Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Архитектура и схемотехника управляемых усилителей и смесителей сигналов

Прокопенко Н Н, Будяков П С,

4.3. Архитектура перемножителей напряжения с несимметричным входом по каналу «Y»

В рамках собственных программ развития ряд ведущих микроэлектронных фирм, в т.ч. российских, начинают использовать технологическое оборудование для 0,25 мкм SiGe-технологии SGB25VD [3, 28], способное в рамках единого цикла изготовить высококачественные гетеропереходы. Это позволяет реализовать субмикронные транзисторы Х диапазона, а также использовать экономичные режимы для СВЧ интегральных схем относительно высокого уровня интеграции. Однако технология SGB25VD накладывает дополнительные и существенные для схемотехники аналоговых микросхем ограничения, выражающиеся в невозможности использования комплементарных транзисторов и относительно низковольтных режимов их работы (Uкэ.max = 2,9...3,0 В). Создание IP-блоков поSiGe-технологии SGB25VD является (наряду с ее освоением) важнейшей задачей для зарубежных и отечественных центров проектирования аналоговых микросхем.

Важная роль в устройствах связи, создаваемых по новой SiGe-технологии SGB25VD, отводится аналоговым перемножителям напряжений (АПН). Существующие архитектуры АПН обладают целым рядом недостатков. Например, в аналоговом перемножителе напряжений (см. рис. 4.14) из [36] первым существенным недостатком является невозможность работы при напряжении питании ±1,5 В.  

Рис. 4.14. Классический аналоговый перемножитель напряжений [36]

Вторым существенным недостаткомсхемы перемножителя на рис. 4.14 является повышенная чувствительность основных параметров к асимметрии противофазных управляющих сигналов uy и  по каналу «Y».

Для устранения указанных недостатков предлагается архитектура АПН рис. 4.15 [37], которая реализуется только на транзисторах SiGe-техпроцесса, имеет напряжение питания ±1,5 В и обеспечивает высокую линейность перемножения по каналу «Y», в том числе при существенной ассиметрии сигналов управления uy и .

Рис. 4.15. Архитектура предлагаемого АПН [37]

Рассмотрим работу схемы АПН на рис. 4.15 при конкретных вариантах выполнении составного транзистора VT5, например, по схеме рис. 4.16г. Этому случаю соответствует АПН на рис. 4.17.

В статическом режиме ток через масштабирующий резистор R4 схемы на рис. 4.17 равен нулю, так как потенциалы на его выводах одинаковы. Известно, что для выполнения операции перемножения двух напряжений ux и uy в АПН, реализованном на перемножающей ячейке Джильберта необходимо обеспечить противофазное изменение токов под действием напряжения (uy) канала «Y» в общих эмиттерных цепях транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4. В новой схеме АПН этот эффект реализуется следующим образом.

Если uy получает положительное приращение, то ток iR через резистор R4 изменяется

(4.12)

где R4 – сопротивление резистора R4.

а                                                       б

в                                                                     г

д

Рис. 4.16. Варианты построения составного транзистора VT5 на схеме рис. 4.15

Рис. 4.17. Пример построения схемы АПН при выполнении составного транзистора VT5 по схеме рис. 4.16г [37]

Таким образом, благодаря новым связям в схеме на рис. 4.17 обеспечивается противофазное, причем, симметричное управление общими эмиттерными токами транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4 от одного источника сигнала uy – ток общей эмиттерной цепи (VT1 и VT2) уменьшается, а ток общей эмиттернойцепи (VT3 и VT4) – увеличивается на iR. Данное соотношение токов является одним из необходимых условий для перемножения напряжений ux и uy.

При этом следует заметить, что допустимый линейный диапазон изменения напряжения uy по каналу «Y» определяется в общем случае произведением

U _y.max ≈ I_R6R₄, (4.13)

где I_R6 – ток двухполюсника R6; R₄ – сопротивление резистора R4 (рис. 4.17).

Что касается диапазона линейной работы АПН на рис. 4.17 по каналу «Х», то он, также как и в АПН-прототипе, достаточно мал (10–50 мВ). Это позволяет использовать новую схему АПН в качестве смесителя двух сигналов ux и uy. Для повышения диапазона перемножения по каналу «Х» следует использовать традиционный схемотехнический прием – включение по входу «Х» логарифмирующих диодов.

Моделирование схемы на рис. 4.18 в среде PSpice и полученные в результате этого зависимости на рис. 4.19 подтверждают, что предлагаемое схемотехническое решение выполняет функции перемножителя напряжений.  

Рис. 4.18. Схема АПН на рис. 4.17 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» [37]

Рис. 4.19. Четырехквадрантные проходные статические
характеристики схемы АПН рис. 4.18

Однако в отличие от классического АПН, новая схема [37] имеет напряжение питания Eп ≥ ±(1–1,2) В и не требует обязательного применения двуполярных сигналов uy и  (противофазного управления по каналу «Y»), что положительно сказывается на работе АПН в диапазоне высоких частот, и исключает необходимость применения специальных формирователей дифференциального сигнала, так называемых balun-каскадов и симметрирующих устройств [38–40].