В таблице 5.1 приведены параметры аналоговых перемножителей, выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью и разработанных на основе рассмотренных методов. Характеристики разработанных АП получены по результатам моделирования. Статистические исследования в среде PSpice, проведенные по методу Монте-Карло и для наихудшего случая для разброса параметров компонентов 5 %, показывают, что параметры ухудшаются не более чем в 3 раза.
Особое место в ряду рассматриваемых АП занимают перемножители для очень низкого напряжения питания - не более 1,5 В. В этом случае на возможность использования линеаризующих цепей накладываются ограничения по синфазному сигналу. Так, если в качестве базовой взять схему АП, приведенную на рисунке 2.2, допустимый диапазон изменения сигнала на входах можно определить следующим образом.
Диапазон допустимого синфазного сигнала для различных полярностей сигнала Х:
- для положительной полярности
- для отрицательной полярности
,
где UИТ - падение напряжения на источнике тока I0, поэтому меньшее по абсолютной величине значение и будет определять допустимый синфазный диапазон входного напряжения.
Допустимое синфазное напряжение для входа Y также различно для положительной и отрицательной полярности напряжения UY:
.
Для обеспечения максимально возможного диапазона линейного изменения выходного напряжения необходимо выполнить условие:
Легко показать, что при напряжениях питания 15 В и токе I0 = 0,5 - 2 мА реально обеспечить возможность работать с напряжениями но при низких напряжениях питания (например, 5 В) эти напряжения не могут быть больше 1-2 В, а при напряжении питания 1,5 - всего лишь 50-100 мВ.
При построении перемножителей напряжения на основе транзисторов, выполненных по технологии SiGe (кремний на германии) [20], имеющих, как правило, очень низкое пробивное напряжение, проблема применения линеаризующих цепей стоит наиболее остро. Очевидно, что применение линеаризации в ПНТ требует увеличения напряжения питания на один-два перехода база-эмиттер, что не всегда допустимо.
При исследовании АП, выполненного на основе транзисторов SGB25 (npnVp) [20] с максимальным напряжением UКЭ< 3 В по схеме АП (рис. 2.2), были получены следующие результаты.
Линейность перемножителя оценивалась следующим образом. На один из входов, например Y, подавалось постоянное напряжение, а на вход X - изменяющееся в заданном диапазоне. Изменяющееся напряжение подается дифференциально, а оценка линейности производится следующим образом:
%,
где UВЫХ - парафазное выходное напряжение перемножителя; UХ - дифференциальное входное напряжение, К - масштабный коэффициент перемножителя.
Результаты моделирования (в среде Cadence) при UY = 100 мВ и UX= 100 мВ и RН = 50 Ом приведены на рисунке 5.8. Максимальное выходное напряжение составляет 22 мВ, что соответствует масштабному коэффициенту преобразования К = 4,5. Отклонение от линейности составляет 0,022 %. Столь высокая линейность объясняется полной симметрией схемы и взаимной компенсацией нелинейности преобразования разности напряжений база-эмиттер и напряжения коллектор-база (напряжение коллектор-база транзисторов при питании от 1,5 В становится отрицательным при UX > 80 мВ, однако сохраняется активный режим работы транзистора - без насыщения).
На рисунке 5.9 представлены графики, характеризующие частотные свойства перемножителя. Полоса пропускания перемножителя по уровню -3дБ составляет 25 ГГц (при частоте fT = 80 ГГц).
Как уже отмечалось, проблема построения высоколинейного перемножителя для низковольтных питающих напряжений достаточно сложна. Обычно цепи компенсации, повышающие линейность перемножителя, тем или иным способом измеряют ток в преобразователе «напряжение-ток» и формируют компенсирующее воздействие. В этом случае, как правило, требуется последовательное включение в цепи коллекторов дополнительных диодов, что потребует повышения питающих напряжений [6]. На рисунке 2.9 представлена схема балансного смесителя, способная работать при напряжении питания не более 3UБЭ. Линейность этой схемы можно оценить с помощью выражений (2.1) и (2.3), а крутизну преобразования - с помощью выражений (5.1) и (5.2):
Рис. 5.8. График изменения выходного напряжения перемножителя (кривая 1) и отклонение от линейности в % (кривая 2), выполненного по схеме (рис. 2.2) на транзисторах типа SGB25
Рис. 5.9. АЧХ и ФЧХ перемножителя по схеме (рис. 2.2) на транзисторах типа SGB25
(5.1)
(5.2)
Рис. 5.10. Низковольтный балансный смеситель
Рис. 5.11. График изменения выходного напряжения смесителя (1) и отклонение от линейности в % (2) при входном сигнале 50 мВ
Рис. 5.12. Логарифмические АЧХ (1) и ФЧХ (2) смесителя
Линейность смесителя оценивалась по той же методике, что и линейность перемножителя при уровне входного сигнала 50 мВ. Как и следовало ожидать, нелинейность весьма высока и превышает 6 %.
