Результат интеллектуальной деятельности: ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ АТТЕНЮАТОР С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РАБОЧИХ ЧАСТОТ

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, электротехники, радиотехники, связи и может использоваться в структуре различных интерфейсов, радиоизмерительных приборах, быстродействующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и т.п.

Известно, что дифференциальные структуры имеют ряд преимуществ в сравнении с недифференциальными устройствами обработки сигналов. В этой связи в информационно-измерительной технике, связи, автоматике и радиотехнике находят применение дифференциальные резистивные делители двух противофазных (u_вх и ) входных напряжений - аттенюаторы (AT), обеспечивающие заданное деление (ослабление) входных противофазных сигналов (u_вх.1, ) [1-4]. В переменных аттенюаторах с повышением частоты u_вх.1=u_вх.2 возникают существенные погрешности передачи, обусловленные влиянием паразитных конденсаторов С₀ дифференциальной цепи нагрузки, которая образуется, например, в параллельных АЦП входными емкостями компараторов. Снижение этих погрешностей - одна из проблем современной информационно-измерительной техники, которая решается сегодня как за счет схемотехники AT, так и за счет конструктивных особенностей входных цепей (например, специальных «щупов» СВЧ-вольтметров, осциллографов, антенных систем радиоприемников и т.п.).

В связи с достаточно широким применением резистивных аттенюаторов в различных областях техники они присутствуют в различных классах МПК (H03H 7/24, A61B, G01R 31/02, H01P 1/22, H03K 5/08, H03L 5/00, G01R 27/00, G05F 3/00, H01H 47/00, H03G 3/20).

Предлагаемое схемотехническое решение относится к подклассу аттенюаторов, в которых коэффициент передачи может изменяться в широких пределах за счет изменения сопротивлений резисторов, образующих его структуру. Такие задачи характерны при проектировании цифроуправляемых аттенюаторов [патенты US 4.837.530, US 4.839.61 1 fig.2, US 7.477.085, EP 2.337.219 fig. 2] и параллельных АЦП [патенты US 8.076.995 fig. 1, 2, 7.394.420 fig.2, 7.253.700 fig. 1, 5.231.399 fig.2, 6.437.724, патентные заявки US 2007/0176664 fig. 5, 2008/0036536 fig. 43, патенты US 5.307.067 fig.3, 7.248.192 fig.5].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является резистивный делитель напряжения (аттенюатор) фиг.1, представленный в патенте US 7.162.375 fig. 1. Он имеет первый 1 вход и первый 2 выход устройства, между которыми включен первый 3 резистор, второй 4 резистор, включенный по переменному току между первым 2 выходом устройства и общей шиной 5, первый 6 конденсатор нагрузки, включенный параллельно второму 4 резистору, первый 7 корректирующий конденсатор, второй 8 противофазный вход и второй 9 противофазный выход, между которыми включен третий 10 резистор, четвертый 11 резистор, включенный по переменному току между вторым 9 противофазным выходом и общей шиной 5, второй 12 конденсатор нагрузки, включенный параллельно четвертому 11 резистору, второй 13 корректирующий конденсатор.

Существенный недостаток аттенюатора-прототипа (фиг.1) состоит в том, что при переменных коэффициентах передачи AT (K₀₁, К₀₂) с повышением частоты входного сигнала его дифференциальный коэффициент передачи существенно уменьшается из-за шунтирующего влияния эквивалентной емкости первого 6 и второго 12 конденсаторов цепи нагрузки. Это объясняется разбалансировкой условий классической частотной коррекции AT, которая сводится к строгому обеспечению равенств C₇R₃=C₆R₄, C₁₃R₁₀=C₁₂R₁₁, где C_ij, R_km - соответствующие емкости и сопротивления резисторов схемы фиг.1.

На практике изменение K₀₁, K₀₂ осуществляется использованием, например, вместо резисторов 4 и 11 управляемых по затвору идентичных полевых транзисторов или других цифроуправляемых импедансов.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот устройства и повышении его быстродействия при работе с импульсными противофазными сигналами большой амплитуды. Причем достижение данных качественных показателей обеспечивается в широком диапазоне изменения коэффициентов передачи секций AT (K₀), которые определяются отношениями сопротивлений резисторов К₀₁=R₄/(R₄+R₃), К₀₂=R₁₁/(R₁₁+R₁₀).

