широкополосная интегральная микросхема устройства выборки и хранения

Формула изобретения

Широкополосная интегральная микросхема устройства выборки и хранения, содержащая первый четырехдиодный мостовой смеситель с входным электродом, выходным электродом, анодным электродом и катодным электродом, второй четырехдиодный мостовой смеситель с входным электродом, выходным электродом, анодным электродом и катодным электродом, накопительный конденсатор, включенный между общим электродом “земли” и выходным электродом первого смесителя, формирователь стробимпульсов с входными электродами и выходными электродами, один из которых соединен с анодным электродом первого смесителя и катодным электродом второго смесителя, а второй - с катодным электродом первого смесителя и анодным электродом второго смесителя, а также буферный усилитель с входным электродом, соединенным с выходным электродом первого смесителя, и выходным электродом, отличающаяся тем, что входной электрод второго смесителя соединен с выходным электродом буферного усилителя, а выходной электрод второго смесителя является выходом устройства выборки и хранения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области аналого-цифровой микроэлектроники, более конкретно к аналого-цифровым интегральным полупроводниковым схемам, и может быть использовано в системах измерительной техники для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму. Заявляемая интегральная микросхема (ИМС) может быть использована в прецизионных измерительных устройствах СВЧ диапазона, в частности, в высокоразрядных быстродействующих аналого-цифровых преобразователях, стробоскопических осциллографах и вольтметрах, анализаторах сигналов, коррелометрах, микроволновых томографах и др.

Устройства выборки и хранения (УВХ) предназначены для преобразования аналогового электрического сигнала в расширенный импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна мгновенному значению сигнала в заданный момент времени (момент стробирования), который задается внешним сигналом стробирования. Такое преобразование позволяет исключить аппертурную погрешность измерения мгновенного значения сигнала и использовать менее скоростные и более точные аналого-цифровые преобразователи. Преобразование сигнала осуществляется обычно диодным смесителем, а расширенный импульс формируется на накопительном элементе, обычно на накопительном конденсаторе. Для снижения паразитных реактивностей расширенный импульс с накопительного конденсатора передается через буферный усилитель, в качестве которого обычно используется повторитель напряжения с близким к 1 коэффициентом передачи k_В. Дальнейшее усиление выходного сигнала осуществляется низкочастотным выходным усилителем.

В УВХ СВЧ диапазона наилучшие характеристики обеспечиваются при его выполнении в виде ИМС на основе GaAs [1] или других полупроводниковых соединений типа А³В⁵. При этом в качестве активных элементов могут быть использованы наиболее быстродействующие полупроводниковые приборы: диоды Шоттки, полевые транзисторы с затвором Шоттки (ПТШ) и гетеропереходные полевые транзисторы (ГПТ). В этом случае низкочастотный выходной усилитель целесообразно выполнять в виде внешнего устройства на биполярных транзисторах, т.к. полевые транзисторы на соединениях A³B⁵ имеют повышенный собственный фликкер-шум.

Известна широкополосная ИМС УВХ на основе GaAs, содержащая 4-диодный мостовой смеситель, формирователь стробимпульсов, накопительный конденсатор и буферный усилитель [1]. Ее основными недостатками являются повышенное значение входной емкости буферного усилителя на высоких частотах и снижение коэффициента передачи смесителя проходными емкостями смесительных диодов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является широкополосная ИМС УВХ, содержащая первый 4-диодный мостовой смеситель 1 с входным электродом 2, выходным электродом 3, анодным электродом 4 и катодным электродом 5, второй 4-диодный мостовой смеситель 6 с входным электродом 7, выходным электродом 8, анодным электродом 9 и катодным электродом 10, накопительные конденсаторы 11, включенные между общим электродом “земли” и выходными электродами 3 и 8 смесителей 1 и 6 соответственно, формирователь стробимпульсов 12 с входным электродом 13 и выходными электродами 14 и 15, один из которых соединен с анодным электродом 4 смесителя 1 и катодным электродом 9 смесителя 6, а второй - с катодным электродом 5 смесителя 1 и анодным электродом 10 смесителя 6, а также два буферных усилителя 16 с входными электродами 17 и выходными электродами 18, которые являются выходами УВХ [2]. Один из входных электродов 17 соединен с выходным электродом 3 смесителя 1, а другой - с выходным электродом 8 смесителя 6. На фиг.1 показана структурная схема устройства. Исследуемый сигнал подается на вход УВХ 19, соединенный с входными электродами 2 и 7 смесителей 1 и 6. Импульсы выборки подаются на вход 13 формирователя стробимпульсов 12. Активными элементами ИМС УВХ являются ГПТ со структурой AlGaAs/GaAs/AlGaAs.

