Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Архитектура и схемотехника управляемых усилителей и смесителей сигналов

Прокопенко Н Н, Будяков П С,

Глава 8. ОСОБЕННОСТИ АРХИТЕКТУР АНАЛОГОВЫХ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЕЙ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ

Уменьшение напряжения питания (Еп) в биполярных схемах приводит к появлению проблем, которые становятся особенно важными при напряжении питания менее 2 В. Принципиальная сложность уменьшения напряжения Еп состоит в том, что биполярный транзистор имеет фиксированное напряжение база-эмиттер U_бэ, которое не уменьшается линейно с уменьшением технологических норм. Если в используемой технологии U_бэ = 0,7-0,8 В, то использование 1,5 В источника питания приводит к тому, что между «землей» и шиной Еп не может быть включено более одного p-n-перехода. Следовательно, при напряжении питания 1,5 В не могут быть использованы многоярусные дифференциальные пары или каскодные архитектуры.

Основной целью создания новой схемы АПН рис. 8.1 [50] является уменьшение допустимого напряжения двуполярного питания до уровня ±1,5 В и повышение линейности канала перемножения «У».  

Рис. 8.1. Архитектура предлагаемого АПН [50]

Рассмотрим факторы, ограничивающие уровень напряжения питания в известном АПН на рис. 8.2.  

Рис. 8.2. Аналоговый перемножитель напряжений по патенту [51]

Величина положительного напряжения источника питания зависит от статического падения напряжения на резисторах нагрузки Rн1 = Rн2, а также необходимого диапазона изменения выходного дифференциального напряжения Uвых.max:

U _вых.max ≈ 2I₀R_н1, (8.1)

гдъе I₀ – статический ток через резисторы нагрузки Rн1, Rн2.

С другой стороны для исключения насыщения транзисторов VT1, VT2, VT3 и VT4 при изменении uвых необходимо обеспечить

(8.2)

Таким образом, из выражений (8.1) и (8.2) следует, что минимально возможное напряжение питания АПН на рис. 8.2 находится из уравнения:

(8.3)

Следовательно, при малых Uвых.max АПН на рис. 8.2 обеспечивает работу при . Однако, из-за двухъярусной структуры АПН не может работать при . В этой схеме отрицательное напряжение питания должно быть больше, чем

(8.4)

где UэбVT1-VT4 ≈ 0,7...0,8 В – напряжение на переходе эмиттер-база транзисторов VT1, VT2, VT3 и VT4; Uэб ≈ 0,7...0,8 В – напряжение на переходе эмиттер-база транзисторов, образующих дифференциальный каскад ДУ; UДУ = 0...Uy.max – статическое напряжение коллектор-база транзисторов, образующих дифференциальный каскад ДУ; I0 – ток источника I0, устанавливающего статический режим транзисторов дифференциального каскада ДУ; U0 ≈ 0,5...0,6 В – минимально возможное напряжение на источнике опорного тока I0 (при его классическом построении); Uy.max – максимальное входное напряжение канала «У».

Если даже предположить, что UДУ ≈ 0, I0RэVT2 ≈ 0, то из (8.4) следует, что для АПН на рис. 8.2 требуется отрицательное напряжение питания не менее .

Рассмотрим далее ограничения на для новой схемы АПН на рис. 8.1.

Величина напряжения положительного источника питания определяется также по формуле (8.3) с учетом следующего дополнительного ограничения

(8.5)

где Uy.max – максимальная величина напряжения на входе канала «У»; U0 – минимально допустимое напряжение на источниках опорного тока I1 и I2 (при их традиционном построении на базе токовых зеркал имеем U0 ≈ 0,5...0,6 В).

