Управляемый усилитель

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого (К_у) зависит от уровня сигнала управления (U_y). Такие устройства применяются в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, системах автоматической регулировки усиления, аналоговых перемножителях сигналов, смесителях активных фильтрах и т.п. Технический результат: упрощение канала управления усилением (УУ), повышение температурной стабильности и улучшение частотной характеристики. Управляемый усилитель содержит входной преобразователь «напряжение u_x-ток» (ПНТ) (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, связанными с соответствующими эмиттерами первого (4) и второго (5) логарифмирующих транзисторов (Т), базы которых объединены, первый (6) токостабилизирующий двухполюсник (ТД), включенный между первым (7) источником питания (ИП) и объединенными базами первого (4) и второго (5) Т, первый (8) и второй (9) выходные Т, эмиттеры которых объединены и связаны с первым выводом первого источника опорного тока (ИОТ) (10), а базы подключены к соответствующим первому (2) и второму (3) токовым выходам, входного ПНТ (1), цепь нагрузки (11), включенную между первым (7) ИП и коллекторами первого (8) и второго (9) Т, связанными с первым (12) и вторым (13) выходами устройства, первый (14) вход канала УУ, второй (15) ИП, связанный со вторым выводом первого ИОТ (10) и входным ПНТ (1). Между первым входом (14) канала УУ и первым выводом первого ИОТ (10) введен первый дополнительный резистор (16), а между общей шиной первого (7) и второго (15) ИП и объединенными базами первого (4) и второго (5) логарифмирующих Т введена температурно-зависимая цепь смещения (17), содержащая два p-n перехода. 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого (К_у) зависит от уровня сигнала управления (U_y). Такие устройства применяются в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, системах автоматической регулировки усиления, аналоговых перемножителях сигналов, смесителях, активных фильтрах и т.п.

В радиоэлектронной аппаратуре находят широкое применение управляемые усилители (УУ) на базе ячеек Джильберта [1-18].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству относится управляемый усилитель, описанный в патенте США №5.521.544, fig.6. Эта же схема присутствует в других патентах и патентных заявках [2-18]. Он содержит (фиг.1) входной преобразователь «напряжение u_x - ток» 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с соответствующими эмиттерами первого 4 и второго 5 логарифмирующих транзисторов, базы которых объединены, первый 6 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между первым 7 источником питания и объединенными базами первого 4 и второго 5 логарифмирующих транзисторов, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы, эмиттеры которых объединены и связаны с первым выводом первого источника опорного тока 10, а базы подключены к соответствующим первому 2 и второму 3 токовым выходам входного преобразователя «напряжение u_x - ток» 1, цепь нагрузки 11, включенную между первым 7 источником питания и коллекторами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, связанными с первым 12 и вторым 13 выходами устройства, первый 14 вход канала управления усилением, второй 15 источник питания, связанный со вторым выводом первого источника опорного тока 10 и входным преобразователем «напряжение u_x - ток» 1.

Существенный недостаток известного управляемого усилителя состоит в том, что его канал управления усилением (вход «Y») характеризуется высокой инерционностью и температурной нестабильностью, что отрицательно сказывается на точностных параметрах устройства, его частотных характеристиках и стабильности нуля канала «Y», например, при использовании УУ в качестве перемножителей напряжения u_х и u_y.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых существенно упрощается канал управления усилением УУ, повышается его температурная стабильность и улучшаются частотные характеристики.

