Балансный модулятор
Патент 904197
Авторы
Балансный модулятор
Иллюстрации
Реферат
О П И С А Н И Е («904197
ИЗОБРЕТЕНИЯ
Союз Советских
Социалистических
Республик
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (5l ) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 30.06.80(2! ) 2952945/l 8-24 с присоединением заявки М— (51)М. Кл.
Н 03 С 1/54
G 06 G 7/le
Государстееиный камптет
СССР по делам наабретенкй к открытей (23)Приоритет (53) УДК 681. .335(088.8) 1
Опубликовано 07.02.82. Бюллетень Рте 5
Дата опубликования описания 09.02.82 (72) Авторы изобретения
А.А. Демин, В.В. Маркин и В.В. Масленников с
Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физический институт (7! ) 3аяв ител ь (54) БАЛАНСНЫЙ МОДУЛЯТОР
Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано в электронной аппаратуре различного назначения, в частности в радиоприемных устройствах.
Известны балансные модуляторы, используемые в радиоприемных устройствах для преобразования спектра +сигналов, содержащие согласованные тран; зисторы, источники постоянного тока и нагрузочные резисторы («.«.
Недостатком этих устройств является их малая линейность в диапазоне выходных токов, превышающих режимный ток устройства перемножения и, как следствие, маленький динамический диапазон выходных сигналов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является балансный модулятор, содержащий первый и второй усилительные транзисторы, базы которых объединены и соединены с первым выходом дифференциального источника входного напряжения,, третий и четвертый усилительные тран. зисторы, базы которых объединены и соединены со вторым выходом дифференциального источника входного напряжения, причем объединенные коллекторы
S первого к четвертого усилительных транзисторов и объединенные коллекторы второго и третьего усилительных транзисторов, являющиеся дифферен1О циальными выходами модулятора, через соответственно первый и второй нагрузочные резис торы подключены к ис точнику напряжения питания, причем эмиттеры первого и третьего усилитель15 ных транзисторов объединены и подключены к первому выходу первого дифференциального усилительного каскада, а эмиттеры второго и четвертого усилительных транзисторов объединены и подключены ко второму выходу первого дифференциального усилительного каскада. Перемножаемые сигналы подаются между объедиие««ными базами третьего и четвертого усили-.
904197 тельных транзисторов, а также на входы первого дифференциального усилительного каскада (21.
Линейность такого балансного модулятора по входному сигналу, пода- 5 ваемому на входы дифференциального усилительного каскада, при больших входных сигналах резко ухудшается .вследствие невозможности получить от дифференциального каскада выход- 10 ной ток, превышающий его режимный ток, что значительно снижает динамический диапазон выходных сигналов увеличение динамического диапазона выходных сигналов сопряжено с повышением режимного тока модулятора и, следовательно, потребляемой им мощ-, ности, Цель изобретения — расширение динамического диапазона выходных сиг- 0 налов при одновременном снижении
;потребляемой мощности.
Поставленная цель достигается тем, что в известный балансный модулятор, содержащий дифференциальный источник входного напряжения, источник входного тока, два нагрузочных резистора, источник напряжения питания, первый и второй усилительные транзисторы, базы которых объединены и подключены к первому выходу дифференциального источника входного напряжения, третий и четвертый усилительные транзисторы, базы которых объединены и подключены ко второму выходу диф35 ференциального источника входного напряжения, объединенные коллекторы первого и четвертого усилительных транзисторов и объединенные коллекторы второго и третьего усилительных
40 транзисторов являются дифференциальными выходами модулятора и подключены соответственно через первый и второй нагрузочные резисторы ко входу источника напряжения питания, вве45 дены четырнадцать усилительных транзисторов, десять компенсационных транзисторов, четыре диодных нелинейных элемента с экспоненциальной характеристикой и шесть источников постоянного тока, причем эмит50 тер первого усилительного транзистора подключен к эмиттеру пятого усилительного транзистора и к эмиттеру первого компенсационного транзистора, эмиттер третьего усилитель- 55 ного транзистора подключен к эмиттеру шестого усилительного транзистора и к эмиттеру второго компенсационного транзистора, базы пятого усилительного транзистора и второго компенсационного транзистора объединены и подключены к коллектору второго компенсационного транзистора, базы шестого усилительного транзистора и первого компенсационного транзистора объединены и подключены к коллектору первого компенсационного транзистора, эмиттер второго усили.тельного транзистора подключен к эмиттеру восьмого усилительного транзистора и к эмиттеру третьего компенсационного транзистора, змиттер четвертого усилительного транзистора подключен к эмиттеру четвертого компенсационного транзистора и к эмиттеру седьмого усилительного транзистора, базы седьмого усилительного транзистора и третьего компенсационного транзистора .