dsd11-12 / dsd-11=ТКС / full

Рис. 6.18 Линеаризованный V-I конвертор

Рис 6.17 Схема смесителя Гильберта на МОП транзисторах.

118

выходном сигнале UOUT . Интегральная реализация этой схемы обеспечивает подавление до 60dB [3].

Также как и у балансного смесителя, его динамический диапазон ограничен линейностью V-I конвертора RF входа смесителя. Поэтому при проектировании необходимо найти лучший способ V-I конвертирования. Методы, используемые при линеаризации в балансных смесителях, могут быть применимы для двубалансного смесителя (рис.6.18).

Для малого сигнала источник DC тока может быть замещен параллельным LC контуром. Резонансная частота контура выбирается так, чтобы ослабить синфазную компоненту. Если существует несколько таких компонент, то можно использовать несколько параллельных LC цепочек. Окончательный вариант схемы двубалансного смесителя показан на (рис.6.19). Крутизна двубалансного смесителя определяется так же, как и для балансного смесителя.

6.8 Коэффициент шума в смесителях Гильберта.

Перечислим основные источники шума в схеме Гильберта [4]:

- одним из источников шума является, конечно, схема конвертора. Из этого следует, что его коэффициент шума задает нижний уровень коэффициента шума смесителя. Подход, который используется для вычисления коэффициента шума LNA, может быть использован для того, чтобы вычислить коэффициент шума конвертора.

119

Рис. 6.19. Схема смесителя Гильберта.

- дифференциальный каскад также ухудшает шумовые характеристики смесителя [4]. Одна из составляющих коэффициента шума связана с не идеальностью каскада. Поэтому одна из проблем в смесителях это проектирование ключей. Другая составляющая коэффициента шума проявляется при переключениях транзисторов, в интервале времени, когда оба транзистора проводят ток и, следовательно, шумят. Кроме

120

того, любой шум источника сигнала LO также усиливается во время этого активного временного интервала. Минимизация интервала одновременного включения транзисторов уменьшает этот эффект, поэтому, чтобы дифференциальный каскад приблизить к идеальному ключу достаточно LO сигнал прикладывать к бесконечно быстрым транзисторам.

- третья составляющая связана с шумом нагрузочных резисторов. Для уменьшения этой составляющей используют активную токовую нагрузку на выходехъ[4].

В результате на практике токовые смесители с одной боковой полосой (SSB) проявляют коэффициент шума не мене10dB [3].

6.9 Линейность смесителей Гильберта.

IP3 такого типа смесителей ограничена присутствием конвертора, поэтому метод трех точек, используемый при оценке IP3 обычных усилителей может быть использован для оценки IP3 конвертора. Если транзисторы, управляемые LO сигналом работают как хорошие ключи, то IP3 всего смесителя почти не отличается от IP3 конвертора. Чтобы гарантировать хорошее переключение, необходимо, чтобы управляющий сигнал LO был достаточно большой, но следует избегать чрезмерного LO сигнала. Например, для дифференциального каскада с общим истоком при управлении по затвору быстрее, чем необходимо для хорошего переключения, напряжение общего истока начинает повторять переключения по затвору. В результате возникают изменения напряжения сток-исток и тока, которые в худшем случае могут привести

121

к тому, что транзисторы выйдут из пологой области. Даже если этого не произойдет, в выходном спектре могут стать доминирующими компоненты, связанные с изменением тока, а не преобразованная частота RF. Следовательно, нужно использовать только достаточный LO сигнал, чтобы гарантировать надежное переключение, и не больше.

6.10. Дополнительные способы линеаризации.

Так как линейность токовых смесителей определяется главным образом качеством конвертора, рассмотрим дополнительные способы повышения линейности. Существует четыре способа линеаризации: предварительная коррекция, обратная связь, упреждение и кусочнолинейная аппроксимация. Эти методы могут применяться по отдельности или в комбинации.

Предварительная коррекция актуальна для настройки любой схемы. В токовом зеркале входной сигнал преобразуется в напряжение затвор-исток через некоторую нелинейную функцию, это приводит к тому, что входной ток не точно пропорционален выходному. Предварительная коррекция необходима для работы смесителей типа Гильберта, где пара переходов вычисляет обратный гиперболический тангенс от разности входных токов, и в последствии дифференциальная пара устраняет такую нелинейность.

