патент US №4.331.929.
28. Патент EP №2235559, fig.3.
29. Патент US №7.514.481, fig.5.
30. Патентная заявка US №2006/0232334, fig.7.
31. Патент DE №10351115, fig.3.