Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Архитектура и схемотехника управляемых усилителей и смесителей сигналов

Прокопенко Н Н, Будяков П С,

1.9. Архитектура аналоговых перемножителей напряжений в базисе элементов BJT-BFET технологий

В современной микроэлектронике важное место занимают биполярно-полевые технологии, обеспечивающие для электронных систем элементную базу с качественными n-p-n биполярными транзисторами и полевыми транзисторами сp-каналом. Такая технология освоена многими микроэлектронными фирмами, в том числе НПО «Интеграл» (г. Минск), выпускающим широкую гамму различных микроэлектронных устройств на основе аналоговых биполярно-полевых базовых матричных кристаллов (БМК) (а.с. СССР 1746440). Замечательная особенность БМК – высокая радиационная стойкость, что делает их особенно привлекательными для применения в изделиях космической и атомной техники.

Классический АПН рис. 1.78 характеризуется «трехъярусным» включением p-nпереходов в цепи отрицательного источника питания , что накладывает ограничения на допустимый диапазон изменения напряжения питания .

Второй существенный недостаток АПН рис. 1.78 – необходимость согласования статических потенциалов входов канала «Y» (базы транзисторов VT5 и VT6) с общей шиной источников питания. Для этой цели применяются специальные цепи смещения [21], что отрицательно сказывается на точности АПН, его статических погрешностях. Кроме этого, наличие емкости на подложку у транзисторов канала «Y», коллекторы которых подключены к первому и второму токовым входам (Вх.1 и Вх.2), отрицательно сказывается на частотных характеристиках АПН.  

Рис. 1.78. Классический аналоговый перемножитель напряжений [22]

В предлагаемой архитектуре рис. 1.79 [23, 24] решена проблемы «привязки» входов каналов «Y»и «Х» к общей шине источников питания в базисе элементов BiFET-технологий, а также расширен диапазон рабочих частот по каналу «Х» и снижено напряжение питания. Это достигается путем функциональной интеграции. Кроме этого, схема на рис. 1.79 характеризуется многократной интеграцией функций применяемых активных элементов. Так на транзисторах VT5, VT6 и VT1, VT4 реализованы одновременноисточники опорного тока, перемножающая ячейка, преобразователь «напряжение канала «Y» – ток».

Множительная ячейка 1 в схеме на рис. 1.79 реализована на транзисторах VT1, VT2, VT3 и VT4, а цепь нагрузки включает в частном случае резисторы R1 и R2.

Рассмотрим работу АПН на рис. 1.80.  

Рис. 1.79. Архитектура АПН в базисе BiFET технологий [23]

Для реализации функции перемножения двух напряжений ux и uy в схеме на рис. 1.80 необходимо обеспечить преобразование напряжения канала «Y» uy в два противофазно изменяющихся тока ,
, которые управляют величиной коэффициента усиления по напряжению дифференциальных каскадов на транзисторах VT1, VT2 и VT3, VT4, где S – крутизна преобразования. В схеме на рис. 1.80 при увеличении суммарного тока i5 эмиттерной цепи транзисторов VT3 и VT4 коэффициент усиления по напряжению увеличивается

(1.19)

а транзисторов VT5 и VT6 уменьшается

(1.20)

где S – крутизна преобразования напряжения uy в ток i4 (i5).  

Рис. 1.80. Вариант построения схемы АПН
с улучшенными характеристиками

В связи с этим, переменное выходное напряжение АПН пропорционально произведению ux и uy:

(1.21)

Следует заметить, что в схеме на рис. 1.80 каналы передачи напряжения ux от источников сигналов ux и  идентичны, что расширяет полосу пропускания АПН по выходу 2 особенно при малых величинах uy, ux.

Схема на рис. 1.80 имеет малые значения паразитной емкости в узлах токовых входов Вх.1 и Вх.2, что улучшает ее перемножающие свойства в области высоких частот по каналу «Х». Отличительной особенностью схемы на рис. 1.80 является подавление передачи сигнала uy на выходы 1 и 2, так как при изменении тока i4 в эмиттерах транзисторов VT1 и VT2 их коллекторные токи изменяются пропорционально uy. Однако, противофазно изменяются и коллекторные токи транзисторов VT3 и VT4, что компенсирует соответствующее приращение тока коллектора транзисторов 14 и 15 и стабилизирует статическое напряжение на резисторах R1 и R2. Кроме этого дополнительно повышается диапазон линейной работы АПН по каналу «Y». Это объясняется тем, что при введении резисторов R3 и R4 обеспечивается более линейная зависимость токов i4 и i5 от напряжения uy. В конечном итоге это повышает точность перемножения ux и uy.

Работоспособность АПН на рис. 1.79 и 1.80 обеспечивается без источников опорного тока, что снижает погрешность перемножения ux и uy в диапазоне высоких частот. Для существенного расширения динамического диапазона перемножаемых сигналов по каналу uх следует использовать их предварительное логарифмирование.

На рис. 1.81а приведена схема АПН (рис. 1.79) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на рис. 1.81б показана зависимость выходного напряжения новой схемы от напряжений на входах каналов «Х» и «Y».

Зависимости на рис. 1.81б показывают, что предлагаемая схема АПН является четырехквадрантным перемножителем. При этом погрешность перемножения g, характеризующаяся графиками, может быть достаточно малой (g ≤ 0,2 %).

а

б

Рис. 1.81. Схема АПН в среде PSpice (а) и результаты её компьютерного моделирования (б)

Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение АПН [23] является альтернативой широко распространенным АПН Гильберта.