К основным характеристикам УВХ относятся полоса пропускания входного сигнала _m, максимальная частота выборки (частота стробирования) _{S max}, коэффициент передачи k, коэффициент прямого прохождения сигнала k_F, приведенное ко входу шумовое напряжение и постоянная времени спада выходного сигнала _OUT. Полоса пропускания УВХ определяется постоянной времени заряда накопительной емкости _CH и крутизной среза стробимпульсов. Амплитуда выходного расширенного импульса определяется соотношением

где V_INS - мгновенное значение сигнала в момент стробирования, V_IN(t) - текущее значение сигнала в период измерения амплитуды расширенного импульса внешним устройством. Коэффициент передачи УВХ составляет:

где k_M= V_CH/ V_INS - коэффициент передачи смесителя, V_CH - амплитуда расширенного импульса на накопительном конденсаторе.

Для увеличения постоянной времени спада _OUT применяется повторное стробоскопическое преобразование расширенного импульса. Наибольшую точность измерений обеспечивают УВХ на основе 4-диодного мостового смесителя, управляемого симметричными биполярными стробимпульсами.

Исполнение широкополосного УВХ в виде интегральной микросхемы (ИМС) позволяет существенно улучшить его характеристики за счет снижения паразитных реактивностей, возможности использования малой накопительной емкости, идентичности элементов и возможности лучшего конструктивного согласования входной цепи УВХ с волноводным трактом исследуемого сигнала.

УВХ работает следующим образом. Формирователь стробимпульсов 12 вырабатывает на выходах 14 и 15 симметричные биполярные стробимпульсы, частота которых определяется частотой входных импульсов выборки. При положительной полярности стробимпульса на выходе 14 (и отрицательной - на выходе 15) диоды смесителя 1 открыты, а смесителя 6 - закрыты. При этом напряжение на выходе 3 смесителя 1 повторяет форму входного сигнала. При смене полярности стробимпульсов (момент стробирования) диоды смесителя 1 запираются, и на накопительном конденсаторе 11, соединенном с выходом 3 смесителя 1, остается напряжение, равное мгновенному значению исследуемого сигнала в момент стробирования. Это напряжение через буферный усилитель поступает на вход УВХ. Диоды смесителя 6 в это время открыты, входной сигнал поступает на накопительный конденсатор 11, соединенный с выходом 8 смесителя 8, и фиксируется на нем после очередной смены полярности стробимпульсов. Таким образом, исследуемый сигнал стробируется поочередно смесителями 1 и 6, а выходные расширенные импульсы должны измеряться при закрытых диодах соответствующего смесителя. Чтобы исключить шунтирование сигнала, формирователь стробимпульсов 12 должен иметь большое выходное сопротивление, поэтому выходной каскад формирователя выполнен на основе переключателя тока.

Основными недостатками описанной ИМС УВХ являются повышенное значение входной емкости буферного усилителя на высоких частотах и снижение коэффициента передачи смесителя проходными емкостями смесительных диодов.

В первом приближении (без учета индуктивности ввода сигнала и выходной емкости формирователя стробимпульсов) постоянная времени заряда накопительной емкости составляет [1]

где r₀ - выходное сопротивление тракта сигнала (обычно 25 Ом), R_D - дифференциальные сопротивления смесительных диодов, C_H - накопительная емкость, C _b - входная емкость буферного усилителя. Последняя определяется соотношением

где C_gs и C_gd - емкости затвор-исток и затвор-сток входного транзистора буферного усилителя, причем С_GS>>c_gd. Близкое к 1 значение коэффициента передачи буферного усилителя k_B устанавливается только за время порядка R_bC_out, где R_B - выходное сопротивление повторителя, c_out - выходная нагрузочная емкость УВХ, которая обычно на 1... 2 порядка превышает накопительную емкость C_H. Поэтому на высоких частотах входная емкость буферного усилителя значительно превышает установившееся значение и согласно (3) повышает постоянную времени заряда накопительной емкости, что приводит к снижению полосы пропускания УВХ. Кроме того, заземление выходной емкости C_out осуществляется за пределами кристалла ИМС, поэтому в УВХ СВЧ диапазона цепь ее заряда имеет достаточно большую длину, сравнимую с длинами волн в спектре исследуемого сигнала. Это обстоятельство приводит к искажениям частотной характеристики.