Поставленная задача достигается тем, что в аттенюаторе фиг.1, содержащем первый 1 вход и первый 2 выход устройства, между которыми включен первый 3 резистор, второй 4 резистор, включенный по переменному току между первым 2 выходом устройства и общей шиной 5, первый 6 конденсатор нагрузки, включенный параллельно второму 4 резистору, первый 7 корректирующий конденсатор, второй 8 противофазный вход и второй 9 противофазный выход, между которыми включен третий 10 резистор, четвертый 11 резистор, включенный по переменному току между вторым 9 противофазным выходом и общей шиной 5, второй 12 конденсатор нагрузки, включенный параллельно четвертому 11 резистору, второй 13 корректирующий конденсатор, предусмотрены новые элементы и связи - первый 2 выход устройства связан со входом 14 первого 15 дополнительного неинвертирующего усилителя тока через первый 7 корректирующий конденсатор, причем токовый выход первого 15 дополнительного неинвертирующего усилителя тока соединен с первым 2 выходом устройства, а второй 9 противофазный выход устройства связан со входом 16 второго 17 дополнительного неинвертирующего усилителя тока через второй 13 корректирующий конденсатор, причем токовый выход второго 17 дополнительного неинвертирующего усилителя тока соединен со вторым 9 противофазным выходом устройства.

На чертеже фиг.1 приведена схема аттенюатора - прототипа.

На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.3 приведена схема аттенюатора фиг.2 в структуре АЦП в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов (транзисторы SiGe: npn 200-n; техпроцесса SG25H1, IHP, Ik.max=4 мА. A high-performance 0.25 µm technology with npn-HBTs up to f_Т/f_max=180/220 GHz).

На чертеже фиг.4 показана логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента передачи аттенюатора фиг.3.

Дифференциальный аттенюатор с расширенным диапазоном рабочих частот фиг.2 содержит первый 1 вход и первый 2 выход устройства, между которыми включен первый 3 резистор, второй 4 резистор, включенный по переменному току между первым 2 выходом устройства и общей шиной 5, первый 6 конденсатор нагрузки, включенный параллельно второму 4 резистору, первый 7 корректирующий конденсатор, второй 8 противофазный вход и второй 9 противофазный выход, между которыми включен третий 10 резистор, четвертый 11 резистор, включенный по переменному току между вторым 9 противофазным выходом и общей шиной 5, второй 12 конденсатор нагрузки, включенный параллельно четвертому 11 резистору, второй 13 корректирующий конденсатор. Первый 2 выход устройства связан со входом 14 первого 15 дополнительного неинвертирующего усилителя тока через первый 7 корректирующий конденсатор, причем токовый выход первого 15 дополнительного неинвертирующего усилителя тока соединен с первым 2 выходом устройства, а второй 9 противофазный выход устройства связан со входом 16 второго 17 дополнительного неинвертирующего усилителя тока через второй 13 корректирующий конденсатор, причем токовый выход второго 17 дополнительного неинвертирующего усилителя тока соединен со вторым 9 противофазным выходом устройства.

Дополнительные усилители тока 15 и 17 согласованы в частном случае с отрицательным источником питания 18. Выходные сигналы AT (фиг.2) поступают для дальнейшей обработки на разностный усилитель 19.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 15 и второй 17 дополнительные неинвертирующие усилители тока имеют коэффициенты передачи по току больше единицы, низкое входное и высокое выходное сопротивления, а емкости конденсаторов 6, 12, 7 и 13 удовлетворяют условиям

где K_i15=K_i17 - коэффициенты передачи по току первого 15 и второго 17 дополнительных неинвертирующих усилителей тока.

Рассмотрим работу устройства (фиг.2).

Комплексный коэффициент передачи AT (фиг.2) в комплексной форме для первого 2 выхода определяется уравнением

где R_3.4=R₃R₄/(R₃+R₄);

K01=R₄/(R₄+R₃);

C₆, C₇ - емкости конденсаторов 6 и 7;

K_i15 - коэффициент передачи по току дополнительного усилителя тока 15.

Из уравнения (1) можно найти, что при выполнении условия

коэффициент передачи AT (1) не зависит от частоты входного сигнала. Аналогичными свойствами обладает и коэффициент передачи AT для второго 9 выхода.

Таким образом, заявляемая схема AT характеризуется более широким диапазоном рабочих частот, который при выполнении равенства (2) и C₇=C₁₃, C₆=C₁₂ не зависит от сопротивлений резисторов 4 и 11. Данное свойство AT (фиг.2) позволяет использовать вместо резисторов 4 и 11, например, полевые транзисторы с управляемым по затвору их сопротивлением сток-исток.

Из графиков фиг.4 в частности следует, что диапазон рабочих частот предлагаемого аттенюатора расширяется до 13,6 ГГц, в то время как верхняя граничная частота классического аттенюатора, когда C_k=C₇=C₁₃=0 (по уровню - 3дБ), имеет значение 1,9 ГГц.

Моделирование показывает, что при изменении сопротивления резисторов 4 (R4) и 11 (R11) в 10 раз верхняя граничная частота коэффициента передачи заявляемого аттенюатора практически не изменяется.

Выполненный выше анализ, а также результаты компьютерного моделирования показывают, что в схеме фиг.2 решена одна из проблем современной аналоговой микросхемотехники - расширение частотного диапазона и повышение быстродействия дифференциальных аттенюаторов сигналов, являющихся базовым узлом аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 5.043.675, fig. 3.

2. Патентная заявка US 2008/0024222.

3. Патент EP 2273677, fig. 4.

4. Патент US 7.162.375, fig. 1.