Логарифмические АЧХ и ФЧХ сняты при управляющем воздействии 175 мВ, при этом частота среза составила 24,7 ГГц при RН = 50 Ом.
Балансный смеситель, схема которого представлена на рисунке 5.10, обладает низким диапазоном входного сигнала при заданной линейности - не более 50 мВ. Проблему линеаризации такого смесителя и, по сути, превращения его в линейный перемножитель можно решить следующим образом. Как и в случае с перемножителем на основе множительного ядра Джильберта линеаризацию передаточной характеристики дифференциального каскада можно осуществить логарифмированием входного сигнала (рис. 5.13). Причем каналы X и Y в этом случае остаются абсолютно симметричны, и длина электрического пути для сигналов UX и UY одинакова.
Рис. 5.13. Схема перемножителя, полученная модифицированием схемы балансного смесителя
Результаты моделирования схемы АП (рис. 5.13) представлены на рисунках 5.14-5.15.
Рис. 5.14. Отклонение от линейности линеаризованного смесителя (в %)
Рис. 5.15. Логарифмические АЧХ (1) и ФЧХ (2) линеаризованного смесителя
Отклонение от линейности линеаризованного смесителя не превышает 0,7 % при входном напряжении 100 мВ.
Полоса пропускания по уровню -3 дБ составляет 46 ГГц. Столь большой выигрыш в полосе пропускания схемы (рис. 5.13) объясняется тем, что множительное ядро работает при токах, соответствующих максимуму частотных свойств применяемых транзисторов. Токи входных логарифмирующих каскадов выбраны достаточно большими, чтобы выполнялось условие:
Проблема, которая требует решения при использовании низковольтных транзисторов SiGe, - это переход к одиночному (не парафазному) выходу. В этом случае должны быть использованы транзисторы p-n-p-типа, а их свойства на порядок хуже, чем свойства транзисторов SiGe n-p-n-типа.
Полученные результаты показывают, что возможности современной аналоговой микросхемотехники позволяют значительно уменьшить, а в ряде случаев и минимизировать влияние технологических погрешностей аналоговых компонентов на характеристики и параметры перемножителей.
Выводы и рекомендации
1. Наиболее существенная погрешность АП обусловлена нелинейностью преобразователей напряжение-ток, объемными сопротивлениями баз транзисторов и изменениями температуры.
Погрешности, обусловленные технологическим рассогласованием характеристик транзисторов, могут быть скомпенсированы в процессе настройки (балансировки) схемы при проектировании и изготовлении устройства на основе АП, для чего корпус микросхемы должен содержать дополнительные выводы.
2. Для снижения погрешности преобразования «напряжение-ток» наиболее целесообразно использовать методы параметрической компенсации влияния режимно зависимых параметров транзисторов.
Предложенный в работе метод оценки погрешности ПНТ удобен как при получении аналитических выражений, так и при моделировании.
3. Необходимо согласовывать объемные сопротивления баз транзисторов множительного ядра перемножителя и экспандера (логарифмирующих диодов).
4. Для компенсации влияния температурных изменений необходимо в процессе моделирования оценить температурный дрейф погрешности перемножения в %/К, затем построить источники тока с необходимым температурным дрейфом для компенсации изменения масштабного коэффициента перемножителя.
5. Коррекцию фазовой идентичности каналов перемножителя можно осуществить подключением RC-цепей параллельно масштабным резисторам преобразователей «напряжение-ток», для чего необходимо предусмотреть соответствующие выводы корпуса интегральной микросхемы.
Проведенный анализ и предлагаемые схемотехнические решения показывают, что на основе интегральной технологии могут быть построены прецизионные четырехквадрантные перемножители, по ряду своих характеристик превосходящие лучшие зарубежные образцы, которые могут найти применение как в радиотехнических устройствах, так и системах автоматики.
Библиографический список
1. Аналоговые и цифровые интегральные схемы: справочник / С.В. Якубовский [и др., всего семь человек]; под ред. С.В. Якубовского. - М.: Сов. Радио, 2008. - 336 с., -ил.
2. Тимонтеев, В.Н.. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре / В.Н. Тимонтеев, Л.М. Величко, В.А. Ткаченко. - М.: Радио и связь, 2009.
