АНАЛОГОВЫЙ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЙ С НИЗКОВОЛЬТНЫМ ПИТАНИЕМ
ANALOGUE VOLTAGE MULTIPLIER WITH LOW-VOLTAGE POWER SUPPLY

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 реализуется, в основном, на базе перемножающей ячейки Джильберта, которая совершенствовалась в более чем 50 патентах ведущих микроэлектронных фирм (см., например, [1-16]).
На основе ячейки Джильберта реализуются не только перемножители напряжений, но и управляемые усилители и смесители (миксеры) сигналов ВЧ и СВЧ диапазонов, удвоители частоты. В этом смысле АПН является базовым функциональным узлом современной микроэлектроники, определяющим качественные показатели многих систем, связи.
Предлагаемое изобретение относится к данному классу устройств.
x
y
x
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является аналоговый перемножителъ, представленный в патенте фирмы Texas Instruments Inc. US № 7.024.448 fig.2, содержащий первый 1 (u) и второй 2  противофазные источники входного напряжения канала «X», источник 3 (u) входного напряжения канала «Y», первый 4 и второй 5 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены к первому 6 токостабилизирующему двухполюснику, связанному вторым выводом с первым 7 источником напряжения питания, третий 8 и четвертый 9 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены ко второму 10 токостабилизирующему двухполюснику, связанному вторым выводом с первым 7 источником питания, цепь нагрузки 11, связанную со вторым 12 источником питания, а также первым 13 и вторым 14 выходами устройства, коллекторы первого 4 и третьего 8 входных транзисторов подключены к первому 13 выходу устройства, коллекторы второго 5 и четвертого 9 входных транзисторов соединены со вторым 14 выходом устройства, причем базы второго 5 и третьего 8 входных транзисторов объединены, а база первого 4 входного транзистора соединена с первым. 1 (u) источником входного напряжения канала «X».
Существенный недостаток известного перемножителя напряжений состоит в том, что он не работоспособен при малых напряжениях питания (например, ±1 В). Это связано с «двухъярусной» архитектурой АПН-прототипа.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в снижении напряжения питания до ±0,9÷1 В.
Первая дополнительная цель - расширение частотного диапазона за счет исключения из структуры АПН управляемых источников тока канала «Y», которые реализуются в известной схеме на четырех транзисторах. Такое количество инерционных активных элементов сказывается на частотном диапазоне АПН по каналу «Y».
y
Вторая дополнительная цель - создание условий, при которых для канала «Y» не требуется два противофазных напряжения u и . Это исключает необходимость применения фазорасщипителей (так называемых балунов (bulun)), вносящих дополнительные погрешности перемножения.
x
y
x
y
Третья дополнительная цель - «привязка» источников входного напряжения u и u к общей тине питания. Решение этой задачи существенно упрощает согласование АПН по входам с подсхемами источников сигналов u и u, которые могут подаваться относительно общей шины без цепей смещения статического режима, влияющих на стабильность нулевого уровня АПН.
x
y
x
y
Поставленные цели достигаются тем, что в АПН, содержащем первый 1 (u) и второй 2 () противофазные источники входного напряжения канала «X», источник 3 (u) входного напряжения канала «Y», первый 4 и второй 5 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены к первому 6 токостабилизирующему двухполюснику, связанному вторым выводом с первым 7 источником напряжения питания, третий 8 и четвертый 9 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены ко второму 10 токостабилизирующему двухполюснику, связанному вторым выводом с первым 7 источником питания, цепь нагрузки 11, связанную со вторым 12 источником питания, а также первым 13 и вторым 14 выходами устройства, коллекторы первого 4 и третьего 8 входных транзисторов подключены к первому 13 выходу устройства, коллекторы второго 5 и четвертого 9 входных транзисторов соединены со вторым 14 выходом устройства, причем базы второго 5 и третьего 8 входных транзисторов объединены, а база первого 4 входного транзистора соединена с первым 1 (u) источником входного напряжения канала «X», предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены пятый 15, шестой 16, седьмой 17 и восьмой 18 входные транзисторы, эмиттеры пятого 15 и шестого 16 входных транзисторов через третий 19 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первым 7 источником питания, эмиттеры седьмого 17 и восьмого 18 входных транзисторов через четвертый 20 токостабилизирующий двухполюсник соединены с первым 7 источником питания, базы второго 5 и третьего 8, шестого 16 и седьмого 17 входных транзисторов подключены к первому 3 источнику входного напряжения u канала «Y», база пятого 15 входного транзистора подключена к базе первого 4 входного транзистора, база восьмого 18 входного транзистора соединена с базой четвертого 9 входного транзистора и вторым 2  источником противофазного входного напряжения канала «X», коллекторы пятого 15 и седьмого 17 входных транзисторов подключены ко второму 14 выходу устройства, коллекторы шестого 16 и восьмого 18 входных транзисторов соединены с первым 13 выходом устройства.
На фиг.1 показана схема АПН-прототипа, а на фиг.2 - схема заявляемого АПН в соответствии с П1, П2, П3 и П4 формулы изобретения.
x
y
На фиг.3 показаны графики, поясняющие работу устройства - зависимости коэффициентов передачи u на выход по верхнему (транзисторы 4, 5, 8, 9) и нижнему (транзисторы 15, 16, 17, 18) каналам, от управляющего напряжения u.
Фиг.3a характеризует коэффициент передачи по нижнему и верхнему каналам усиления при одинаковых площадях эмиттерных переходов всех входных транзисторов.
x
B
5.8
4.9
На фиг.3б показана зависимость коэффициента усиления верхнего канала передачи u при отношении площадей эмиттерных p-n переходов транзисторов 5, 8 и 4, 9, равном N=S|S=16.
н
н
15.18
16.17
На фиг.3c показана зависимость коэффициента усиления нижнего канала для случая, когда площади эмиттерных p-n переходов транзисторов 15 и 18 вN=16 раз превышают площади эмиттерных переходов транзисторов 16 и 17 (N=S|S=16).
u
вых
x
y
var
u
На фиг.4, 5 приведена схема АПМ (фиг.2) и ее статический режим в среде компьютерного моделирования Cadance на моделях интегральных транзисторов IHP, а на фиг.6 показана зависимость модуля ее коэффициента усиления по напряжению K=u/u, от уровня напряжения управления u=U. Такой режим измерения K характеризует применение заявляемого АПМ в качестве управляемого усилителя.
x
y
На фиг.7 приведены результаты компьютерного моделирования схемы (фиг.4) для случая перемножения двух напряжений u и u. Эти графики показывают, что заявляемый АПН является четырехквадрантным перемножителем.
x
y
x
y
Заявляемый АПН (фиг.2) содержит первый 1 (u) и второй 2  противофазные источники входного напряжения канала «X», источник 3 (u) входного напряжения канала «Y», первый 4 и второй 5 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены к первому 6 токостабилизирующему двухполюснику, связанному вторым выводом с первым 7 источником напряжения питания, третий 8 и четвертый 9 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены ко второму 10 токостабилизирующему двухполюснику, связанному вторым выводом с первым 7 источником питания, цепь нагрузки 11, связанную со вторым 12 источником питания, а также первым 13 и вторым 14 выходами устройства, коллекторы первого 4 и третьего 8 входных транзисторов подключены к первому 13 выходу устройства, коллекторы второго 5 и четвертого 9 входных транзисторов соединены со вторым 14 выходом устройства, причем базы второго 5 и третьего 8 входных транзисторов объединены, а база первого 4 входного транзистора соединена с первым 1 (u) источником входного напряжения канала «X». В схему введены пятый 15, шестой 16, седьмой 17 и восьмой 18 входные транзисторы, эмиттеры пятого 15 и шестого 16 входных транзисторов через третий 19 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первым 7 источником питания, эмиттеры седьмого 17 и восьмого 18 входных транзисторов через четвертый 20 токостабилизирующий двухполюсник соединены с первым 7 источником питания, базы второго 5 и третьего 8, шестого 16 и седьмого 17 входных транзисторов подключены к первому 3 источнику входного напряжения u канала «Y», база пятого 15 входного транзистора подключена к базе первого 4 входного транзистора, база восьмого 18 входного транзистора соединена с базой четвертого 9 входного транзистора и вторым 2  источником противофазного входного напряжения канала «X», коллекторы пятого 15 и седьмого 17 входных транзисторов подключены ко второму 14 выходу устройства, коллекторы шестого 16 и восьмого 18 входных транзисторов соединены с первым 13 выходом устройства.
y
В схеме фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, площади эмиттерных переходов второго 5, третьего 8, пятого 15 и восьмого 18 входных транзисторов в N-раз превышают площади эмиттерных p-n переходов первого 4, четвертого 9, шестого 16 и седьмого 17 входных транзисторов. Это позволяет обеспечить управление каналом «Y» от однофазного источника сигнала (2) u.