По окончании стробирования заряд, накопленный в суммарной емкости C_H+С_B , перераспределяется между емкостью С_H+С_B и двумя проходными емкостями С_D смесительных диодов. В результате коэффициент передачи смесителя составляет [1]

.

В ИМС УВХ СВЧ диапазона накопительная емкость составляет величину порядка 0.1 пФ, поэтому проходные емкости смесительных диодов могут существенно снизить коэффициент передачи смесителя и, в соответствии с (2), всего УВХ.

Целью изобретения является расширение полосы пропускания ИМС УВХ, а также повышение и стабилизация его коэффициента передачи.

Поставленная цель достигается за счет того, что в ИМС УВХ, содержащей первый 4-диодный мостовой смеситель 1 с входным электродом 2, выходным электродом 3, анодным электродом 4 и катодным электродом 5, второй 4-диодный мостовой смеситель 6 с входным электродом 7, выходным электродом 8, анодным электродом 9 и катодным электродом 10, накопительный конденсатор 11, включенный между общим электродом “земли” и выходным электродом 3 смесителя 1, формирователь стробимпульсов 12 с входными электродами 13 и выходными электродами 14 и 15, один из которых соединен с анодным электродом смесителя 1 и катодным электродом смесителя 6, а второй - с катодным электродом смесителя 1 и анодным электродом смесителя 6, а также буферный усилитель 16 с входным электродом 17, соединенным с выходным электродом 3 смесителя 1, и выходным электродом 18, входной электрод 7 смесителя 6 соединен с выходным электродом 18 буферного усилителя 16, а выходной электрод 8 смесителя 6 является выходом УВХ.

Новизна заявляемого изобретения обусловлена тем, что в ИМС УВХ, содержащей первый и второй 4-диодные мостовые смесители, накопительный конденсатор, формирователь стробимпульсов, а также буферный усилитель, входной электрод второго смесителя соединен с выходным электродом буферного усилителя, а выходной электрод второго смесителя 6 является выходом УВХ. Такое соединение элементов обеспечивает последовательное стробирование входного сигнала и расширенного импульса общим формирователем стробимпульсов, что позволяет расширить полосу пропускания ИМС УВХ, а также повысить и стабилизировать его коэффициент передачи. Расширение полосы пропускания обусловлено отключением выходной нагрузочной емкости C_OUT от буферного усилителя на время стробирования. Повышение и стабилизация коэффициента передачи обусловлено тем, что по окончании стобирования потенциалы анодного и катодного электродов смесителей фиксируются на уровнях, которые определяются амплитудой выходного расширенного импульса, в результате чего практически исключается перераспределение накопленного заряда между накопительной емкостью и проходными емкостями диодов смесителя.

Последовательное стробирование входного сигнала и расширенного импульса (master-slave) известно и широко применяется в измерительной технике. Однако в известных устройствах (например, стробоскопических осциллографах) стробирование расширенного импульса на выходе буферного усилителя производится дополнительными стробимпульсами, сформированными за пределами кристалла ИМС, с помощью дополнительного смесителя, который также расположен за пределами кристалла ИМС. При этом выходная нагрузочная емкость C_OUT остается подключенной к буферному усилителю во время стробирования, что исключает возможность расширения полосы пропускания УВХ. По окончании стобирования потенциалы анодного и катодного электродов смесителей фиксируются на уровнях, не зависящих от амплитуды выходного расширенного импульса, что исключает возможность повышения коэффициента передачи.

