Дипломная работа: Аналоговые перемножители и напряжения
если фазовый сдвиг j достаточно мал.
В этом случае погрешность выделения фазы пропорциональна фазовому сдвигу между каналами. Например, при j = 1о погрешность, отнесенная к максимальному выходному напряжению, составит 1,74 % [3]. Справедливым оказывается и обратное утверждение – погрешность линейности перемножителя порождает дополнительное постоянное напряжение на выходе, которое эквивалентно фазовой погрешности. В лучших зарубежных образцах АП [17, 18] рассогласование фаз между каналами нормируется на частоте 3,58 МГц и составляет 0,2о. В общем случае рассогласование фазочастотных характеристик (ФЧХ) каналов начинает существенно увеличиваться вблизи частоты среза. Коррекцию ФЧХ можно осуществить двумя способами – введением запаздывания в одном из каналов или опережения – в другом. Вводить запаздывание целесообразно в том случае, если частоты среза в каналах отличаются несущественно, чтобы общая полоса пропускания АП изменилась незначительно.
Рис. 5.7. Принципиальная электрическая схема низковольтного АП
на основе элементной базы АБМК НПО «Интеграл»
Таблица 5.1
Характеристики аналоговых перемножителей
Характеристики |
Типы аналоговых перемножителей напряжения (производитель) |
|||||
AD632А(AD) |
AD835AN/AR(AD) |
AD834J(AD) |
525ПС1 (RUS) |
Рис. 5.1 (Пульсар) |
Рис. 5.4 (Интеграл) |
|
Коэффициент передачи |
мА |
мА |
мА |
|||
Ошибка перемножения, % |
±1 (Х и У <10 В) |
– |
±0,5 (Х и У <1 В) |
±1 | ±0,01 | ±0,008 |
Нелинейность по каналу Х, % |
±0,4 (Х=20 мВ, У=10 В) |
±0,3 (Х=±1В, У=1 В) |
±0,5 | – | ±0,015 | ±0,01 |
Нелинейность по каналу У, % |
±0,2 (У=20 мВ, Х=10 В) |
±0,1 (У=±1В, Х=1 В) |
±0,5 | – | ±0,015 | ±0,01 |
Прямое прохождение, f=50 Гц, Х=0 (Y=0), дБ, Y=1 В (Х=1 В) |
-80 дБ (-50 дБ) |
-46 (-60) |
0,2 % (0,1 %) (от масштабной шкалы вых. тока) |
-46 (-46) |
-76 дБ (-50 дБ) |
-80 дБ (-60 дБ) |
Полоса пропускания (-3дБ), МГц |
1 | 250 |
500 (в режиме удвоителя частоты |
1 | 1000 | 320 |
Разность фаз между каналами X и У, не более, град (в полосе частот) |
– |
0,2 (на частоте 3,58 МГц) |
– | – | – |
±0,1 (до частоты 100 МГц) |
Скорость нарастания, В/мкс | 20 | 1000 | – | – | – | 600 |
Подавление несущей в режиме балансного смесителя, дБ (частота несущей) |
– |
-70 (10 МГц) -40 (50 МГц) |
-70 (10 МГц) -50 (100 МГц) |
-46 |
-70 (10 МГц) -50 (100 МГц) |
-70 (10 МГц) -50 (100 МГц) |
Спектральная плотность шума, нВ/Ö`Гц | 800 | 50 | 16 | – | 20 | 12 |
Максимальное выходное напряжение, В | ± 11 |
Макс. вых. ток 7,5 мА |
Макс. вых. ток 8,4 мА |
– | ±10 | Макс. вых. ток 4 мА |
Выходное сопротивление, Ом | 0,1 | – | – | 30 | – | |
Максимальное входное напряжение (при заданной линейности), В |
±10 | ±1,4 | ±1,3 | ±10 | ±10 | ±1 |
Входной ток, мкА | 0,8 | 10 | 45 | – | 40 | 30 |
Разность входных токов, мкА |
0,1 | 2 | – | – | 2 | 1 |
Входное сопротивление, МОм | 10 | 0,1 | 0,025 | 0,02 | 0,02 | 0,025 |
Напряжение питания, В |
± 15 | ±5 | ± 4 ¸ ± 9 | ±15 | ±15 | ±5 |
Потребляемый ток, мА | 4 | 16 |
11 от +Епит 28 от -Епит |
5,6 | 18 | 16 |
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. Статистичекие 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 отрицательной полярности
– для положительной полярности
.
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.
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.
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.