объединены и подключены к коллектору третьего компенсационного транзистора, базы восьмого усилительного транзистора и четвертого компенсационного транзисто,ров объединены и подключены к коллектору четвертого компенсационного транзистора, коллекторы пятого, шестого, седьмого и восьмого усилительных транзисторов подключены к общей шине, коллекторы первого, второго, третьего и четвертого компенсационных транзисторов, соответственно, подключены к коллекторам девятого, десятого, одиннадцатого и двенадцатого усилительных транзисторов, эмиттеры девятого и десятого усилительных транзисторов объединены и подключены к эмиттеру тринадцатоro усилительного транзистора и к эмиттеру пятого компенсационного транзистора, эмиттеры одиннадцатого и двенадцатого усилительных транзисторов .объединены и подключены к эмиттеру четырнадцатого усилительного транзистора и к эмиттеру шестого компенсационного транзистора, базы тринадцатого усилительного транзистора и шестого компенсационного транзистора объединены и подключены к коллектору шестого компенсационного транзистора и к первому выходу первого источника постоянного тока, базы четырнадцатого усилительного и пятого компенсационного транзисторов объединены и подключены к коллектору пятого компенсационного транзистора и к первому выходу второго источника постоянного тока, коллекторы тринад904197, цатого и четырнадцатого усилительных транзисторов и вторые выходы первого и второго источников постоянного тока подключены к общей шине, базы девятого и десятого усилитель- 5 ных транзисторов объединены и подключены к аноду первого диодного нелинейного элемента, к катоду второго диодного нелинейного элемента и к перво 1у выходу источника входного тока, 10 базы одиннадцатого и двенадцатого усилительных тра«знсторов объединены и подключены к аноду третьего диодного нелинейного элемента, к катоду четвертого диодного нели- !5 нейного элемента и ко второму выходу источника входного тока, катод первого диодного нелинейного элемента подключен к эмиттеру пятнадцатого усилительного транзистора и к эмит- щ теру седьмого компенсационного транзистора, катод третьего диодного нелинейного элемента подключен к эмиттеру шестнадцатого усилительного транзистора и к эмиттеру восьмого ком- g5 пенсационного транзистора, базы пятнадцатого усилительного транзистора и во сьмого компенсационного транзистора объединены и подключены к коллектору
BQcI мо| О комп(нсационного ðàí3íñ 5р тора и к первому выходу .ретьего источника постоянного тока, . базы шестнадцатого усилительного транзистора и седьмого компенсационного транзистора объединены и
Ъ подключены к коллектору седьмого компенсационного транзистора и к первому выходу четвертого источника постоянного тока, коллекторы пятнадцатого и шестнадцатого усилительных транзисторов и вторые выходы третьего и четвертого источников постоянного напряжения подключены к общей шине, анод второго диодного нелинейного элемента подключен к эмиттеру семнадцатого усилительного транзистора и к эмиттеру девятого компенсационного транзистора, анод четвертого диодного нелинейного элемента подключен к э ;.иттеру восемнад50 цатого усилительного транзистора и к эмиттеру десятого компенсационного транзистора, базы семнадцатого усилительного транзистора и десятого компенсационного транзистора объединены и подключены к кол55 лектору десятого компенсационного транзистора и к первому выходу пятого источника постонного тока, базы g j« где Чт
3 к кто (2) а, тепловои потенциал, величина режимного тока, задаваемого каждым иэ источников 31 и 32 постоянного тока; ток коллектора транзисто-. ра 9; ток коллектора транзистора 10; восемнадцатого усилительного и девятого компенсационного транзисторов объединены и подключены к коллектору девятого компенсационного транзистора и к первому входу шестого источни" ка постоянного тока, коллекторы семнадцатого и восемнадцатого усилительных транзисторов и вторые выходы пятого и шестого источников постоянного тока объединены и подключены к выходу источника напряжения питания.
На чертеже приведена принципиальная электрическая схема балансного модулятора.
Балансный модулятор содержит усилительные транзисторы 1-18, компенсационные транзисторы 19-28, два нагрузочных резистора 29 и 30, шесть источников 31-36 постоянного тока, четыре диодных нелинейных элемента 3740, источник 41 входного тока и источник 42 входного напряжения.
Балансный модулятор работает следующим образом. Входной ток от первого источника 41 входного тока поступает на транзисторы 15-18, 21-28, диодные нелинейные элементы
37-40 и источники 33-36 постоянного тока. При этом между выходами источника 41 входного тока создается дифференциальное напряжение U „+> равное ВхН () и з, = 2 хт а с s h — — (1)
Т где Зг- тепловой потенциал;
ЭрЧ- величина режимного тока, задаваемого каждым из источников 33-36 постоянного тока.