В заявляемом решении стробирование исследуемого сигнала и расширенного импульса на выходе буферного усилителя производится одной и той же парой биполярных стробимпульсов внутри кристалла ИМС. Соединение входного электрода второго смесителя с выходным электродом буферного усилителя и использование выходного электрода второго смесителя в качестве выхода УВХ осуществляется совместно и невозможно по отдельности. Только сочетание этих отличительных признаков обеспечивает получение положительного эффекта - расширение полосы пропускания ИМС УВХ, устранение искажений частотной характеристики и повышение его коэффициента передачи. В науке и технике совместного использования данных отличительных признаков не выявлено. Поэтому можно сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "Изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена структурная схема широкополосной ИМС УВХ - прототип, где 1 - первый 4 - диодный мостовой смеситель с входным электродом 2, выходным электродом 3, анодным электродом 4 и катодным электродом 5, 6 - второй 4 - диодный мостовой смеситель 6 с входным электродом 7, выходным электродом 8, анодным электродом 9 и катодным электродом 10, 11 - накопительные конденсаторы, 12 - формирователь стробимпульсов с входным электродом 13 и выходными электродами 14 и 15, 16 - буферные усилители с входными электродами 17 и выходными электродами 18, которые являются выходами УВХ.

На фиг.2 представлена структурная схема заявляемой широкополосной ИМС УВХ, где 1 - первый 4 - диодный мостовой смеситель с входным электродом 2, выходным электродом 3, анодным электродом 4 и катодным электродом 5, 6 - второй 4 - диодный мостовой смеситель 6 с входным электродом 7, выходным электродом 8, анодным электродом 9 и катодным электродом 10, 11 - накопительный конденсатор, 12 - формирователь стробимпульсов с входным электродом 13 и выходными электродами 14 и 15, 16 - буферный усилитель с входным электродом 17 и выходным электродом 18.

На фиг.3 представлена временная диаграмма работы заявляемой широкополосной ИМС УВХ.

На фиг.4 представлен пример реализации заявляемой широкополосной ИМС УВХ на основе GaAs с использованием в качестве активных элементов ПТШ, где 1 - первый 4 - диодный мостовой смеситель с входным электродом 2, выходным электродом 3, анодным электродом 4 и катодным электродом 5, 6 - второй 4-диодный мостовой смеситель 6 с входным электродом 7, выходным электродом 8, анодным электродом 9 и катодным электродом 10, 11 - накопительный конденсатор, 12 - формирователь стробимпульсов с входным электродом 13 и выходными электродами 14 и 15, 16 - буферный усилитель с входным электродом 17 и выходным электродом 18.

Заявляемая широкополосная ИМС УВХ (фиг.2) содержит первый 4-диодный мостовой смеситель 1 с входным электродом 2, выходным электродом 3, анодным электродом 4 и катодным электродом 5, второй 4 - диодный мостовой смеситель 6 с входным электродом 7, выходным электродом 8, анодным электродом 9 и катодным электродом 10, накопительный конденсатор 11, включенный между общим электродом “земли” и выходным электродом 3 смесителя 1, формирователь стробимпульсов 12 с входными электродами 13 и выходными электродами 14 и 15, один из которых соединен с анодным электродом смесителя 1 и катодным электродом смесителя 6, а второй - с катодным электродом смесителя 1 и анодным электродом смесителя 6, а также буферный усилитель 16 с входным электродом 17, соединенным с выходным электродом 3 смесителя 1, и выходным электродом 18, входной электрод 7 смесителя 6 соединен с выходным электродом 18 буферного усилителя 16, а выходной электрод 8 смесителя 6 является выходом УВХ.

Заявляемую ИМС УВХ целесообразно выполнять на основе GaAs или других полупроводниковых соединений типа А³В⁵, используя в качестве активных элементов диоды Шоттки, полевые транзисторы с затвором Шоттки (ПТШ) или гетеропереходные полевые транзисторы (ГПТ). Возможно выполнение ИМС УВХ в Би-МОП базисе. При этом формирователь стробимпульсов выполняется на биполярных транзисторах, а буферный усилитель - на n-канальных МОП-транзисторах, обладающих высоким входным сопротивлением, чтобы увеличить постоянную времени разряда накопительного конденсатора.