Отрицательная обратная связь подсчитывает ошибку,

инвертирует ее и возвращает обратно на вход, таким образом, помогает исключить ошибки, оставшиеся после предварительной коррекции. Подавление искажений тем больше, чем больше коэффициент передачи

122

обратной связи. Примеры с обратными связями, рассмотренные в этой главе являются популярными методами для линеаризации высокочастотных конверторов.

Вопреки общему предубеждению, положительная обратная связь не может быть рассмотрена как метод линеаризации. Например, рассмотрим схему перекрестного соединения, полученную из биполярного предшественника, использующую положительную обратную связь (рис.6.20). Чтобы показать что такое соединение представляет собой короткую цепь с приложенным током Iin ,

рассмотрим как меняется напряжение истоков М1 и М2 при изменении тока Iin .

Если Iin возрастает, напряжение на затворах M4 и M2 возрастает, в

то время как напряжение на затворах M1 и M3 падает на ту же величину. Напряжение в точке А равно:

Следовательно напряжения истоков всегда одинаковы; в схеме образуется виртуальная короткая цепь.

Такая короткая цепь может быть использована для того, чтобы сместить проблему линейности с пассивных элементов на активные, такие как сопротивление; это показано на рис.6.20. Так как узлы A и B с

123

одинаковыми потенциалами, то ток, втекающий в узел A равен U in / Rs .

Этот втекающий ток пропорционален входному напряжению, и проявляется, как разница выходных токов стоков транзисторов М3 и М4.

Рис. 6.20 Схема перекрестного конвертора

Упреждение это метод линеаризации, при котором нет проблем, связанных со стабильностью обратной связи. Однако вычисление и исправление нелинейности прохождения сигнала зависит от согласования, поэтому на практике максимально возможное исправление искажений в этом методе значительно меньше, чем можно достигнуть с помощью отрицательной обратной связи. Упреждение более подходящий метод для высоких частот, при которых обратная

124

связь менее эффективна вследствие уменьшения коэффициента обратной связи.

Пример коррекции методом упреждения, применяемого для конвертора это преобразование V-I по принципу каскодной схемы (рис. 6.21). Этот конвертор содержит каскодную дифференциальную пару, к которой добавлен дополнительный дифференциальный каскад. Линеаризация проводится с помощью сопротивления R , но в конверторе остается значительная нелинейность за счет дифференциальной пары M1-M2. Напряжение на сопротивлении U R

определяется как:

пропорциональный этой ошибке исключается из общего тока с помощью линеаризации конвертора. Название “каскомп” образовано комбинацией каскода и компенсации ошибки. Хотя пара транзисторов М5, М6 для простоты показана как обычный дифференциальный каскад, она приводит к улучшению частотных свойств в результате линеаризации.

Другое способ линеаризации без обратной связи это кусочнолинейная аппроксимация, допускающая, что любая система линейна в каком-то достаточно малом диапазоне. В этом случае ответственность за линейность разделяется среди нескольких систем, каждая из которых активна только в течение достаточно малого диапазона, в котором она линейна.

125

Примером кусочно-линейного приближения служит схема представленная на рис.6.22. Каждая из трех дифференциальных пар ведет себя как линейный конвертор. Для малых входных сигналов

Рис. 6.21 Схема “ каскомпа”

конвертирование осуществляется средней парой. Если входное напряжение достаточно сильно отличается от нуля, ток практически полностью перетекает в одно плечо средней пары. Однако при соответствующем выборе напряжения Ub , одна из внешних дифференциальных пар берет на себя функцию преобразования напряжения в ток.

Общее конвертирование складывается из нескольких отдельных преобразований и может быть почти линейным в большом диапазоне, если использовать достаточное число дополнительных

126

дифференциальных пар. Правда при использовании этого метода происходит увеличение рассеиваемой мощности (за счет использования нескольких источников тока) и входного емкостного сопротивления.

Рис. 6.22 Схема многокаскадного конвертора

6.11Потенциометрические смесители.

Всмесителях Гильберта сигнал RF задается на конвертор, с помощью которого происходит преобразование напряжения в ток. Линейность и коэффициент шума конвертора устанавливают ограничение на общую линейность и коэффициент шума смесителя. Альтернативой использованию источников тока, управляемых напряжением в конверторе служит использование сопротивлений, управляемых напряжением. Например, управление сопротивлением МОП транзистора, работающего в пологой области, которое обратно пропорционально управляющему RF сигналу. Если напряжение сток-

127