Причем, в соответствии с п.3 формулы изобретения, отношение площадей эмиттерных переходов N=16.
Кроме этого, в схеме фиг.2, в соответствии с п.4 формулы изобретения, в качестве первого 6, второго 10, третьего 19 и четвертого 20 токостабилизирующих двухполюсников используются резисторы. Цепь нагрузки 11 содержит резисторы 21 и 22, которые включаются между вторым 12 источником питания и выходами 13 и 14.
Рассмотрим работу АПН (фиг.2).
Статический режим но току входных транзисторов 4, 5, 8, 9 (верхний канал усиления) и 15, 16, 17 и 18 (нижний канал усиления) устанавливается токостабилизирующими двухполюсниками 6, 10, 19 и 20. В частном случае данные двухполюсники могут быть резисторами. В схемах АПН, имеющих напряжения первого 7 и второго 12 источников питания более 1,5÷1,6 В, в качестве этих токостабилизирующих двухполюсников можно использовать классические транзисторные стабилизаторы тока или токовые зеркала, описанные в технической литературе.
Напряжение на выходах 13 и 14 АПН (фиг.2) зависят от токов, протекающих в резисторах нагрузки 21 и 22. В свою очередь переменные токи через эти резисторы формируются входными транзисторами 4, 5, 8, 9 (верхний канал усиления) и входными транзисторами 15, 16, 17 и 18 (нижний канал усиления). Причем эти токи имеют несколько составляющих:
x
- переменные токи, пропорциональные u, формируемые верхним каналом усиления на входных транзисторах 4, 5, 8, 9;
x
- переменные токи, пропорциональные u, формируемые нижним каналом усиления на входных транзисторах 15, 16, 17, 18;
y
- переменные токи, зависящие от сигнала управления u транзисторами верхнего канала усиления (элементы 4, 5, 8, 9);
- переменные токи, зависящие от сигнала управления (3);
y
u - транзисторами нижнего канала усиления (элементы 15, 16, 17, 18).
y
y
x
1
2
y
x
y
x
Численные значения токов , , ,  определяются сопротивлениями эмиттерных переходов соответствующих транзисторов, которые управляются однофазным напряжением u. При этом увеличение положительного напряжения источника 2 входного напряжения канала «Y» u вызывает уменьшение коэффициентов передачи сигналов u(1) и  (2) со входов Bx.x и Вх.x канала «X» через входные транзисторы 4, 5, 8, 9 (верхний канал усиления) в цепь нагрузки (фиг.3), а с другой стороны увеличение положительного напряжения: источника сигнала (2) u приводит к увеличению противофазной передачи u(1) и  (2) через транзисторы 15, 16, 17, 18 в цепь нагрузки (11) по нижнему каналу усиления. Если u=0, то суммарная передача u и  на выход будет близка к нулю.
x
у
верх.
ниж.
y
max
y
x
х
y
y
y
Для понимания принципа действия заявляемого устройства следует обратиться к графикам (фиг.3), которые показывают, что за счет выбора площадей р-n переходов входных транзисторов (5, 8, 15, 18) в N≈16 раз больше, чем площади одиночных входных транзисторов (4, 9, 16, 17), зависимость передачи сигнала u от напряжения и  для верхнего (4, 5, 8, 9) и нижнего (15, 16, 17, 18) каналов на выход устройства формируется справа (рабочая точка Q) и слева (рабочая точка Q) от экстремального значения K=K. Поэтому положительные приращения u вызывают, с одной стороны, увеличение передачи u нижнего канала и уменьшение передачи u  верхнего канала (фиг.3). В конечном итоге это позволяет сформировать необходимую зависимость K=f(u) при однополярном управлении каналом «Y», который может содержать только один однофазный источник напряжения управления u.