Формирователь стробимпульсов 12 целесообразно выполнять на переключателях тока (элементах с истоковой или эмиттерной связью), чтобы обеспечить максимальную симметрию биполярных стробимпульсов. Формирователь стробимпульсов 12 может иметь один или два входных электрода 13. В первом случае он должен включать каскад, расщепляющий входной управляющий сигнал на биполярные импульсы, во втором случае могут быть использованы симметричные биполярные управляющие сигналы, сформированные, например, элементами ЭСЛ.

Работа ИМС УВХ поясняется временными диаграммами на фиг.3. Формирователь стробимпульсов 12 формирует на выходах 14 и 15 симметричные биполярные импульсы напряжения V_SP, которые в противофазе подаются на анодные электроды 4,9 и катодные электроды 5,10 первого и второго 4-диодных мостовых смесителей 1 и 6 соответственно (фиг.2). В течение временных интервалов Т₁ открыты диоды первого смесителя 1, и напряжение на накопительном конденсаторе 11 повторяет напряжение входного исследуемого сигнала, который подается на входной электрод 2 смесителя 1. Через буферный усилитель 16 это напряжение передается на входной электрод 7 второго смесителя 6. Диоды смесителя 6 в это время закрыты, поэтому выходная емкость С_OUT отключена от выхода буферного усилителя, и его входная емкость остается малой. В момент стробирования сигнала t_S1 диоды первого смесителя 1 запираются, и на накопительном конденсаторе 11, отключенном от цепи сигнала, фиксируется напряжение v_ch1=V_IN(t_S1)=V_INS1 . На выходе 18 буферного усилителя 16, вход которого 17 соединен с накопительным конденсатором 11, устанавливается напряжение, пропорциональное напряжению V_INS1.

Эффективное отпирание смесительных диодов происходит при некотором прямом напряжении (0,4... 0,8 В), поэтому диоды второго смесителя 6 всегда отпираются несколько позже запирания диодов первого смесителя 1. После отпирания диодов второго смесителя 6 выходной электрод 18 буферного усилителя 16 подключается через диодный мост к выходным электродам 14 и 15 формирователя стробимпульсов 12 и к внешней нагрузочной емкости c_out (фиг.2), которая заряжается до напряжения V_{out 1}, пропорционального напряжению V_{IN S1}, с постоянной времени R_bC_out (R_B - выходное сопротивление буферного усилителя). Далее напряжения V_CH и V_OUT остаются постоянными в течение временного интервала T₂. В момент времени t_s1b диоды второго смесителя 6 запираются, и выходная емкость C_OUT, заряженная до напряжения v_out1 , отключается от буферного усилителя. Этот процесс соответствует стробированию расширенного импульса напряжения на выходе буферного усилителя. Выходное напряжение V_out1 сохраняется на емкости C_out в течение следующего временного интервала T₁, в течение которого диоды первого смесителя 1 вновь открыты, и напряжение на накопительном конденсаторе 11 повторяет напряжение входного исследуемого сигнала. Следующие акты стробирования сигнала и расширенного импульса напряжения на выходе буферного усилителя происходят в моменты времени t_S2 и t _S2B, t_S3 и t_S3B и т.д.

Таким образом, в течение i+1-го временного интервала t₁ на выходе УВХ формируется постоянное напряжение V_outi , пропорциональное мгновенному значению входного исследуемого сигнала V_INSi в момент стробирования t_Si . Весьма существенно, что временные интервалы t₁ и Т₂ никогда не перекрываются; в противном случае правильная работа УВХ была бы нарушена.

Полоса пропускания УВХ _m определяется соотношением

где постоянная времени заряда накопительной емкости _CH связана с параметрами УВХ соотношением (3). В заявляемой ИМС УВХ заряд накопительной емкости С_H и входной емкости С_B буферного усилителя 16 происходит до момента отпирания диодов второго смесителя 6. В это время выходная нагрузочная емкость С_OUT отключена от буферного усилителя, поэтому его входная емкость С_B имеет предельно малое значение, что обеспечивает расширение полосы пропускания по сравнению с прототипом. Отключение внешних (по отношению к кристаллу ИМС) элементов от буферного усилителя исключает также искажения частотной характеристики, связанные с длинной цепью заряда их реактивностей. Кроме того, оно дает возможность без сужения полосы пропускания резко повысить выходную нагрузочную емкость С_OUT и увеличить постоянную времени ее разряда, что обеспечивает повышение точности измерений.

