ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ АТТЕНЮАТОР
HIGH-FREQUENCY ATTENUATOR

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, электротехники, радиотехники, связи и может использоваться в структуре различных интерфейсов и измерительных приборах.
BX
BX
0
В устройствах информационно-измерительной техники, связи, автоматики и радиотехники широкое применение находят резистивные делители напряжения - аттенюаторы (AT), обеспечивающие заданное деление (ослабление) входного напряжения (u) [1-16]. С повышением частоты uв таких аттенюаторах возникают существенные погрешности передачи сигнала, обусловленные влиянием паразитного конденсатора С цепи нагрузки, которая образуется, например, в параллельных АЦП входной емкостью компаратора. Снижение этих погрешностей - одна из проблем современной информационно-измерительной техники, которая решается сегодня как за счет схемотехники AT, так и за счет конструктивных особенностей входных цепей (например, специальных «щупов» СВЧ-вольтметров, осциллографов, антенных систем радиоприемников и т.п.).
В связи с достаточно широким применением резистивных аттенюаторов в различных областях техники они присутствуют в различных классах МПК (H03H 7/24, А61В, G01R 31/02, Н01Р 1/22, H03K 5/08, H03L 5/00, G01R 27/00, G05F 3/00, Н01Н 47/00, H03G 3/20).
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является резистивный делитель напряжения фиг.1, представленный в патентной заявке US 2012/0086528, fig.8B. Он имеет вход 1 и выход 2 устройства, между которыми включен первый 3 резистор, источник входного напряжения 4, включенный по переменному току между общей шиной 5 и входом устройства 1, второй 6 резистор, включенный по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, эквивалентная емкость нагрузки 7, включенная по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5.
Существенный недостаток аттенюатора-прототипа фиг.1 состоит в том, что с повышением частоты входного сигнала его коэффициент передачи существенно уменьшается из-за шунтирующего влияния эквивалентной емкости нагрузки 7. Это ограничивает частотный диапазон аттенюатора и, как следствие, быстродействие и частотный диапазон многих измерительных проборов.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в существенном расширении диапазона рабочих частот устройства и повышении его быстродействия при работе с импульсными сигналами большой амплитуды.
Поставленная задача достигается тем, что в аттенюаторе фиг.1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, между которыми включен первый 3 резистор, источник входного напряжения 4, включенный по переменному току между общей шиной 5 и входом устройства 1, второй 6 резистор, включенный по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, эквивалентная емкость нагрузки 7, включенная по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен корректирующий конденсатор 8, включенный между входом 1 устройства и входом 9 дополнительного неинвертирующего усилителя тока 10, токовый выход 11 которого соединен с выходом устройства 2.
На фиг.1 приведена схема аттенюатора - прототипа.
На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 формулы изобретения.
На фиг.4 показана практическая схема аттенюатора фиг.2 при построении дополнительного неинвертирующего усилителя тока 10 на основе классического каскада с общей базой.
Пример построения аналоговой секции параллельного АЦП с дифференциальным входом и аттенюаторами фиг.3 представлен на фиг.5.
i
Вариант построения аттенюатора фиг.2 для случая, когда дополнительный усилитель тока имеет коэффициент передачи K>1, показан на фиг.6.
На фиг.7 показана схема заявляемого устройства фиг.2 в среде PSpice.
i
i
На фиг.8 приведена логарифмическая зависимость отношения выходного напряжения AT к входному напряжению при сопротивлениях резисторов R1=R2=10 кОм и коэффициенте передачи K дополнительного неинвертирующего усилителя тока 10 К=1.
i
На фиг.9 приведена логарифмическая зависимость отношения выходного напряжения AT к входному напряжению при сопротивлениях резисторов R1=10 кОм, R2=1 кОм и коэффициенте передачи дополнительного неинвертирующего усилителя тока 10 К=1.
Высокочастотный аттенюатор фиг.2 содержит вход 1 и выход 2, между которыми включен первый 3 резистор, источник входного напряжения 4, включенный по переменному току между общей шиной 5 и входом устройства 1, второй 6 резистор, включенный по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5, эквивалентная емкость нагрузки 7, включенная по переменному току между выходом устройства 2 и общей шиной 5. В схему введен корректирующий конденсатор 8, включенный между входом 1 устройства и входом 9 дополнительного неинвертирующего усилителя тока 10, токовый выход 11 которого соединен с выходом устройства 2.
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между входом устройства 1 и корректирующим конденсатором 8 включен дополнительный неинвертирующий повторитель напряжения 12.
