Широкополосный дифференциальный аттенюатор с изменяющимся коэффициентом передачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Широкополосный дифференциальный аттенюатор с изменяющимся коэффициентом передачи

Н.Н. Прокопенко, Н.В. Бутырлагин, И.В. Пахомов

Дифференциальные структуры имеют ряд преимуществ в сравнении с недифференциальными устройствами обработки сигналов. В информационно-измерительной технике, связи и автоматике находят применение резистивные делители входных напряжений - аттенюаторы (АТ), обеспечивающие заданное деление (ослабление) входного[1-4], в том числе дифференциального[5-7] сигналов.

В классических схемах дифференциальных АТ (рис.1) [5-7] при изменении сопротивлений резисторов R₁ (R₃) и R₂ (R₄) возникают существенные погрешности передачи, обусловленные влиянием паразитных конденсаторов С₀₁, С₀₂, которые образуются, например, в параллельных дифференциальных АЦП входными ёмкостями компараторов[8], или дифференциальных каскадов быстродействующих операционных усилителей[9-10]

дифференциальный сигнал напряжение аттенюатор

Рис.1. - Схема классического дифференциального АТ с цепью широкополосной коррекции амплитудно-частотной характеристики

Для расширения диапазона рабочих частот необходимо выполнение условий:

С_к1R₁=C₀₁R₂, (1)

C_к2R₃=C₀₂R₄, (2)

где C_к1, C_к2, C₀₁, C₀₂, R_1, R₂, R_3, R₄ - соответствующие емкости и сопротивления резисторов схемы рис. 1.

Снижение частотных погрешностей - одна из проблем современной информационно-измерительной техники, которая для переменных АТ (рис.1) решается за счет специальной процедуры настройки условий (1-2) при каждом новом значении R₂ и R₄. Это объясняется разбалансировкой условий широкополосной частотной коррекции АТ, которая сводится к строгому обеспечению равенств (1-2).

В предлагаемом АТ (рис. 2) [11] сохраняются высокие значения верхней граничной частоты, причём коэффициенты передачи K₀₁, K₀₂ могут изменяться в более широких пределах за счет изменения сопротивлений резисторов, образующих его структуру:

, (3)

, (4)

Рис. 2. - Схема широкополосного дифференциального АТ

На практике электронное управление коэффициентами передачи K₀₁, K₀₂ осуществляется использованием вместо резисторов R₂ и R₄ управляемых по затвору идентичных полевых транзисторов или специальных цифро-управляемых импедансов.

Комплекс выходного напряжения АТ для первого выхода (Вых.1):

,(5)

где - коэффициент передачи АТ в диапазоне низких частот (3);

;

- комплексный коэффициент асимметрии АТ;

- комплексный коэффициент передачи по току инвертирующего усилителя тока УТ1.

Из (5) следует, коэффициент передачи АТ , при не будет зависеть от частоты входных сигналов, если сомножитель при в уравнении (5) будет равен нулю, т.е. когда

.(6)

Таким образом, для существенного расширения диапазона рабочих частот АТ рис. 2 необходимо, чтобы при С_к1=С_к2 выполнялось условие

. (7)

Так, например, при K_i1=2 ёмкость цепи коррекции С_к2=С₀₁.

Аналогичные требования предъявляются к конденсаторам С₀₂ и С_к1, а также усилителю тока УТ2.

Замечательная особенность АТ (рис.2) состоит в том, что при выполнении условия (7) его верхняя граничная частота (по уровню -3дБ) слабо зависит от сопротивлений резисторов R₁ и R₂:

. (8)

Можно показать, что при этом сохраняется устойчивость АТ, передаточная функция которого при введении цепей коррекции УТ1, УТ2 и С_к1=С_к2 ?С₀₁=С₀₂ имеет вид апериодического звена первого порядка. Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования.

На рис. 3 представлена схема предлагаемого АТ рис. 2 в среде компьютерного моделирования PSpice.

Рис. 3. - Схема АТ в среде компьютерного моделирования PSpice

На рис. 4 приведена частотная зависимость дифференциального коэффициента передачи (K_d) АТ (рис. 3) при различных значениях емкостей корректирующих конденсаторов С_к1=С_к2 и R₁=R₂=R₃=R₄=10кОм. Из данного графика следует, что при С_к1 = С_к2 =1,99 пФ диапазон рабочих частот существенно расширяется.