Дифференциальное напряжение 0 „, . будучи приложенным между объединенными базами усилительных транзисторов
9 и 10 и объединенными базами усилительных транзисторов ll и 12, вызывает протекание через коллекторы этих транзисторов токов, удовлетворяющих соотношения
904197 8 ф — ток коллектора транзистора
9 или 10; ток коллектора транзистора
ll или 12.
Из (3) и (7) следует, что " 3""+P o " 3 М где в„ „, - дифференциальный выходной ток модулятора; х а х — входной ток источника
41 входного тока;
U ucpx — входное напряжение источника 42 входного напряжения; тт — тепловой потенциал;
) — величина режимного тока, о задаваемого каждым из источников 33-36 постоян15
rue т
3к„тепловой потенциал; ток коллектора транзистора 1; ток коллектора транзистора 2; ток коллектора транзистора 3; ток коллектора транзистора 4;
Эк з
Ф
Э
Зк 1 — ток коллектора транзистора 11; ка- ток коллектора транзистора 12.
Иэ соотношений (1) и (2) следует что е ю о °
=г,„ вх > (3) где обозначено
Зц„ = Зк =, х11= х1 = 1 (4)
Дифференциальное напряжение Uguq. от источника 42 входного напряжения прикладывается между базами усилительных транзисторов 1 и 3 и вызывает протекание через их коллекторы токов, разность между которыми под,чиняется зависимости т где 1". — тепловой потенциал; т
3 — ток коллектора транзистора
К
1; . 3к - ток коллектора транзистора 3; — ток коллектора транзистора
9 или 10.
Аналогичным образом дифференциальное напряжение Ugu@.x вызывает протекание через коллекторы усилительных транзисторов 2 и 4 токов, разность между которыми определяется как ». U цсбр. Х
2 Pò где 1 — тепловой потенцйал; т
J — ток коллектора транзистоК ра 2; к - ток коллектора транзистора 4;
3 — ток коллектора транзистора 11 или 12.
Выходной-дифференциальный ток
i,. модулятора, равный разносaux, quqр. ти токЬв, протекающих в нагрузочных резисторах 29 и 30, определяется из выражений (S) и (6).
И"-1 "1 а Ь вЂ” (7 ) 1т ного. тока; o - величина режимного тока, задаваемого каждым иэ источников 31 и 32 постоянного тока.
При небольших входных сигналах
U .õ источника 42 входного напряжения (О о уС- 2 . ) (8) выражение при нимают вид б Ц „,х дф
50 т У - (9)
Sblx.У р. gq . g Sx I1 <3u+ где Vr — тепловой потенциал; нху г дифференциальный выходной ток модулятора; — входной ток первого источника 41 входного тока;
" шр.x — входное напряжение первого источника 42 входного напряжения; op †величина режимного тока, задаваемого каждым иэ источ40 ников 33-36 постоянного тока;
3o — величина режимного тока, задаваемого каждым из источников 31 и 32 постоянного
45 тока.
Из выражения (8) и (9) вытекает, что балансный модулятор производит перемножение входных сигналов Uguq.x и i „с масштабным коэффициентом
При этом линейность модуля2УТ о тора по входу, связанному с источником 41 входного тока, сохраняется при выходных дифференциальных токах устройства, превышающих режимные токи. Это приводит к значительному расширению динамического диапазона выходных сигналов при одновременном снижении потребляемой мощности.
