Результат интеллектуальной деятельности: ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ АТТЕНЮАТОР

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 C₀ 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 4837530, US 4839611 fig.2, US 7477085, EP 2337.219 fig.2] и параллельных АЦП [патенты US 8076995 fig.1, 2, 7394420 fig.2, 7253700 fig.1, 5231399 fig.2, 6437724, патентные заявки US 2007/0176664 fig.5, 2008/0036536 fig.43, патенты US 5307067 fig.3, 7248192 fig.5].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является дифференциальный резистивный делитель напряжения фиг.1, представленный в патентной заявке фирмы Analog Devices US 2008/0024222. 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 корректирующий конденсатор 7, 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, K₀₂) 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_кm - 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 K₀₁=R₄/(R₄+R₃), K₀₂=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 корректирующий конденсатор 7, 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 соединен со вторым 9 противофазным выходом устройства через последовательно соединенные первый 7 корректирующий конденсатор и первый 14 дополнительный инвертирующий усилитель тока, а второй 9 противофазный выход устройства соединен с первым 2 выходом устройства через последовательно соединенные второй 13 корректирующий конденсатор и второй 15 дополнительный инвертирующий усилитель тока.

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 представлена схема заявляемого устройства фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice.

На чертеже фиг.4 приведены результаты компьютерного моделирования частотной зависимости дифференциального коэффициента передачи AT фиг.3 при разных значениях емкостей первого 7 и второго 13 корректирующих конденсаторов. Из данного графика видно, что при значении емкостей C_к1=C_к2=1,9 пФ (C₇=C₁₃=1,9 пФ фиг.2) диапазон рабочих частот AT фиг.3 увеличивается почти в 200 раз.

Широкополосный дифференциальный аттенюатор 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 корректирующий конденсатор 7, 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 соединен со вторым 9 противофазным выходом устройства через последовательно соединенные первый 7 корректирующий конденсатор и первый 14 дополнительный инвертирующий усилитель тока, а второй 9 противофазный выход устройства соединен с первым 2 выходом устройства через последовательно соединенные второй 13 корректирующий конденсатор и второй 15 дополнительный инвертирующий усилитель тока.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 14 и второй 15 дополнительные неинвертирующие усилители тока имеют коэффициенты передачи по току K_i=K_i15=K_i14 больше единицы (K_i>1), низкое входное и высокое выходное сопротивления, а емкости первого 7 и второго 13 корректирующих конденсаторов удовлетворяют условию

.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.

Комплекс выходного напряжения AT для первого 2 выхода

где K₀=R₄/(R₄+R₃) - коэффициент передачи AT в диапазоне низких частот;

R_3.4=R₃R₄/(R₃+R₄);

- комплексный коэффициент асимметрии AT по выходам;

- комплексный коэффициент передачи по току второго 15 дополнительного инвертирующего усилителя тока.

Из (1) следует, коэффициент передачи AT не будет зависеть от частоты входных сигналов, если сомножитель jω в уравнении (1) будет равен нулю, т.е.

Таким образом, для существенного расширения диапазона рабочих частот AT фиг.2 необходимо, чтобы при C₁₃=C₇ выполнялось условие:

Так, например, при K_i15=2 должно быть C₁₃=C₆=C₇.

Аналогичные требования предъявляются к конденсаторам 12 и 7, а также усилителю тока 14.

Замечательная особенность заявляемого AT состоит в том, что условие существенного расширения диапазона рабочих частот (2) не зависит от сопротивлений резисторов схемы.

Действительно, верхняя граничная частота AT (по уровню - 3 дБ) слабо зависит от сопротивлений резисторов 3 и 4, если выполняется условие (3):

Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.4).

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 5043675 fig.3.

2. Патентная заявка US 2008/0024222.

3. Патент EP 2273677 fig.4.

4. Патент US 7162375 fig.1.