Рис. 4. - Частотная зависимость K_d при разных значениях С_к = С_к1 = С_к2 и R_i=10кОм(i=1..4)

На рис. 5 приведены результаты компьютерного моделирования частотной зависимости K_d АТ рис. 3 при различных значениях сопротивлений резисторов R₂ и R₄, (R₁=R₃=10кОм, С_к1 = С_к2 =1,9 пФ). Из данного графика следует, что при переменных R₂ и R₄ диапазон рабочих частот АТ (рис. 3), в отличие от АТ (рис.1), изменяется незначительно.

Рис. 5. - Частотная зависимость K_d при разных значениях сопротивлений резисторов R₂ и R₄

Выполненный выше анализ, а также результаты исследований показывают, что в схеме АТ рис. 2 решена одна из проблем современной аналоговой микросхемотехники - расширение частотного диапазона переменных дифференциальных аттенюаторов, являющихся базовым узлом различных аналоговых[10, 12-13] и аналого-цифровых преобразователей[8].

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках гранта 14.132.21.1685 "Разработка и исследование нового поколения системно интегрируемых СВЧ аналоговых микросхем с парафазным выходом для обработки сигналов сенсоров ВЧ и СВЧ диапазонов в изделиях микросистемной техники".

Литература

1. Н.Н. Прокопенко, В.В. Суворов, И.В. Пахомов, Быстродействующий аттенюатор для входных цепей аналого-цифровых интерфейсов [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013 г, №1. - Режим доступа: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_110_prokopenko.pdf_1580.pdf (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

2. R. Kaunisto, P. Korpi, J. Kiraly, and K. Halonen, «A linear-control wide-band CMOS attenuator,» in ISCAS 2001. The 2001 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (Cat. No.01CH37196), 2001, vol. 4, pp. 458-461.

3. G. Xing, W. Zhang, H. Xie, C. Ding, Z. Guo, Z. Lu, and Y. Zhang, «A flat gain and higher linearity UWB active variable attenuator,» in 2012 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), 2012, vol. 5, pp. 1-3.

4. B.-W. Min and G. M. Rebeiz, «A 10-50-GHz CMOS Distributed Step Attenuator With Low Loss and Low Phase Imbalance,» IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, no. 11, pp. 2547-2554, Nov. 2007.

5. Richard A. Van Epps, Ira G. Pollock; Differential termination and attenuator network for a measurement probe having an automated common mode termination voltage generator; patent US № 7.162.375, William K. Butcher Tektronix, Inc. Filing: Feb 4, 2005 Issue: Aug 10, 2006

6. Brian Anthony Moane, Colm Patrick Ronan, John Towmey; Voltage level shifting circuit, a differential input stage circuit, and a method for providing a level shifted differential signal to a differential input buffer circuit; patent US № 2008/0024222; Wolf Greenfield & Sacks, P.C. Filing: Jul 27, 2006 Issue: Jan 31, 2008

7. Ira G. Pollock, William A. Hagerup, Paul G. Chastain, William Q. Law; Wide bandwidth attenuator input circuit for a measurement probe; patent US № 7.256.575; William K. Butcher Tektronix, Inc. Filing: May 6, 2005 Issue: Dec 21, 2006

8. Серебряков А.И. Метод повышения быстродействия параллельных АЦП / А.И. Серебряков, Е.Б. Борохович // Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА: Материалы научно-технической конференции. - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 2012. - С. 150-155

9. Prokopenko N. N., Budyakov A. S. Architecture of high-speed operational amplifiers with nonlinear correction // 2st IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communication. - Moscow, Russia, June, 2004.

10. Budyakov A., Schmalz K., Scheytt C., Prokopenko N., Ostrovskyy P. Design of Bipolar Differential OpAmps with Unity Gain Bandwidth up to 23 GHz // Proceeding of the 4-th European Conference on Circuits and Systems for Communications - ECCSC'08 / Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008. - рр. 50-53

11. Широкополосный дифференциальный аттенюатор: заявка на патент РФ; МПК: H03H 7/24, A61B, G01R 31/02, H01P 1/22, H03K 5/08, H03L 5/00, G05F 3/00, H01H 47/00, H03G 3/20 / Н.Н. Прокопенко, Н.В. Бутырлагин, И.В. Пахомов, В.В. Суворов. - №2013127496/08; Заявл. 17.06.13

12. Н.Н. Прокопенко, С.Г. Крутчинский, В.Г. Манжула, А.С. Исанин, Радиационно-стойкий измерительный усилитель на базе мультидифференциальных входных каскадов [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012 г, №3. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1045 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

13. О.В. Дворников, В.А. Чеховский, В.Л. Дятлов, Н.Н. Прокопенко, Е.И. Старченко, Микросхема многоканального операционного усилителя и электрометрического повторителя на радиационно-стойком базовом матричном кристалле «АБМК-1.3» [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013 г, №1. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1557 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

Размещено на Allbest.ru