CC BY
12Метод расширения полосы пропускания усилителей.
Рис.1. Каскад с переменным КУ: а - усилитель с диодной нагрузкой; б - схема СОС
Изменение управляющего тока, вытекающего из выходного узла каскада, вызывает смещение рабочей точки на выходе усилителя. Это приводит к изменению крутизны транзисторов М4, М5 и протекающего через них тока. Так как транзистор M2 имеет малое значение проводимости сток-исток, получившийся сдвиг рабочий точки будет мало влиять на величину протекающего через него тока. Таким образом, отношение крутизны входного и нагрузного транзистора, от которого зависит КУ, изменяется в пределах от 1,21 до 2,57. Увеличение диапазона перестройки КУ возможно с использованием схемы СОС [7] (рис.1,б) .
Зависимость характеристик каскада, включающего схему СОС, от управляющего тока. Небольшое рассогласование токов в выходном каскаде может привести к смещению рабочей точки усилителя, что позволяет использовать схему СОС для расширения диапазона КУ. Схему усилителя с диодной нагрузкой (см. рис.1,а) совместим со схемой СОС (см. рис.1,б). При увеличении вытекающего из выходного узла управляющего тока понижается синфазный потенциал в выходном узле. Это приводит к понижению напряжения смещения, подаваемого на затвор транзистора-источника тока Mi, также увеличивается ток, текущий через M4. В результате понижается крутизна транзистора M2.
Архитектура усилителя с переменным КУ. Усилитель с переменным КУ состоит из трех последовательно включенных каскадов (рис.2). Два из них обеспечивают изменение коэффициента усиления в широком диапазоне, а последний каскад - симметричное распределение КУ усилителя относительно 0 дБ и имеет фиксированный КУ (~20 дБ). Это уменьшает влияние эффекта Миллера, ограничивающего полосу пропускания второго каскада из-за дополнительной емкостной нагрузки, образованной паразитной емкостью затвор-исток. КУ каскадов управляется напряжением Vc, подаваемым на транзисторы-источники тока Mi4, M2i, M23, M30, и напряжением Vb на транзисторах-ограничителях тока Mi3, M20, M22, M29.
Методы расширения полосы пропускания усилителя с переменным КУ. Каждый из каскадов с переменным КУ имеет малое выходное сопротивление за счет диодного включения нагрузочного транзистора. Кроме того, размеры транзисторов каскада невелики, что обеспечивает широкую полосу пропускания таких каскадов не менее 2,8 ГГц. При последовательном включении каскадов с переменным КУ к емкостной нагрузке на выходе каждого каскада добавляется паразитная емкость затвора входного транзистора последующего каскада. Полоса пропускания одного каскада составляет 2,79 ГГц, двух каскадов - 1,33 ГГц, трехкаскадного усилителя - 600 МГц.
Е.О. Белоусов, А.Г. Тимошенко
Рис. 2. Электрическая схема трехкаскадного усилителя с переменным коэффициентом усиления
Методы расширения полосы пропускания путем добавления в схему резонансных контуров позволяют увеличить полосу пропускания до 1,8 раз [8], тогда как в радиоканале, организованном согласно стандарту ЕСС/ЯЕС/(05)07 [9], полоса сигнала может превышать 2 ГГц. Одним из способов достичь достаточной полосы пропускания для работы с подобным широкополосным сигналом является использование параллельно включенных усилителей, полосы пропускания которых сдвинуты относительно друг друга путем добавления соответствующих индуктивностей в выходные узлы каждого каскада (рис.3).
Рис. 3. Способ увеличения полосы пропускания усилителей
Коэффициент передачи каскада становится больше единицы только в окрестностях резонансной частоты контура, образованного индуктивностью Ь и паразитной емкостью Ср1 в выходном узле каждого каскада. Каждый из параллельно включенных усилителей УОЛ^ (см. рис.2) становится узкополосным.
Результаты моделирований. График зависимости коэффициента передачи и полосы пропускания от управляющего напряжения показан на рис.4. Коэффициент усиления схемы варьируется в пределах от -44 до 40 дБ, при этом полоса по уровню -3 дБ изменяется в пределах от 600 МГц до 1,8 ГГц, потребляемая мощность равна 8,1 мВт. Усилители с такой полосой пропускания могут применяться в составе СВЧ-приемника для сетей миллиметрового диапазона длин волн [9]. Дальнейшее увеличение полосы пропускания с использованием данных методов приведет к увеличению нелинейности коэффициента усиления более чем на 1 дБ и к возникновению пика фактора на выходе приемника. Искажение сигнала, ограниченного по пиковому уровню, приведет к невозможности определения амплитудно-фазового мгновенного положения сигнала, что вызовет ошибку в выходном потоке данных. Для увеличения полосы пропускания усилителя необходимо использовать другие методы и технологии.
Метод расширения полосы пропускания усилителей...
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Управляющее напряжение, В
Рис.4. Зависимость коэффициента передачи и полосы пропускания от управляющего напряжения схемы на основе СОС
Разработанный по КМДП-технологии с проектными нормами 0,18 мкм усилитель имеет большой диапазон перестройки КУ (от -44 до 40 дБ), широкую полосу пропускания (от 0,6 до 1,6 ГГц) и малую потребляемую мощность (8,1 мВт) при напряжении питания 1,8 В. Для достижения большого диапазона перестройки КУ в каждый каскад добавлена схема СОС. Усилитель состоит из четырех каскадов, включая входной каскад, обеспечивающий согласование импеданса.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы» (ГК№ 14.514.11.4072).
