Интегральный аттенюатор с дискретным управлением
INTEGRATED ATTENUATOR WITH DISCRETE CONTROL

Область техники
Изобретение относится к электронной технике и может использоваться при разработке полупроводниковых КМОП (комплементарных металл-окисел- полупроводник) микросхем для создания схем дифференциальных радиочастотных и СВЧ (сверхвысокочастотных) аттенюаторов с широкой полосой частот, заданным дискретным шагом ослабления, малыми фазовыми искажениями и повышенным уровнем линейности сигнала.
Предшествующий уровень техники
Аттенюаторы СВЧ, выполненные на основе полупроводниковых приборов, широко используются в технике СВЧ, особенно многоразрядные аттенюаторы СВЧ с дискретным изменением затухания, которые представляют собой каскадное соединение нескольких разрядов, каждый из которых представляет собой П- или Т-образное соединение резисторов, замыкаемых ключами в соответствии с поданным цифровым .кодом.
Из уровня техники известны также способы построения аналоговых электронных аттенюаторов, выполненных по КМОП технологии. Аналоговый аттенюатор - это электронное устройство, позволяющее ослаблять входной сигнал по непрерывному закону. Известно схемотехническое решение аналогового аттенюатора, использующего компенсацию сигнала в инвертирующей и неинвертирующей цепях [1].
В настоящее время в мире разработано множество типо-номиналов микросхем дискретных аттенюаторов, выпускаемых различными производителями по разным технологическим процессам. Абсолютное большинство типо-номиналов микросхем дискретных аттенюаторов разработано по стандартной структуре каскадного П- или Т- образного соединения резисторов и отличается разрядностью и способом управления [2, 3, 4].
Известные аттенюаторы обладают следующими недостатками: относительно узкий диапазон рабочих частот, определяемый применяемым технологическим процессом, сложность получения одинаково точных параметров ослабления для всех разрядов и большие потери многоразрядных аттенюаторов.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является расширение функциональных возможностей аттенюаторов, выполненных по КМОП технологии, снижение потерь при прямом прохождении сигнала, снижение разницы в погрешностях установления коэффициента ослабления для разных разрядов, расширение полосы рабочих частот.
При построении переключателя используются дифференциальные мостовые схемы, которые позволяют, используя эффект компенсации (уменьшение сигнала за счет сложения с сигналом противоположной полярности) обеспечить ослабление сигнала без использования резистивных делителей П- или Т- типа и таким образом уменьшить влияние ряда паразитных индуктивностей и емкостей связанных с общей шиной. Цифровое управление предложенным аттенюатором может быть обеспечено за счет блока управления, преобразующего цифровые коды в требуемые значения напряжений переключения транзисторов.
Предложенную мостовую схему одного звена аттенюатора можно представить, как дифференциальное соединение генератора и нагрузки через неинвертирующую пару МОП ключей с параллельно включенными резисторами и через инвертирующую пару МОП ключей (т.е. транзисторов, соединяющих неинвертированный вывод генератора с инвертированным выводом нагрузки и наоборот) с последовательными резисторами.
Управляющий сигнал на ключи в неинвертирущую и инвертирующую цепи подается в противофазе. Каждое звено аттенюатора имеет фиксированное ослабление сигнала в широком диапазоне частот, которое определяется не соотношением сопротивлений в делителе, как в обычном аттенюаторе, а соотношением сигналов в инвертирующей и неинвертирующей цепях, таким образом, устраняется влияние некоторых паразитных элементов, имеющих одинаковые значения в инвертирующей и неинвертирующей цепях.
Из указанных звеньев, каждое из которых имеет заданное ослабление, можно построить аттенюатор по общеизвестному каскадному способу.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлена схема звена аттенюатора, выполненного на МОП структурах, где:
1 - генератор дифференциального сигнала;
5, 10 - неинвертирующие ключи;
6, 9 - параллельные резисторы в неивертирующих цепях;
7, 8 - инвертирующие ключи;
3, 11, 12 - последовательные резисторы в инвертирующих цепях.
13 - нагрузка;
4 - блок управления.
Параллельное соединение МОП транзисторов п- и p-типа в каждом ключе обеспечивает лучшую линейность передачи сигнала по сравнению с использованием транзисторов одного типа.
На Фиг.2 представлена блок-схема аттенюатора, выполненного на звеньях аттенюатора по Фиг.1., где:
1 - генератор дифференциального сигнала;
14-18 - звенья аттенюатора с ослаблением 16, 8,4,2,1 дБ соответственно;
4 - блок управления;
13 - нагрузка.
Блок управления преобразует внешние сигналы управления в требуемые уровни смещения.
Осуществление изобретения
Работа интегрального аттенюатора с дискретным управлением осуществляется следующим образом.
В схеме, представленной на Фиг. 1, сигнал от генератора дифференциального сигнала 1 поступает на инвертирующие и неинвертирующие цепи, которые управляются от блока управления 4 таким образом, что при неослабляющем состоянии звена ключи 5 и 10 замкнуты и сигнал проходит на нагрузку RH с малыми потерями, а ключи 7, 8 разомкнуты и слабо влияют на прохождение сигнала. При ослабляющем состоянии звена происходит размыкание МОП ключей 5 и 10, а МОП ключи 7, 8 замыкаются. На нагрузке 13 сигналы, проходящие через резисторы 2, 11 и 3, 12 вычитаются из сигналов проходящих через резисторы 6, 9 неинвертирующей цепи. Таким образом, в зависимости от значений всех сопротивлений Rl - R6 и сопротивлений МОП транзисторов при переключении ключей выходной сигнал изменяется на заданное значение. Величины сопротивлений выбраны так, что можно достичь согласование сигнала с источником и нагрузкой. Разрядность всего устройства зависит от количества использованных звеньев.
На Фиг. 2, приведена полная схема 5-ти разрядного аттенюатора на рассмотренных звеньях, обозначенных 14-18 имеющих ослабление 1,2,4, 8,16 дБ соответственно.
Результаты, полученные при использовании КМОП технологического процесса с минимальными размерами 0,09 мкм приведены в Таблице 1.
Таблица 1. Значение электрических параметров предложенного аттенюатора
Наименованиe параметра
Максимальная рабочая частота, ГГц
Компрессия по уровню 1 дБ, дБм
Потери при Минимальном ослаблении сигнала, дБ
Максимальное ослабление сигнала, дБ
Изменение фазы при регулировке, град
Значение
15-20
10-8
2-3
32-33
2-3
Значения приведенных параметров лучше ранее полученных результатов на 11- образных делителях для сопоставимых КМОП технологических процессов.
Интегральный аттенюатор реализован в виде монолитной КМОП интегральной микросхемы на одном кристалле и содержит генератор дифференциального сигнала, цепи, состоящий из неинвертирующей пары МОП ключей с параллельно включенными резисторами и инвертирующей пары МОП ключей с последовательными резисторами, отличающееся тем, что неинвертирующая пара ключей и параллельных им резисторов, соединена с генератором дифференциального сигнала и нагрузкой напрямую, а инвертирующая пара ключей и последовательных с ними резисторов соединена с генератором дифференциального сигнала и нагрузкой перекрестно, что обеспечивает вычитание сигналов проходящих по указанным цепям в нагрузке и обеспечивает заданное ослабление звена и согласование с генератором и нагрузкой за счет надлежащего выбора резисторов.
Источники информации
Патент. В.В. Репин и др. Интегральный аттенюатор. №2642538, дата per. 25.01.2018.
Data sheet М/А-СОМ Technology Solutions Inc.
Data sheet Mini-Circuits.
Data sheet Hittite.