CC BY
55
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 Я1 (Я3) и (Я4) 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]
Ск1
Рис.1. - Схема классического дифференциального АТ с цепью широкополосной коррекции амплитудно-частотной характеристики
Для расширения диапазона рабочих частот необходимо выполнение условий:
Ск1Я1=С01Я2, (1)
Ск2^3=Со2^4, (2)
где Ск1, Ск2, С01, С02, Я1; Я2, Я3, Я4 - 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 Я2 и Я4. 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 К01, К02 могут изменяться в более широких пределах за счет изменения сопротивлений резисторов, образующих его структуру:
К 01 =
К 02 =
Я,
и
+ ) и вх.\ '
Rл
и=
(^ + ^ ) ив
(3)
(4)
ВхЛ Я1
Вх2
■а яз
Вых2
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):
Úвых 1 =-—-—-Úвх 1, (5)
' 1 + j®R12 [С01 + СК1 - КасКпСк2 ] ■
где К01 - коэффициент передачи АТ в диапазоне низких частот (3);
Ri 2 = RiR2/ri + r2;
Kac = ÚebK 2 / ÚJeblx 1«1 - комплексный коэффициент асимметрии АТ;
Кц = Кп - комплексный коэффициент передачи по току инвертирующего
усилителя тока УТ1.
Из (5) следует, коэффициент передачи АТ КП1 = ÚebK 1 / Úex 1, при Кас = 1 не будет зависеть от частоты входных сигналов, если сомножитель при jro в уравнении (5) будет равен нулю, т.е. когда
Coi + Ск1 = КПСК 2. (6)
Таким образом, для существенного расширения диапазона рабочих частот АТ рис. 2 необходимо, чтобы при Ск=Ск2 выполнялось условие
С
'к2 _ 1
С 01 = К11 -1
(7)
Так, например, при K¡1=2 ёмкость цепи коррекции Ск2=С01.
Аналогичные требования предъявляются к конденсаторам С02 и Ск1, 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:
fe =-1-■ (8)
в 2R [С01 + Ск1 - КцСк2 ] W
Можно показать, что при этом сохраняется устойчивость АТ, передаточная функция которого при введении цепей коррекции УТ1, УТ2 и Ск1=Ск2
<Со1=Со2 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 РБрюе.
Рис. 3. - Схема АТ в среде компьютерного моделирования РБрюе
На рис. 4 приведена частотная зависимость дифференциального коэффициента передачи (К) АТ (рис. 3) при различных значениях емкостей корректирующих конденсаторов Ск1=Ск2 и К1=К2=Я3=Я4=10кОм. Из данного графика следует, что при Ск1 = Ск2 =1,99 пФ диапазон рабочих частот существенно расширяется.
Частота, Гц
Рис. 4. - Частотная зависимость Ка при разных значениях Ск = Ск1 = Ск2 и ^г=10кОм(/=1..4)
На рис. 5 приведены результаты компьютерного моделирования частотной зависимости Ка АТ рис. 3 при различных значениях сопротивлений резисторов Я2 и Я4, (^1=^3=10к0м, Ск1 = Ск2 =1,9 пФ). Из данного графика следует, что при переменных Я2 и Я4 диапазон рабочих частот АТ (рис. 3), в отличие от АТ (рис.1), изменяется незначительно.
0.5-,
& 52
с ^
Ё 1
<и Л
* I
О
8 С
0.4
0.3-
0.3-
0.1 -.
0
100103
Р2=Р4=10к0м, Гв=323,5МГц
4 , Р2=Р4=5кОм, Гв=485,5МГц
Р2=Р4=1 кОм, Гв=1,57ГГц
1106 10106 100- 1 06 1109 Частота, Гц
10109 100 109
Рис. 5. - Частотная зависимость Ка при разных значениях сопротивлений резисторов Я2 и Я4
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 SolidState 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.