На фиг.4 дополнительный неинвертирующий усилитель тока 10 выполнен на основе резистора 13, транзистора 14, резистора 15, разделительного конденсатора 16. Схема также содержит первую 17 и вторую 18 шины питания.
В схеме фиг.5, соответствующей фиг.3, дополнительные неинвертирующий повторитель напряжения 12 выполнен на транзисторе 19, причем неинвертирующий усилитель тока 10 реализован на основе каскада с общей базой, статический режим которого устанавливается источником напряжения смещения 20. Эмиттерный ток транзистора 19 устанавливается токостабилизирующим двухполюсником 21. Напряжение питания схемы подается на третью 23 и четвертую 24 шины.
На фиг.6 дополнительный неинвертирующий усилитель тока 10 выполнен на транзисторах 25, 26, 27, 28, а также p-n переходах 29, 30. Статический режим транзисторов 25 и 28 устанавливается резисторами 31 и 32. Эмиттерный ток всех транзисторов схемы определяется током токостабилизирующего двухполюсника 33.
Рассмотрим работу устройства фиг.2.
Коэффициент передачи аттенюатора фиг.2 в операторной форме может быть представлен выражением
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>П</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mn>0</mn></msub><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>к</mi></mrow></msub><msub><mi>K</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mi>P</mi></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>c</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mi>P</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
ск
36
8
где τ=RC,
c0
36
7
τ=RC,
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>36</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
i
K - коэффициент передачи по току дополнительного неинвертирующего усилителя тока 10,
<mrow><msub><mi>K</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
- коэффициент передачи AT в диапазоне низких частот.
Из формулы (1) для частотной области можно получить
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>П</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mn>0</mn></msub><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>K</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>к</mi></mrow></msub><msubsup><mi>K</mi><mn>0</mn><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>с</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
8
7
Из (2) можно найти условие независимости коэффициента передачи и полосы пропускания AT от численных значений C и C:
<mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mi>K</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
7
Если обеспечить
, то, как следует из (3), условием существенного уменьшения влияния эквивалентной емкости нагрузки 7 (C) на амплитудно-частотную характеристику аттенюатора фиг.2 будет равенство
<mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>6</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>П</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
В этом идеальном случае сомножители при jω в (2) будут одинаковы и, как следствие, коэффициент передачи аттенюатора становится не зависящим от частоты
.
8
i
Входное сопротивление AT фиг.2 на высоких частотах будет определяться емкостью конденсатора 8 (C). В тех случаях, когда численные значения эквивалентной нагрузки емкости 7 в формуле (3) получаются сравнительно большими, следует использовать дополнительный усилитель тока 10 с K>1. Это позволит минимизировать входное сопротивление AT на высоких частотах. Пример построения AT с данной архитектурой показан на фиг.5.
ВХ
8
Для дальнейшего увеличения входного сопротивления заявляемого устройства целесообразно использовать схему фиг.3, в которой емкость конденсатора 8 «изолируется» от входной цепи AT (2) дополнительным неинвертирующим повторителем напряжения 12, который должен иметь входную емкость С<C.
Таким образом, в схеме фиг.2 создаются условия для существенного расширения малосигнального диапазона рабочих частот, который на практике будет определяться (или ограничиваться) инерционностью дополнительного неинвертирующего повторителя тока 10.
7
2
8
к
0
Из графиков фиг.8, в частности, следует, что диапазон рабочих частот предлагаемого аттенюатора (при С=С=2 пФ, С=С=1 пФ и K=0,5) расширяется до 10÷20 ГГц, в то время как верхняя граничная частота классического аттенюатора (по уровню - 3 дБ) имеет значение 8,3 МГц.
0
8
к
Графики фиг.9 показывают, что при K ≈0,1 оптимальная емкость корректирующего конденсатора С=С=0,18 пФ.
Выполненный выше анализ, а также результаты компьютерного моделирования показывают, что в схеме фиг.2 решена одна из проблем современной аналоговой микросхемотехники - расширение частотного диапазона и повышение быстродействия аттенюаторов сигналов, являющихся базовым узлом аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 5867018.
2. Патент US 5363070, fig.2a.
3. Патент US 4912394.
4. Патент US 8076995.
5. Патент US 4050055, fig.5.
6. Патент US 4198988, fig.1.
7. Патентная заявка US 2007/0176664, fig.2.
8. Патент US 4839611, fig.2.
9. Патент US 4670723, fig.2.
10. Патент US 4272739, fig.1.
11. Патент JTP 10-211-0068595.
12. Патент JP 2010-252241.
13. Патент ЕР 2337219, fig.2.
14. Патент ЕР 0753937,fig.1.
15. Патент ЕР 0612982.
16. Патент US 7477085, fig.1.