x
y
Данные выводы подтверждаются графиками (фиг.5, фиг.6), которые свидетельствуют о том, что заявляемое устройство (фиг.2) является аналоговым перемножителем малых сигналов u и u (фиг.6).
x
y
Для расширения рабочего диапазона изменения u и u следует использовать предварительное логарифмирование этих сигналов, которое применяется в традиционных схемах перемножителей на основе ячейки Джильберта.
y
x
y
x
y
Первая существенная особенность заявляемого устройства, позволяющая использовать только однофазный сигнал в канале «Y», состоит в том, что площади эмиттерных переходов входных транзисторов 5, 8, 15 и 18 в N-раз превышают площади эмиттерных переходов входных транзисторов 4, 9, 16, 17. При N=16 и u=0 коэффициенты передачи u и  в цепь нагрузки через транзисторы 4, 5, 8, 9 (верхний канал) и транзисторы 15, 16, 17, 18 (нижний канал) одинаковы и составляют, примерно, половину от максимального значения коэффициентов передачи по этим каналам. Если N≠16, то коэффициенты передачи этих каналов при u=0 оказываются неодинаковы, что приводит к нессиметрии характеристики управления (фиг.6) и снижению допустимых амплитуд перемножаемых напряжений. При N=1, так же как и при N>>1, схема (фиг.2) теряет свойства перемножителя напряжений u и u. Таким образом, следует подчеркнуть, что оптимальная работоспособность схемы (фиг.2) обеспечивается только в случае, когда N=16.
y
y
y
Вторая существенная особенность схемы (фиг.2), обязательная для любых перемножителей, состоит в том, что передача напряжения источника 2 канала «Y» u в цепь нагрузки 11 близка к нулю. То есть однофазный сигнал u подавляется в заявляемом устройстве, причем это подавление обеспечивается в верхнем канале (транзисторы 4, 5, 8, 9) независимо от подавления в нижнем канале (транзисторы 15, 16, 17, 18). Данное свойство схемы снижает ее погрешность, так как АПН (фиг.2) не требует (в отличие от традиционных схем АПН) фазорасщипителей сигнала u.
Действительно, для суммирующих точек D и C, а так же B и A в схеме (фиг.2) выполняются условия:
y
Следовательно, сигнал управления u канала «Y» отсутствует в цепи нагрузки 11, что характерно для перемножителей напряжения.
x
y
x
y
Моделирование спектра выходных сигналов АПН при перемножении u и u с частотой 1 ГГЦ и 10 мГц показывает, что в выходном сигнале практически отсутствуют первые гармоники входных сигналов fи f. Данное свойство характерно для перемножителей напряжения.
Анализ предельных значений минимального напряжения источника питания 12 () показывает, что при малых амплитудах выходного напряжения в АПН (фиг.2) (например, =200 мВ) напряжение =0,4 В. Отрицательное напряжение питания  (7) (при использовании известных способов его стабилизации) может принимать значение =0,9÷1 В. Следовательно, общее напряжение питания АПН (фиг.2) , что недостижимо в АПН-прототипе.
Таким образом, предлагаемое устройство выполняет функции перемножителя сигналов, может работать при малых напряжениях питания, обеспечивает более широкий диапазон рабочих частот и не требует противофазного управления по каналу «Y», а так же не имеет входных согласующих статический режим цепей, отрицательно влияющих на стабильность нуля АПН.
Источники информации
1. Патент US 7.024.448, fig.2
2. Патент US 5.157.350, fig.2
3. Патент US 5.877.974, fig4
4. Патент US 5,886.916, fig.2
5. Патент US 3.689.752
6. Патент US 5.684.419, fig.3
7. Патент US 4.458.211
8. Патент US 4.572.975
9. Патент US 5.889.425
10. Патент US 5.331.289, fig.1
11. Патент US 5.914.639, fig.4
12. Патент US 6.111.463, fig.11
13. Патент US 5.886.560, fig.1
14. Патентная заявка US 2006/0232334, fig.1
15. Патент JP 53-25780, кл. 98 (5)
16. Патент ЕР 917285, fig.1.