Литература
1. Zheng Y., Yan J., Xu Y. A CMOS VGA With DC offset cancellation for direct-conversion receivers // IEEE Trans. Circuits and Systems-I: Regular Papers. - 2009. - Vol. 56. - N 1. - Jan. - P. 103-113.
2. Duong Q-H., Le Q., Kim C-W., Lee S-G. A 95-dB linear low-power variable gain amplifier // IEEE Trans. Circuits and Systems-I: Regular Papers. - 2006. - Vol. 53. - N 8. - Aug. - P. 1648-1657.
3. Liao Y., Tang Z., Min H. A Wide-band CMOS Low-Noise Amplifier for TV Tuner Applications // IEEE Asian Solid-State Circuits Conference. - 2006. - Nov. - P. 259-262.
4. Harjani R. A low power CMOS VGA for 50 Mb/s disk drive read channels // IEEE Trans. Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing. - 1995. - Vol. 42. - N 6. - Jun. - P. 370-376.
5. Razavi B. RF Microelectronics. - Prentice Hall PTR, 1998. - 345 p.
6. Differential CMOS current-mode variable gain amplifier with digital db-linear gain control // A. Ravindran, E. Vidal, S.-J. Yoo et al. / Analog Integrated Circuits and Signal Processing. - 2004. - Vol. 38. - Is. 2-3. - Feb. - P. 161-174.
7. Allen P.E., Holberg D.R. CMOS Analog Circuit Design. - 2nd ed. - Oxford University Press, 2002. - 784 p.
8. Lee T.H. The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits. - Cambridge University Press, 2001. - 598 p.
9. Radio frequency channel arrangements for fixed service systems operating in the bands 71-76 GHz and 81-86 GHz // ECC Recommendation (05)07. - Dublin, February 2009. - 12 p.
Статья поступила 16 апреля 2013 г. Белоусов Егор Олегович - аспирант кафедры телекоммуникационных систем МИЭТ. Область научных интересов: аналоговые высокочастотные интегральные КМДП-схемы, элементы радиотракта. E-mail: egor_belousov@edu.miet.ru
Тимошенко Александр Геннадиевич - кандидат технических наук, доцент кафедры телекоммуникационных систем МИЭТ. Область научных интересов: проектирование радиочастотных СБИС и СБИС смешанного сигнала для телекоммуникаций, схемотехника аналоговых и радиочастотных устройств, сложнофункцио-нальные блоки и модели элементов и устройств телекоммуникации, функциональная электроника и новые материалы в микроэлектронике.
УДК 621.374.26
Применение удвоителя частоты на двух транзисторах для гетеродина смесителя
В.А. Романюк, Аунг Бо Бо Хейн
Национальный исследовательский университет ««МИЭТ»
Предложена электрическая схема смесителя частот миллиметрового диапазона длин волн на полевом транзисторе с удвоителем частоты на двух дополнительных транзисторах, работающих при противофазном возбуждении. Схема смесителя оптимизирована в программе «Microwave Office» с целью получения наибольшего усиления преобразования.
Ключевые слова: микроволновый смеситель, моделирование, Microwave Office.
В смесителях миллиметровых волн целесообразно применять гетеродины, частота колебаний которых меньше (fc - _/пр). Такие гетеродины более стабильны и проще в изготовлении. Кроме того, благодаря большой разнице в частотах сигнала и гетеродина, в подобных смесителях уменьшается вклад шума гетеродина в шум смесителя и увеличиваются развязки гетеродин-сигнал и сигнал-гетеродин.
Наиболее часто применяют схемы смесителей, в которых частота колебаний напряжения гетеродина в два раза меньше, чем требуемая обычно. Благодаря нелинейности переходной характеристики транзистора, при подаче на вход транзистора напряжений сигнала и гетеродина ток стока содержит спектральную составляющую, равную fc - 2 f Однако непосредственное подключение гетеродина с половинной частотой колебаний к смесителям, рассчитанным на применение гетеродина с частотой колебаний напряжения, равнойf - f^, не позволяет получить положительное значение одного из основных параметров смесителя - коэффициента передачи мощности
P
Kp = 10 lg ^,
pc
где Рпр - мощность колебаний промежуточной частоты; Рс - мощность радиосигнала. На частотах миллиметрового диапазона длин волн подобные смесители являются пассивными. Для работы с половинной частотой гетеродина целесообразно построение специальных схем.
В работе [1] для создания второй гармоники гетеродина предложена схема на диодах, включенных встречно-параллельно, а в работе [2] аналогичная схема выполнена на транзисторах. Однако и в этих вариантах смесители пассивны, т.е. имеют KP < 0 дБ. Можно использовать обычные схемы смесителей, но напряжение гетеродина подавать через удвоитель частоты, выполненный на дополнительном полевом транзисторе. Режим работы дополнительного транзистора устанавливается таким образом, чтобы получить максимальную мощность второй гармоники входных колебаний. Такой удвоитель частоты в миллиметровом диапазоне длин волн позволяет повысить частоту входных колебаний с небольшой потерей мощности. Это дает возможность подавать на смеситель такую же мощность гетеродина, как и в обычных смесителях, несмотря на пониженную частоту напряжения гетеродина.
© В.А. Романюк, Аунг Бо Бо Хейн, 2013