К моменту стробирования сигнала t _S в емкости С_OUT накопительного конденсатора 11 и входной емкости С_B буферного усилителя 16 накапливается заряд

После отпирания диодов второго смесителя (т.е. в начале интервала T₂) этот заряд перераспределяется между емкостями C_out и проходными емкостями С_D двух диодов смесителя 1, включенных между накопительным конденсатором 11 и выходными электродами 14 и 15 формирователя стробимпульсов 12. В результате на накопительном конденсаторе 11 устанавливается напряжение V_H, которое может быть найдено из условия сохранения накопленного заряда. Заряд в емкости C_H +С_B составляет V_H(C_H+C_B ), а заряд в емкостях диодов - (V_H-k_B V_H1)2C_D, где k_B - коэффициент передачи буферного усилителя. В сумме эти заряды равны накопленному заряду Q:

Из (11) и (12) получим:

v_h1=k_m v_ins1,

где

коэффициент передачи смесителя. Сравнение соотношений (13) и (9) показывает, что влияние емкостей диодов на коэффициент передачи смесителя в заявляемой ИМС УВХ снижается по сравнению с прототипом в 1/(1-k_B) раз. Обычно значение k _B близко к 1; при этом 2С_D(1-k_B)/(С _H+С_B)&; &; 1, и k_М 1. Повышение коэффициента передачи смесителя повышает не только чувствительность, но и точность УВХ, поскольку значение коэффициента передачи смесителя оказывается стабилизированным (близким к 1 и практически не зависящим от параметров С_B и С_D). Это чрезвычайно важно при использовании УВХ в точных измерительных системах, например, в высоко разрядных АЦП.

На фиг.4 представлен пример реализации заявляемой широкополосной ИМС УВХ на основе GaAs с использованием в качестве активных элементов ПТШ. Смесительные диоды выполняются в виде ПТШ с объединенными электродами стока и истока. Формирователь стробимпульсов 12 содержит оконечный каскад, выполненный в виде переключателя тока, и входной транслятор, выполненный по схеме истоковых повторителей с диодами сдвига уровней и осуществляющий согласование управляющих входных импульсов на входах 13 с логическими уровнями кремниевых ЭСЛ-схем (-1,6... -1,0 В) с переключателем тока. Кремниевые ЭСЛ-схемы обеспечивают высокую симметрию биполярных управляющих входных импульсов, что способствует повышению точности УВХ. Буферный усилитель 16 выполнен в виде истокового повторителя напряжения и обеспечивает близкий к 1 коэффициент передачи. Накопительный конденсатор выполнен в виде структуры металл-диэлектрик-металл. Малые значения паразитных реактивностей и полуизолирующая подложка позволяют использовать накопительный конденсатор весьма малой емкости - 50... 200 фФ, что обеспечивает широкую полосу пропускания.

Работоспособность заявляемой ИМС УВХ проверялась компьютерным моделированием с использованием программы схемотехнического моделирования Р-SPICE и модели n-канальных полевых транзисторов на основе арсенида галлия, адаптированной к базовому технологическому процессу производства арсенид-галлиевых микросхем в научно-образовательном центре МИЭТ и РАН. Результаты моделирования подтверждают практическую применимость предлагаемого изобретения. В частности при длине затворов ПТШ 1 мкм и накопительной емкости 200 фФ получены значения коэффициента передачи 0,94 и полоса пропускания 4 ГГц. Эти параметры существенно улучшаются при уменьшении длины затворов. Максимальная частота выборки ограничивается временем заряда выходной нагрузочной емкости С_OUT, а также быстродействием применяемого на выходе АЦП.

Предельно высокие параметры могут быть получены при использовании в качестве активных элементов гетеропереходных полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов в канале (НЕМТ).

Источники информации

1. Старосельский В.И. Проектирование ИМС УВХ на полупроводниковых соединениях А ³В⁵. Известия ВУЗов - Электроника. 2000, №4-5, с.91-97.

2. Bushehri E., Thiede A., Staroselsky V. et al. Dual brige 6 Gsample/s track and hold circuit in AlGaAs/GaAs/AlGaAs HEMT technology. Electronics Letters. 1998, vol.34, №10, p.934-936.