Если Uy.max << U0, то минимальное напряжение питания АПН на рис. 8.1 находится из следующей системы ограничений:

(8.6)

Минимальное напряжение отрицательного источника питания АПН на рис. 8.1 находится с учетом второго закона Кирхгофа из решения следующей системы неравенств, полученных при малых величинах ux и uy:

(8.7)

где UэбVT1 = UэбVT5 ≈ 0,7 В – напряжение эмиттер-база транзисторов VT1 и VT5; U1 = 0,5...0,6 В – минимальное напряжение на источниках опорного тока I3 и I4, при которых их транзисторы не входят в глубокое насыщение.

Результаты эксперимента подтверждают работоспособность новой схемы АПН при (рис. 8.3–8.5).  

Рис. 8.3. Схема АПН в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» [50]

Применение предлагаемой схемыАПН в качестве управляемого усилителя (рис. 8.6) показывает (рис. 8.7), что в таком включении обеспечивается достаточно линейная характеристика управления Ku = f(Uvar), где Uvar = U2 – напряжение на входе «Х» схемы на рис. 8.6.

Рис. 8.4. Зависимость коэффициента усиления по напряжению Ku = uвых/ux от уровня статического напряжения Uvar = Uy на входе канала «У»

Рис. 8.5. Зависимость Ku = f(Uvar) в диапазоне средних частот АПН

Предлагаемый АПН может эффективно использоваться в качестве «миксера» двух сигналов (рис. 8.8). Переходный процесс в АПН при смешении сигналов с частотами fx = 10 МГц и fy = 1 МГц приведен на рис. 8.9. График на рис. 8.10 характеризует спектр выходного напряжения смесителя на рис. 8.8. Из этого графика можно сделать вывод о существенном подавлении основной гармоники.

Из рис. 8.11 следует, что предлагаемый АПН [50] является четырех­квадрантным перемножителем, а погрешности перемножения могут быть достаточно малыми (см. рис. 8.12). Анализ свойств новой схемы А ПН в режиме перемножения двух напряжений (рис. 8.11, 8.12) показывает, что предлагаемое техническое решение обеспечивает удовлетворительную для многих применений погрешность выполнения данной математической операции.

Рис. 8.6. Применение АПН в режиме управляемого усилителя по каналу «Y»

а

б

Рис. 8.7. Графики, характеризующие зависимость модуля Ky
от сигнала управления

Рис. 8.8. Применение АПН в режиме смесителя двух сигналов fx = 10 МГц, fy = 1 МГц [50]

Рис. 8.9. Результаты компьютерного моделирования переходных процессов схемы смесителя на рис. 8.8

Рис. 8.10. Cпектр выходного напряжения схемы АПН на рис. 8.8

Рис. 8.11. Результаты компьютерного моделирования схемы на рис. 8.3 для случая перемножения двух напряжений Ux и Uy

Рис. 8.12. Зависимость погрешности перемножения от напряжения на входе «Х»

Таким образом, предлагаемая схема АПН имеет более низкие значения напряжений питания, что позволяет использовать для ее построения более высокочастотные SiGe транзисторы и расширить при этом диапазон рабочих частот.

Модификацией ранее рассмотренной схемы АПН рис. 8.2 является схема рис. 8.13. [52]  

Рис. 8.13. Архитектура АПН с экстремально низким напряжением питания

Для существенного расширения динамического диапазона перемножаемых сигналов по каналу uх следует использовать их предварительное логарифмирование.

На рис. 8.14 приведена схема предлагаемого АПН в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на рис. 8.15 показана зависимость её выходного напряжения от напряжений на входах каналов «Х» и «Y».

Рис. 8.14. Схема предлагаемого АПН в среде компьютерного моделирования PSpice [52]

Рис. 8.15. Зависимость выходного напряжения от напряжений на входах каналов «Х» и «Y» предлагаемого АПН

Четырехквадрантный режим (рис. 8.15) характеризует перемножающие свойства АПН. Эти графики показывают, что предлагаемый АПН является четырехквадрантным перемножителем. При этом погрешность перемножения g, характеризующаяся графиками, может быть достаточно малой g (g ≤ 0,2 %).

Таким образом, предлагаемое техническое решение [52] является альтернативой широко распространенным АПН с классической архитектурой.