904197
Балансный модулятор, содержащий дифференциальный источник входного напряжения, источник входного тока, 5 два нагрузочных резистора, источник напряжения питания, первый и второй .усилительные транзисторы, базы ко торых объединены и подключены к первому выходу дифференциального источника входного напряжения; третий и четвертый усилительные транзисторы, базы которых объединены и подключены ко второму выходу дифференциаль-! ного источника входного напряжения, объединенные коллекторы первого и четвертого усилительных транзисторов и объединенные коллекторы второго и третьего усилительных транзисторов являются дифференциальными выхода- 20 ми балансного модулятора и подключены соответственно через первый и второй нагрузочные резисторы ко входу источника напряжения питания, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона выходных сигналов при одновременном снижении потребляемой мощности, в него введены четырнадцать усилительных транзисторов, де- ЗО сять компенсационных транзисторов, четыре диодных нелинейных элемента с экспоненциальной характеристикой и шесть источников постоянного
Формула изобретения тока, причем эмиттер первого усили- З1 тельного транзистора подключен к эмиттеру пятого усилительного транзистора и к эмиттеру первого компенсационного транзистора, эмиттер третьего усилительного транзистора под- «О ключен к эмиттеру шестого усилительного транзистора и к эмиттеру второго компенсационного транзистора, базы
:.пятого усилительного транзистора и второго компенсационного транзистора 15 объединены и подключены к коллектору второго компенсационного транзистора, базы шестого усилительного транзистора и первого компенсационного транзистора объединены и подключены к коллектору первого компенсацион- ° ного транзистора, эмиттер второго усилительного транзистора подключен к эмиттеру восьмого усилительного транзистора и к эмиттеру третьего компенсационного транзистора, эмиттер четвертого усилительного транзистора подключен к эмиттеру четвертого компенсационного транзистора и к эмиттеру седьмого усилительного транзистора, базы седьмого усилительного транзистора и третьего компенсационного транзистора объединены и подключены к коллектору третьего компенсационного транзистора, базы восьмого усилительного транзистора и четвертого компенсационного транзисторов объединены и подключены к коллектору четвертого компен- сационного транзистора, коллекторы пятого, шестого, седьмого и восьмого усилительных транзисторов подключены к общей шине, коллекторы первого, второго, третьего и четвертого компенсационных транзисторов, соот-. ветственно, подключены к колпекторак девятого, десятого, одиннадцатого и двенадцатого усилительных транзисторов, эмиттеры девятого и десятого усилительных транзисторов объединены и подключены к эмиттеру тринадцатого усилительного транзистора и к змиттеру пятого компенсационного транзистора, эмиттеры одиннадцатого и двенадцатого усилительных транзисторов объединены и подключены к эмиттеру четырнадцатого усилительного транзистора и к эмиттеру шестого компенсационного транзистора, базы тринадцатого усилительного транзистора и шестого компенсационного транзистора объединены и подключены к коллектору шестого компенсационного транзистора и к первому выходу первого источника постоянного тока, базы четырнадцатого усилительного и пятого компенсационного транзисторов объединены и подключены к коллектору пятого компенсационного транзистора и к первому выходу второго источника постоянного тока, коллекторы тринадцатого и четырнадцатого усилительных транзисторов и вторые выходы первого и второго источников постоянного тока подключены к общей шине, базы девятого и десятого усилительных транзисторов объединены и подключены к аноду первого диодного нелинейного элемента, к катоду второго диодного нелинейного элемента и к первому выходу источника входного тока, базы одиннадцатого и двенадцатого усилительных транзисторов объединены и подключены к аноду третьего диодного нелинейного элемента, к катоду четвертого диодного нелинейного элемента и ко второму выходу источника входного тока, катод пер12
904197
ВНИИПИ Заказ 165/47 Тираж 953 Подписное
Филиал ППП "Патент",г. jmropog,ул.Проектная,4 вого диодного нелинейного элемента подключен к эмиттеру пятнадцатого усилительного транзистора и к эмиттеру седьмого компенсационного транзистора, катод третьего диодного нелинейного элемента подключен к эмиттеру шестнадцатого усилительного транзистора и к эмиттеру восьмдго
:"компенсационного транзистора, .базы пятнадцатого усилительного транзис- 10 тора и восьмого компенсационного транзистора объединены и подключены к коллектору восьмого компенсационного -транзистора-и к первому выходу третьего источника постоянного тока, ! базы шестнадцатого усилительного транзистора и седьмого компенсационI ного транзистора объединены и подклю чены к коллектору седьмого компенсационного транзистора и к первому щ выходу четвертого источника постоянного тока, коллекторы пятнадцатого и шестнадцатого усилительных транзисторов и вторые выходы третьего и четвертого источников постоянного 2S напряжения подключены к общей шине, анод второго диодного нелинейного элемента подключен к эмиттеру семнадцатого усилительного транзистора и к эмиттеру девятого компенсацион- рр ного транзистора, анод четвертого диодного нелинейного элемента подключен к эмиттеру восемнадцатого усилительного транзистора и к эмит,теру десятого компенсационного тран-. зистора, базы семнадцатого усилительного транзистора и десятого компенсационного транзистора объединены и подключены к коллектору десятого компенсационного транзистора и к первому выходу пятого источника постоянного тока, базы восемнадцатого усилительного и девятого компенсационного транзисторов объединены и подключены к коллектору девятого компенсационного транзистора и к первому входу шестого источника постоянного тока, коллекторы семнадцатого и восемнадцатого усилительных транзисторов и вторые выходы пятого и шестого источников постоянного тока объединены и подключены к выходу источника напряжения питания.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. "Notorala Semiconductor Products. 1пс.", Linear Integrated
circuits. Oata Book, Third Edition 973, November, р. 8-416.
2. Гребен А.Б. Проектирование аналоговых интегральных схем. М., "Энергия", 1976. с. 144, рис. 7-3 (прототип)