Поставленная задача достигается тем, что в управляемом усилителе фиг.1, содержащем входной преобразователь «напряжение u_х - ток» 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с соответствующими эмиттерами первого 4 и второго 5 логарифмирующих транзисторов, базы которых объединены, первый 6 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между первым 7 источником питания и объединенными базами первого 4 и второго 5 логарифмирующих транзисторов, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы, эмиттеры которых объединены и связаны с первым выводом первого источника опорного тока 10, а базы подключены к соответствующим первому 2 и второму 3 токовым выходам входного преобразователя «напряжение u_x - ток» 1, цепь нагрузки 11, включенную между первым 7 источником питания и коллекторами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, связанными с первым 12 и вторым 13 выходами устройства, первый 14 вход канала, управления усилением, второй 15 источник питания, связанный со вторым выводом первого источника опорного тока 10 и входным преобразователем «напряжение u_x - ток» 1, предусмотрены новые элементы и связи - между первым входом 14 канала управления усилением и первым выводом первого источника опорного тока 10 введен первый дополнительный резистор 16, а между общей шиной первого 7 и второго 15 источников питания и объединенными базами первого 4 и второго 5 логарифмирующих транзисторов введена температурно-зависимая цепь смещения 17, содержащая два p-n перехода.

На фиг.1 показана схема управляемого усилителя-прототипа, а на фиг.2 приведена схема УУ в соответствии с п.1 формулы изобретения.

На фиг.3 показана схема УУ по п.2 формулы изобретения.

На фиг.4 приведена схема УУ в соответствии с п.3 формулы изобретения, в котором конкретизируется подключение коллекторов первого 4 и второго 5 логарифмирующих транзисторов и фиг.5 и фиг.6 приведены примеры практического включения заявляемого УУ фиг.2.

На фиг.7 представлена схема фиг.3 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На фиг.8 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению УУ фиг.7 от напряжения управления U_у=U_var=-1,3÷+1,3 B, которое подается на вход 14 УУ (фиг.3).

На фиг.9 показаны амплитудно-частотные характеристики УУ фиг.7 при разных значениях напряжения управления U_y=U_var=-1.3÷+1,3 B.

На фиг.10 представлена зависимость выходного напряжения УУ фиг.7 от входного статического напряжения U_x=-300÷+300 мВ при разных уровнях сигнала управления U_y=U_var-=-1,3÷+1,3 В.

На фиг.11 представлена схема перемножителя сигналов фиг.6 на базе заявляемого УУ в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов, а на фиг.12 - зависимость модуля ее коэффициента усиления от управляющего напряжения U_y=U_var=-1,3÷+1,3 В.

На фиг.13 приведены графики зависимости выходного напряжения УУ фиг.11 от входного напряжения U_x=-50÷+50 мВ при разных уровнях управляющего сигнала U_y=-1,1÷+1,1 В.

Управляемый усилитель фиг.2 содержит входной преобразователь «напряжение u_x-ток» 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с соответствующими эмиттерами первого 4 и второго 5 логарифмирующих транзисторов, базы которых объединены, первый 6 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между первым 7 источником питания и объединенными базами первого 4 и второго 5 логарифмирующих транзисторов, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы, эмиттеры которых объединены и связаны с первым выводом первого источника опорного тока 10, а базы подключены к соответствующим первому 2 и второму 3 токовым выходам входного преобразователя «напряжение u_x - ток» 1, цепь нагрузки 11, включенную между первым 7 источником питания и коллекторами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, связанными с первым 12 и вторым 13 выходами устройства, первый 14 вход канала управления усилением, второй 15 источник питания, связанный со вторым выводом первого источника опорного тока 10 и входным преобразователем «напряжение u_x - ток» 1. Между первым входом 14 канала управления усилением и первым выводом первого источника опорного тока 10 введен первый дополнительный резистор 16, а между общей шиной первого 7 и второго 15 источников питания и объединенными базами первого 4 и второго 5 логарифмирующих транзисторов введена температурно-зависимая цепь смещения 17, содержащая два p-n перехода.

В схеме фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллекторы первого 4 и второго 5 логарифмирующих транзисторов связаны с первым 7 источником питания.

В схеме фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, коллекторы первого 4 и второго 5 логарифмирующих транзисторов связаны с первым 7 источником питания через вспомогательный двухполюсник 19. Кроме этого данная схема содержит повторитель напряжения 18, что позволяет использовать в качестве сигнала управления uy цепи с высоким внутренним сопротивлением. В схему фиг.5 введен дополнительный p-n переход 20, а повторитель напряжения 18 содержит входной транзистор 21.

