Библиографическое описание:

Прокопенко Н. Н., Серебряков А., Конев Д. Архитектура аналоговых перемножителей напряжений на базе модифицированной ячейки Джильберта // Молодой ученый. — 2009. — №2. — С. 22-25.

Аналоговый перемножитель напряжений (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.

Существенным недостатком классических перемножителей напряжений на основе ячейки Джильберта является многоканальная передача перемножаемого сигнала на входах ux к выходному узлу АПН. Это создает проблему обеспечения широкополосности и быстродействия АПН которая обусловлена разной инерционностью каналов передачи ux, а также их фазовыми характеристиками, что ухудшает погрешность перемножения.

В предлагаемой схемотехнической архитектуре АПН (рис.1) с помощью преобразователя «напряжение – ток» (ПН) обеспечивается преобразование uy с крутизной S в два противофазно изменяющихся тока ,  и управление этими токами величиной коэффициента усиления по напряжению каскадов на транзисторах VT1-VT4.

 

Рис.1 Схема АПН на базе модифицированной ячейки Джильберта.

 

При увеличении суммарного тока эмиттерной цепи транзисторов VT1 и VT2 коэффициент усиления по напряжению первого каскада (VT1- VT2) увеличивается

                                    (1)

а на транзисторах VT3 и VT4 – уменьшается:

                                                                   (2)

где rэi »26 мВ – сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора,

φт – температурный потенциал,

Rн.экв – эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки,

S – крутизна преобразования напряжения ux в ток iy,

ux , uy – входные напряжения каналов «X» и «Y».

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

 

.                                     (3)

 

Следует заметить, что каналы передачи напряжения ux от противофазных источников сигналов ux и ūx идентичны, что расширяет диапазон рабочих частот АПН (особенно при малых величинах uy, ux).

Коэффициенты передачи  ux и ūx с учётом только паразитных емкостей С1 и С2 в канале «X» приблизительно одинаковы:

 

                                                                    (4)

 

Однако сигнал канала «Y», изменяющий токи iy,(+) и iy(-), нарушает равенство (4) – постоянная времени τ1 уменьшается, а τ2 увеличивается, что сказывается на частотной зависимости погрешности перемножения от uy. Данный эффект характерен и для классических перемножителей Джильберта, которые также имеют частотные погрешности из-за прямого прохождения сигналов ux и ūx на выход через ёмкости коллектор-база транзисторов.

При реализации АПН по схеме на рис. 1 дополнительно повышается симметрия схемы. Это объясняется тем, что при напряжении источника смещения Ес1, равном статическому напряжению на выходе АПН (Uвых.с≈ Ес1), обеспечивается более прецизионное деление тока  между транзисторами VT1 и VT2 (VT3, VT4). Данный эффект связан с минимизацией влияния эффекта Эрли. В конечном итоге это повышает точность перемножения ux и uy.

 

Рис.2 Схема рис.1 в среде PSpice

 

Компьютерное моделирование схемы рис. 1 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (рис. 2) позволило получить зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению Ku = uвых/ux от уровня тока iy (рис. 3). Такой режим измерения Ku характеризует работу АПН в качестве управляемого усилителя. Рисунок 4 иллюстрирует зависимость модуля коэффициента усиления АПН Ku = f(Iy) в диапазоне средних частот.

 

Рис.3 Зависимость модуля коэффициента усиления АПН  в диапазоне  средних частот.

 

Рис.4 Зависимость коэффициент усиления по напряжению от тока Iy.

 

На рисунке 5 приведены результаты компьютерного моделирования схемы (рис.1) для случая перемножения двух напряжений ux и тока iy, пропорционального uy. Эти графики показывают, что предлагаемая схема АПН является четырехквадрантным перемножителем. При этом погрешность перемножения g, характеризующаяся графиками на рисунке 6, может быть достаточно малой (g ≤ 0,2 %).

 

Рис. 5 Зависимость напряжения на выходе АПН от напряжения на входе Ux при разных Iy = S uy

 

Рис.6 Погрешность перемножения g при разных Ux

 

Как следует из графика рис. 6 погрешность g перемножения ux и uy при малых ux (׀ux׀ <40 мВ) не превышает 0,2 %. Для существенного расширения динамического диапазона перемножаемых сигналов ux и uy следует использовать их предварительное логарифмирование.

В качестве преобразователя “напряжение uy – ток iy” (ПН) могут использоваться дифференциальные усилители с местной обратной связью (рис. 7).

 

Рис.7 Практическая схема перемножителя напряжения на базе модифицированной ячейки Джильберта

 

Заключение

Предлагаемая архитектура АПН является альтернативой широко распространенной перемножающей ячейки Джильберта и характеризуется более высокими качественными параметрами.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1.                  Besser, L. Practical RF circuit design for modern wireless systems: Active circuits and systems. Volume 2 [Text] / L.Besser, R.Gilmore. – London-Boston: Artech House, 2003. – p. 569.

2.                  Vendelin, G.D. Microwave circuit design using linear and nonlinear techniques [Text] / G.D.Vendelin, A.M.Pavio, U.L. Rohde. – New-York: Wiley Interscience Pub., 2003.  – p. 757.

3.                  Тимофеев, В. Н. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре [Текст] / В. Н. Тимофеев, Л. М. Величко, В. А. Ткаченко. – М.: Радио и связь, 1982. – 112 с.

4.                  Low-Voltage Precision Analogue Multiplier with wide Frequency Range (article) [Электронный ресурс] / E. Starchenko, O. Dvornikov, D. Shchyokin//  2nd IEEE Interna-tional Conference on Circuits and Systems for Communications. – Электрон. текстовые, граф. дан. - Moscow, 2004

Основные термины (генерируются автоматически): сигналов ux, сигналов ux, ячейки Джильберта, ячейки Джильберта, модифицированной ячейки Джильберта, базе модифицированной ячейки, выходе АПН, модифицированной ячейки Джильберта, выходе АПН, базе модифицированной ячейки, перемножения ux, коэффициента усиления АПН, выходному узлу АПН, выходное напряжение АПН, схемотехнической архитектуре АПН, рабочих частот АПН, коэффициента усиления АПН, выходному узлу АПН, выходное напряжение АПН, Схема АПН.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle