CC BY
52
Быстродействующий аттенюатор для входных цепей аналого-цифровых интерфейсов
Н.Н. Прокопенко, В.В. Суворов, И.В. Пахомов
В устройствах информационно-измерительной техники, связи, автоматики и радиотехники широкое применение находят резистивные делители напряжения - аттенюаторы (АТ) (рис. 1а), обеспечивающие деление (ослабление) входного напряжения (ивх). С повышением частоты ивх в таких АТ возникают существенные погрешности передачи сигнала, обусловленные влиянием паразитного конденсатора цепи нагрузки С0. Снижение этих погрешностей - одна из проблем современной информационно-измерительной техники, которая решается сегодня как за счет схемотехники АТ, так и за счет конструктивных особенностей входных цепей (например, специальных «щупов» СВЧ-вольтметров, осциллографов, антенных систем радиоприемников и т.п.). В СВЧ устройствах [1, 2, 3], параллельных аналого-цифровых преобразователях [4, 5], управляемых активных фильтрах [6,7,8], именно аттенюаторы и входные делители напряжения определяют предельный диапазон частот.
Кроме этого, при импульсном изменении входного напряжения, например, на 2 В, время установления переходного процесса в АТ рис. 1а недопустимо велико, что ограничивает быстродействие аналоговых и аналого-цифровых интерфейсов на его основе [9,10].
а)
б)
Рис. 1. Схемы классического а) и предлагаемого б) аттенюаторов
Рассматриваемое схемотехническое решение аттенюатора рис. 1 б относится к подклассу АТ - устройств, в которых входное сопротивление (Явх) с увеличением частоты не уменьшается до нуля, а принимает значение, определяемое входным резистором Я1, а также емкостью коллектор-база входных транзисторов УТ1, УТ2 (Скб=0,2^0,3 пФ для БЮе транзисторов). Данное ограничение весьма существенно для многих применений АТ в электро-радиотехнических устройствах и системах связи, где уменьшение на высоких частотах Явх недопустимо.
Можно показать, что коэффициент передачи по напряжению аттенюатора рис. 1б не уменьшается с повышением частоты, если
С1+С2=С3=С0. (1)
Это обусловлено эффектом компенсации корректирующими конденсаторами С1=С2 влияния емкости паразитного конденсатора С0=С3 цепи нагрузки на амплитудно-частотную характеристику АТ.
При работе с импульсными сигналами также должно выполняться условие (1). За счет применения разнотипных транзисторов VT1 (р-п-р) и VT2 ( п-р-п) обеспечивается повышение быстродействия при импульсных входных напряжениях разных полярностей.
На рис. 3 представлена схема аттенюатора в среде компьютерного моделирования РБріее на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» при конденсаторе цепи нагрузки С0=2 пф и Я1=10 кОм, Я2=10 кОм.
Рис. 2. Схема предлагаемого аттенюатора в среде компьютерного моделирования РБрюе
На рис. 3 показана зависимость коэффициента передачи по
напряжению АТ от частоты при линейном масштабе по оси «У». Из данного графика следует, что верхняя граничная частота АТ рис. 2 улучшается более чем в 400 раз.
Рис. 3. Частотная зависимость коэффициента передачи по напряжению АТ при разных значениях емкости корректирующих конденсаторов
С1 С2 Ссот
На рис. 4 а, б приведена зависимость выходного напряжения АТ от времени при разных значениях емкости корректирующих конденсаторов С1=С2=Ссот=С уаг для положительного импульса входного напряжения с амплитудой ивх=100 мВ. Из данных графиков следует, что время установления переходного процесса в схеме рис. 2 улучшается более чем в 200 раз.
а)
Время, НС
б)
Рис. 4. Временная зависимость выходного напряжения АТ при разных значениях емкости корректирующих конденсаторов для положительного импульса входного напряжения в мелком а) и в увеличенном б) масштабах
На рис. 5 а, б приведена зависимость выходного напряжения АТ рис. 2 от времени при разных значениях емкости корректирующего конденсатора С1=С2=ССОт=Суаг для отрицательного входного импульса ивх=-100 мВ.
Увых, мВ Увых, мВ
Время, не
а)
Время, не
Рис. 5. Временная зависимость выходного напряжения АТ при разных значениях емкости корректирующих конденсаторов для отрицательного входного импульса в мелком а) и в увеличенном б) масштабах
Выводы
Полученные результаты компьютерного моделирования позволяют сделать следующие выводы:
1. Для выбранных транзисторов верхняя граничная частота коэффициента передачи предлагаемого аттенюатора увеличивается более чем в 400 раз.
2. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения схемы АТ рис. 2 для импульсных сигналов большой амплитуды возрастает более чем в 200 раз.
3. Входное сопротивление предлагаемого АТ не уменьшается в широком диапазоне частот и для выбранных параметров схемы удовлетворяет условию Rbx>R1=10 кОм.
Таким образом, рассмотренный аттенюатор характеризуется существенными преимуществами по быстродействию и широкополосности, что позволяет рекомендовать его для входных цепей быстродействующих аналоговых и аналогово-цифровых интерфейсов различного назначения.
Литература:
1. Пустовалов А.И. Двухканальное приемное устройство СВЧ диапазона
[Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2010 г, №3. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2010/195 (доступ
свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
2. David Rodney White, Keith Jones; High accuracy four-terminal standard resistor for use in electrical metrology: patent USA №5.867.018, Industrial Research Limited, Inc. Filing: Nov 18, 1996, Issue: Feb 2, 1999
3. Masao Arimoto; Attenuator having phase between input and output signals independent of attenuation: patent USA №5.363.070, Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha: Inc. Filing: Dec 8, 1993, Issue: Nov8, 1994
4. Y.Borokhovych. 4-bit, 16 GS/s ADC with new Parallel Reference Network / Y.Borokhovych, H. Gustat, C.Scheytt // COMCAS 2009 - 2009 IEEE
International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems
5. 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
6. П.С.Будяков, С.С.Белич, Е.А.Семенищев, С.В.Федосеев, Д.В.Медведев,
А.И.Серебряков Управляемые избирательные усилители СВЧ диапазона [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012 г, №4. - Режим доступа: http: //www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p 1y2012/1059 (доступ
свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
7. Krutchinsky S., Prokopenko N. High- Frequency Sections of Active Filters
of Mixed-Signal SoC Based on Current Amplifiers // SRN Electronics. - Volume 2012 (2012), Article ID 319896, 6 pages, doi:10.5402/2012/319896,
http://www.isrn.com/journals/electronics/2012/319896/
8. Прокопенко Н.Н., Крутчинский С.Г., Будяков П.С. [и др.]. Полосовые фильтры СВЧ- и КВЧ-диапазонов // Известия вузов. Северокавказский регион. Технические науки. - 2012. - №5. - С. 35-39.
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. - Moscau, 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