В схеме фиг.6 введен третий 23 и четвертый 24 выходные транзисторы, эмиттеры которых объединены и связаны с первым выводом второго 25 источника опорного тока, коллектор третьего 23 выходного транзистора соединен с коллектором первого 8 выходного транзистора, коллектор четвертого 24 выходного транзистора соединен с коллектором второго 9 выходного транзистора, а второй 26 вход канала управления усилением соединен с первым выводом второго 25 источника опорного тока через второй 27 дополнительный резистор, причем второй вывод второго 25 источника опорного тока соединен со вторым 15 источником питания. Устройство фиг.6 может использоваться не только как управляемый усилитель, но и в качестве перемножителя напряжений u_x и u_y.

Рассмотрим работу схемы фиг.3.

В статическом режиме напряжение U₁₀ на первом 10 источнике опорного тока равно нулю

где U₁₀=2U_эб - напряжение на температурно-зависимой цепи смещения 17, содержащей два p-n перехода;

U_эб.i - напряжение между эмиттером и базой i-го транзистора при токе эмиттера I_эi.

Причем, как известно,

где U_xx - напряжение между эмиттером и базой i-го транзистора при токе эмиттера I_эi=I_хх.

Подставляя (2) в (1), находим, что при идентичных транзисторах

Или после преобразований

Если обеспечить равенства I₆=0,5I₁₀, I₃=I₂=I₆, то статическое напряжение на первом источнике тока 10 будет с высокой точностью в широком температурном диапазоне равно нулю: U₁₀≈0. Поэтому подключение первого дополнительного резистора 16 между двумя эквипотенциальными узлами (при u_у=0) не приведет к изменению статического режима схемы, так как ток через резистор 16 i_y=0.

При подаче на вход напряжения u_x выходные токи I₂ и I₃ входного преобразователя «напряжение-ток» 1 изменяются противофазно

где I₀ - статический ток I₂=I₃ при u_вх=0;

S - крутизна преобразования u_вх в ток i₂.

Поэтому напряжение между токовыми выходами 2 и 3

или для приращений с учетом (5) и (6)

Напряжение u₂₃ поступает на вход дифференциального каскада на транзисторах 8 и 9 и преобразуется им в выходное напряжение устройства

где - коэффициент усиления по напряжению каскада на транзисторах 8 и 9;

I_эΣ - сумма эмиттерных токов транзисторов 8 и 9.

Из (10) следует, что коэффициент усиления УУ фиг.3 (К_п) изменяется в зависимости от величины тока через i_y и входного напряжения (u_y) канала управления «Y»

При положительных u_у коэффициент К_п уменьшается, при отрицательных - увеличивается, что объясняет вид характеристики управления фиг.8.

Следует заметить, что в большинстве случаев повторитель напряжения 18 может отсутствовать (фиг.2), что позволяет получить максимальное быстродействие канала управления, который содержит только один элемент - дополнительный резистор 16. Пример построения повторителя напряжения 18 дан на фиг.5.

Кроме этого следует подчеркнуть, что управляющее напряжение u_у канала «Y» в схеме фиг.2 подается на вход Вх.у (14) относительно общей шины и изменяется симметрично от нуля до и В усилителе-прототипе управляющее напряжение u_у должно иметь постоянную составляющую, что создает проблемы со стабильностью статического режима и стабильностью нуля характеристики управления. В заявляемом устройстве созданы специальные условия, при которых % может изменяться относительно общей шины, а температурные приращения напряжений эмиттер-база транзисторов 8(9) и 4(5) компенсируются с высокой точностью температурными изменениями напряжения на двухполюснике 17, состоящем из двух р-n переходов с такими же температурными эффектами.