3. Старченко, Е.И. Аналоговые перемножители напряжения со стабильной фазовой характеристикой / Е.И. Старченко, А.Д. Щекин // Международный НТЖ «Электроника и связь». - Киев, 2007. - № 14. - С. 117-122.
4. Херпи, М. Аналоговые интегральные схемы / М. Херпи; пер. с англ. - М.: Радио и связь, 2007.
5. Henn, C. New Ultra High-Speed Circuit Techniques with Analog ICs / Christian Henn // Burr-Brown International GmbH. - Burr-Brown Corporation, AB-183. Printed in U.S.A. May, 2008.
6. Старченко, Е.И. Принципы проектирования низковольтных прецизионных аналоговых перемножителей напряжения [Текст] / Е.И. Старченко // Альтернативные естественно возобновляющиеся источники энергии и энергосберегающие технологии, экологическая безопасность регионов: Выездная сессия Секции энергетики Отделения энергетики, машиностроения и процессов управления РАН: Материалы сессии, Ессентуки, 12-15 апреля 2007. В 2-х ч. Ч. 2 / под ред. Я.Б. Данилевича. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007. - С. 155-163.
7. Starchenko, E.I. Low-Voltage Precision Analogue Multiplier with wide Frequency Range/ E.I. Starchenko, O.V. Dvornikov, D.I. Shchyokin. - (электронный ресурс) - 2nd IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications. Moscow, 2009 (156.pdf).
8. Шац, С.Я. Элементы теории операционных усилителей. Ч. 2 / С.Я. Шац, В.Ф. Ламекин, А.Н. Майборода // Зарубежная радиоэлектроника. - 2008. - № 2. - С. 97-116.
9. Pat. 4,322,688 US. Cascode Fid-Forward amplifier / Kennet G. Schltzhauer, 2008.
10. Пат. № 2287892, Российская Федерация, МПК 7 H0 3А 3/45. Преобразователь напряжение-ток / Е.И. Старченко, А.И. Гавлицкий; заявитель и патентообладатель - Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса. - № 2005114551/09 (016692); заявл. 13.05.06 г., опубл. 20.11.08, Бюл. № 32. - 6 с.: ил.
11. Henn, Christian. Current or voltage feedback: the choice is yours with the new, flexible, wide-band operational amplifier OPA622/ Christian Henn, Andreas Sibrai. - AN-186-Burr-Brown Corporation, October, 2008.
12. Разевиг, В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesigLab 8.0 / В.Д. Разевиг. - М.: Солон-Р, 2008. - 704 с.: ил. - (Серия «Системы проектирования»).
13. Дворников, О.В. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями / О.В. Дворников, В.А. Чеховской // Chip News. - № 2. - 2008. - С. 21-23.
14. Prokopenko, N.N. Method of rising the upper level frequency limit of wide-band amplifier / N.N. Prokopenko, E.I. Starchenko // 1st IEEE International Conference on Circuit and System for Communication. - St. Pe-tersburg, 2007. - Рp. 24-27.
15. Литюк, В.И. Особенности анализа помехоустойчивых узкополосных систем передачи информации / В.И. Литюк; под ред. Н.Н. Прокопенко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники. Сборник материалов V международного научно-практического семинара. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2008. - С. 24-27.
16. Крутчинский, С.Г. Прецизионные перестраиваемые каналообразующие фильтры диагностических комплексов / С.Г. Крутчинский, Е.И. Старченко // Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Актуальные проблемы производства и потребления электроэнергии». - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2007. - № 11(55). - С. 153-160.
17. Henn, C. New Ultra High-Speed Circuit Techniques with Analog ICs / Christian Henn, Burr-Brown International GmbH. - Burr-Brown Corporation, AB-183. Printed in U.S.A. May, 2008.
18. Real-Time Analog Computational Unit(ACU). AN AD538 / http://www.analog.com. Analog Devices, Inc, 2009.
19. Старченко, Е.И. Схемотехника мостовых прецизионных преобразователей напряжение-ток / Е.И. Старченко, А.И. Гавлицкий; под ред. Н.Н. Прокопенко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: сб. материалов V Международного научно-практического семинара. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007. - С. 54-59.
20. Gomeniuk, Y.V. Properties of SiGe/Si heterostructures fabricated by ion implantation technique / Y.V. Gomeniuk, V.S. Lysenko, I.N. Osiyuk, I.P. Tyagulski, et al.// Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. - 2008. - № 3. - P. 74-80. - Engl. Il.: 8. Ref.: 16.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