Для получения предельных значений по температурной стабильности напряжения смещения нуля характеристики управления в схеме фиг.4 предусмотрен вспомогательный двухполюсник 19, который «выравнивает» напряжения коллектор-база транзисторов 4(15) и 8(9), образующих контур температурной компенсации. Если с помощью этого двухполюсника 19 обеспечить равенство U_кб.4=U_кб.5=U_кб.9=U_кб.8, то разбаланс напряжений эмиттер-база транзисторов 4 и 5, 8 и 9 из-за эффекта Эрли будет нулевым. В конечном итоге это повышает температурную стабильность нуля характеристики управления, что весьма существенно при построении на основе схемы фиг.2 перемножителей напряжения (фиг.6).

Особенность схемы фиг.5 - практическая реализация повторителя напряжения 18 на входном транзисторе 21 и дополнительном источнике тока 22. Однако для компенсации температурных изменений режимов транзисторов в схему вводится дополнительный р-н переход 20.

Представленная на фиг.6 и фиг.11 схема является не только усилителем с управляемым усилением (фиг.12), но и может выполнять функции перемножителя аналоговых сигналов u_х и u_у с высокой стабильностью нуля характеристик управления (фиг.13).

В качестве входного преобразователя «напряжение-ток» 1 могут использоваться различные известные дифференциальные каскады, в том числе и схема, показанная на фиг.1.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом и может использоваться в различных аналоговых устройствах, требующих прецизионного управления коэффициентом передачи (схемы автоматической регулировки усиления, перемножители напряжения, смесители сигналов и т.п.).

1. Патент США №5.521.544, fig.6.

2. Патент США №6.111.463, fig.1.

3. Патент США №4.572.975, fig.1.

4. Патент США №5.550.512, fig.3.

5. Патент США №5.115.409, fig.1.

6. Патент США №4.439.696, fig.2.

7. Патент США №5.883.539, fig.2.

8. Патент США №4.288.707.

9. Патент США №5.774.020, fig.1.

10. Патент США №5.677.646.

11. Патент США №5.039.952, fig.5.

12. Патент США №5.734.294, fig.4.

13. Патент США №5.886.916, fig. 1.

14. Патент США №6.369.618, fig.2.

15. Патентная заявка США №2002/0053935, fig.4.

16. Патентная заявка США №2004/0251965, fig.5.

17. Патентная заявка США №2004/0032298, fig.1.

18. Патент WO 2002/071597.

1. Управляемый усилитель, содержащий входной преобразователь «напряжение u_x - ток» (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, связанными с соответствующими эмиттерами первого (4) и второго (5) логарифмирующих транзисторов, базы которых объединены, первый (6) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между первым (7) источником питания и объединенными базами первого (4) и второго (5) логарифмирующих транзисторов, первый (8) и второй (9) выходные транзисторы, эмиттеры которых объединены и связаны с первым выводом первого источника опорного тока (10), а базы подключены к соответствующим первому (2) и второму (3) токовым выходам, входного преобразователя «напряжение u_x - ток» (1), цепь нагрузки (11), включенную между первым (7) источником питания и коллекторами первого (8) и второго (9) выходных транзисторов, связанными с первым (12) и вторым (13) выходами устройства, первый (14) вход канала управления усилением, второй (15) источник питания, связанный со вторым выводом первого источника опорного тока (10) и входным преобразователем «напряжение u_x - ток» (1), отличающийся тем, что между первым входом (34) канала управления усилением и первым выводом первого источника опорного тока (10) введен первый дополнительный резистор (16), а между общей шиной первого (7) и второго (15) источников питания и объединенными базами первого (4) и второго (5) логарифмирующих транзисторов введена температурно- зависимая цепь смещения (17), содержащая два p-n перехода.

2. Управляемый усилитель по п.1, отличающийся тем, что коллекторы первого (4) и второго (5) логарифмирующих транзисторов связаны с первым (7) источником питания.

3. Управляемый усилитель по п.3, отличающийся тем, что коллекторы первого (4) и второго (5) логарифмирующих транзисторов связаны с первым (7) источником питания через вспомогательный двухполюсник (19).